胡忠前 王紅紅 李忠濤 張海娟 郝靜敏

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

1988年北海Piper Alpha平臺(tái)事故[1-3]和2005年印度BHN平臺(tái)事故中，分別由于火災(zāi)造成立管應(yīng)急關(guān)斷閥(ESDV)失效和碰撞導(dǎo)致立管失效，導(dǎo)致長(zhǎng)距離海底管道中儲(chǔ)存烴類泄漏，為平臺(tái)火災(zāi)提供了源源不斷的燃料，進(jìn)一步導(dǎo)致事故的持續(xù)升級(jí)，從而造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。Piper Alpha平臺(tái)事故后，水下隔離閥(SSIV)開始在歐洲北海廣泛使用[4]，用于立管和立管ESDV失效泄漏情況下海管的緊急隔離。SSIV并非法規(guī)強(qiáng)制性要求，根據(jù)Piper Alpha事故調(diào)查庫倫報(bào)告[5]的建議“針對(duì)海管和立管危險(xiǎn)，安全報(bào)告中是否已采取足夠措施，包括是否有必要安裝SSIV”，作業(yè)者應(yīng)評(píng)估為降低人員、資產(chǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)至最低合理可行，是否需要安裝SSIV。本文針對(duì)西非海上某天然氣外輸設(shè)施是否需要安裝SSIV，研究了立管泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析方法，開展了立管泄漏場(chǎng)景識(shí)別、泄漏頻率計(jì)算和泄漏后果(包括擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸)分析，評(píng)估了有無安裝SSIV兩種工況下的資產(chǎn)損失和人員死亡風(fēng)險(xiǎn)，分析了SSIV的成本和收益，完成了外輸立管是否需要設(shè)置SSIV的評(píng)估。本文研究成果可以為今后類似海上項(xiàng)目提供借鑒。

1 工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

表1 西非海上某天然氣外輸立管相關(guān)參數(shù)Table 1 Relevant parameters of a gas export riser in offshore West Africa

圖1 西非某海域天然氣外輸管道系統(tǒng)示意圖Fig .1 Schematic of a natural gas export pipeline in offshore West Africa

2 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法概述

確定FPSO天然氣外輸立管/海底管線是否需要安裝SSIV的方法步驟[6]如下：

1) 估算天然氣外輸立管和海底管道的儲(chǔ)存量，并確定操作條件和氣體組分；

2) 分別模擬有無SSIV情況下水上和水下泄漏，包括泄漏速率隨時(shí)間的變化和泄漏持續(xù)時(shí)間；

3) 估算上述泄漏場(chǎng)景的發(fā)生頻率；

4) 評(píng)估泄漏場(chǎng)景的潛在后果，如氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸；

5) 評(píng)估識(shí)別出的火災(zāi)爆炸場(chǎng)景的升級(jí)潛力；

6) 評(píng)估事故后果的影響，包括人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染；

7) 評(píng)估安裝SSIV對(duì)降低風(fēng)險(xiǎn)的影響；

8) 和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，并分析安裝SSIV的成本。

3 立管泄漏場(chǎng)景識(shí)別

該天然氣外輸立管內(nèi)徑為381.0 mm，此次分析中考慮了4種尺寸的泄漏，分別是小尺寸泄漏(10 mm等效孔徑)、中尺寸泄漏(50 mm等效孔徑)、大尺寸泄漏(150 mm等效孔徑)和全尺寸泄漏(381 mm等效孔徑)。

立管泄漏可能發(fā)生在水上或水下，其中水上泄漏假設(shè)發(fā)生在立管靠近ESDV的位置，水下泄漏發(fā)生在從水平面到SSIV。由于氣體泄漏的影響隨著水深的變化而變化，因此模擬了5種不同深度立管失效，分別是50、100、200、500和1 320 m，泄漏點(diǎn)到FPSO的水平距離分別約為15、30、65、220和950 m。

外輸立管和海底管道的烴類儲(chǔ)存量計(jì)算如下：沒有安裝SSIV時(shí)，立管和海底管道中總氣體質(zhì)量為3 728 t；安裝SSIV時(shí)，立管中總氣體質(zhì)量為44.74 t。

4 立管泄漏頻率計(jì)算

立管失效頻率計(jì)算基于歷史數(shù)據(jù)，未考慮落物或船舶碰撞的可能影響。失效數(shù)據(jù)來源包括PARLOC 96剛性立管與海底管道泄漏頻率[7]和UK HSE海上烴類泄漏統(tǒng)計(jì)[8]。

PARLOC數(shù)據(jù)來源于北海，不包含SCR立管的失效率數(shù)據(jù)。本文采用傳統(tǒng)的剛性立管和海底管道的失效率數(shù)據(jù)(表2)。

表2 西非海上某天然氣外輸立管泄漏頻率Table 2 Release frequency of a gas export riser in offshore West Africa

5 立管泄漏后果分析

5.1 泄漏速率

該天然氣外輸立管泄漏速率計(jì)算采用后果模擬軟件CIRRUS中的氣體管道模型，計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可以看出：沒有安裝SSIV時(shí)，小尺寸和中尺寸水上泄漏速率下降相對(duì)較慢，但對(duì)于大尺寸和全尺寸泄漏，60 min后的泄漏速率分別降低到起始值的約25%和10%。500 m以淺深度的泄漏速率和水面的泄漏速率類似；大于此深度時(shí)，由于泄漏孔處背壓較高的影響導(dǎo)致泄漏速率下降。在安裝SSIV的情況下，泄漏速率下降更快，對(duì)于小尺寸泄漏，60 min后泄漏速率約下降三分之一；對(duì)于大尺寸泄漏，5 min內(nèi)降低到起始速率的1%以下，10 min內(nèi)泄漏完。

5.2 擴(kuò)散

5.2.1海面泄漏

通過海面以上該天然氣外輸立管泄漏模擬，以確定爆炸下限(LFL)和下限50%(50%LFL)，泄漏速率取自5min后的數(shù)值。模擬了3種泄漏場(chǎng)景：水平噴射、垂直噴射和侵入噴射；2種風(fēng)速：5 m/s和10 m/s；大氣穩(wěn)定度為D，溫度25 ℃。計(jì)算結(jié)果見表4，可以看出：

表3 西非海上某天然氣管道泄漏速率隨時(shí)間變化Table 3 Release rate variation as time of a gas pipeline in offshore West Africa

1) 水平噴射。大尺寸泄漏和全尺寸泄漏可以導(dǎo)致泄漏點(diǎn)下風(fēng)向大約120 m內(nèi)天然氣濃度達(dá)到LFL，達(dá)到50%LFL的距離大約是這個(gè)數(shù)值的2倍；中尺寸泄漏的距離達(dá)到60 m。風(fēng)速不會(huì)顯著影響擴(kuò)散距離。

2) 垂直噴射。對(duì)于5 m/s風(fēng)速，大尺寸泄漏和全尺寸泄漏導(dǎo)致的LFL濃度達(dá)到泄漏點(diǎn)以上69 m，并延伸到下風(fēng)向15 m。50%LFL氣云稍高，水平距離擴(kuò)大到2倍。對(duì)于10 m/s風(fēng)速，云團(tuán)高度降低1/3，下風(fēng)向距離稍微增加。

3) 侵入噴射。模擬成水平方向上低沖量泄漏，大尺寸泄漏和全尺寸泄漏可以在下風(fēng)向125 m內(nèi)，泄漏點(diǎn)以上41 m造成濃度達(dá)到LFL的氣云，50%LFL的距離大約高出50%。

5.2.2海面以下泄漏

天然氣水下泄漏導(dǎo)致錐形氣泡云團(tuán)從水中上升到海平面。本文采用以下準(zhǔn)則[9]：水深小于500 m，水面氣云直徑的確定使用“20%規(guī)則”；水深超過500 m，由于低溫高壓下水合物的形成，導(dǎo)致泄漏的天然氣不會(huì)擴(kuò)散到水面。

當(dāng)氣泡云團(tuán)上浮到水面，在海流的影響下沿水平方向移動(dòng)。很明顯，隨著泄漏點(diǎn)深度增加，水平方向上擴(kuò)散的距離也增加。

水面下風(fēng)向上的擴(kuò)散距離使用CIRRUS模擬，泄漏孔尺寸使用“20%規(guī)則”， 50 m水深的泄漏模擬成10 m孔徑，擴(kuò)散距離見表5。對(duì)于100 m和200 m水深，中尺寸和大尺寸泄漏引起的氣云擴(kuò)散距離和淺水泄漏類似；而對(duì)于500 m水深，大尺寸泄漏和全尺寸泄漏擴(kuò)散距離和淺水類似，但中尺寸和小尺寸泄漏不能用此種方法模擬。

5.3 爆炸

爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析用于確定FPSO上部組塊爆炸可能產(chǎn)生的超壓，保守假設(shè)FPSO上部組塊滯塞/受限空間內(nèi)可燃云團(tuán)點(diǎn)燃后發(fā)生的爆炸將導(dǎo)致災(zāi)難性資產(chǎn)損失。

5.4 火災(zāi)

5.4.1水面泄漏

水面泄漏火災(zāi)使用PHAST軟件模擬。由該天然氣管道水面泄漏時(shí)火焰長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果(表6)可以看出，沒有安裝SSIV時(shí)，中尺寸和大尺寸泄漏的火焰長(zhǎng)度足以到達(dá)船艏或船艉，而小尺寸泄漏的噴射火焰可以到達(dá)船體、附近立管和上部模塊。安裝SSIV后，泄漏時(shí)間縮短，尤其是大尺寸和全尺寸泄漏，而中尺寸和小尺寸泄漏時(shí)火焰作用于船體的時(shí)間仍然大于30 min。

表4 西非海上某天然氣管道海面泄漏擴(kuò)散距離(單位：m)Table 4 Dispersion distance for surface release of a gas pipeline in offshore West Africa(unit:m)

表5 西非海上某天然氣管道水深50 m處泄漏擴(kuò)散距離(單位：m)Table 5 Dispersion distance for release with water depth 50 m of a gas pipeline in offshore West Africa(unit:m)

表6 西非海上某天然氣管道水面泄漏時(shí)火焰長(zhǎng)度隨時(shí)間變化Table 6 Flame length variation with time under surface leakage of a gas pipeline in offshore West Africa

5.4.2水下泄漏

由該天然氣管道在500 m以淺水深能夠支持海面火災(zāi)的臨界泄漏速率和火焰長(zhǎng)度模擬結(jié)果(表7)可以看出：沒有安裝SSIV時(shí)， 200 m水深以淺的中尺寸、大尺寸和全尺寸泄漏都可以支持60 min的火災(zāi)；而對(duì)于安裝了SSIV的方案，僅小尺寸泄漏引起的火災(zāi)可以持續(xù)60 min。

表7 西非海上某天然氣管道臨界泄漏速率(水深:500 m)Table 7 Critical release rate of a gas pipeline in offshore West Africa(water depth:500 m)

5.4.3事故升級(jí)規(guī)則

1) 船體和FPSO結(jié)構(gòu)。噴射火直接作用于船體60 min后，將致FPSO結(jié)構(gòu)完整性失效，事故升級(jí)。

2) 錨泊系統(tǒng)。噴射火直接作用于沒有被動(dòng)防火措施的錨泊系統(tǒng)，將在30 min內(nèi)導(dǎo)致錨泊系統(tǒng)失效。

3) 相鄰立管/管線。噴射火直接作用于立管/管線，將導(dǎo)致立管/管線在20 min內(nèi)失效。

4) 生活樓/逃救生設(shè)施。生活樓采用PFP保護(hù)，可以保護(hù)除時(shí)長(zhǎng)超過30 min侵入噴射火以外的所有火災(zāi)。然而，由于天然氣立管相對(duì)于生活樓的位置，外輸立管噴射火不會(huì)直接作用到生活樓。

6 立管泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

6.1 無SSIV方案與安裝SSIV方案對(duì)比

表8、9匯總了未安裝和安裝SSIV對(duì)FPSO事故升級(jí)潛力的可能影響，表10、11為兩種方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。

表8 西非海上某天然氣管道升級(jí)可能性(無SSIV方案)Table 8 Escalation possibility of a gas pipeline in offshore West Africa(without SSIV)

表9 西非海上某天然氣管道升級(jí)可能性(有SSIV方案)Table 9 Escalation possibility of a gas pipeline in offshore West Africa(with SSIV)

表10 西非海上某天然氣管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果 (無SSIV方案)Table 10 Leakage risk assessment results of a gas pipeline in offshore West Africa(without SSIV)

表11 西非海上某天然氣管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果 (有SSIV方案)Table 11 Leakage risk assessment results of a gas pipeline in offshore West Africa(with SSIV)

由表11可以看出，安裝SSIV的優(yōu)勢(shì)為：

1) 災(zāi)難性資產(chǎn)損失的頻率降低1.47×10-4/a(57.4%)；

2) 災(zāi)難性和重大資產(chǎn)損失聯(lián)合頻率下降1.38×10-4/a(53.3%)；

3) PLL降低7.09×10-4/a(57.6%)。

應(yīng)注意的是，本文假設(shè)SSIV總是能在外輸立管開始泄漏5 min以內(nèi)關(guān)閉，因此風(fēng)險(xiǎn)降低值是設(shè)置SSIV后所能達(dá)到的最大值。如果實(shí)際上SSIV的可靠性(需求失效概率)為0.05，那么上述風(fēng)險(xiǎn)降低值應(yīng)減少5%。

6.2 結(jié)果分析

按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10]，將該天然氣管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)矩陣劃分成3個(gè)區(qū)域：1區(qū)，需要改進(jìn)；2區(qū)，最低合理可行；3區(qū)，風(fēng)險(xiǎn)較小(圖2)。

由圖2可以看出，沒有安裝SSIV時(shí)，外輸立管失效的災(zāi)難性資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)位于2區(qū)，靠近1區(qū)邊界，重大資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)位于3區(qū)；安裝SSIV后，外輸立管災(zāi)難性資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)有所降低，重大資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)增加，但仍然在3區(qū)。

圖2 西非海上某天然氣管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)矩陣[10]Fig .2 Leakage risk matrix of a gas pipeline in offshore West Africa[10]

進(jìn)一步通過成本效益分析評(píng)估安裝SSIV的必要性?；A(chǔ)假設(shè)如下：油田生產(chǎn)壽命20 a，災(zāi)難性資產(chǎn)損失成本7.5億歐元，重大資產(chǎn)損失成本0.15億歐元，人員死亡成本，750萬歐元，貼現(xiàn)率10%。經(jīng)計(jì)算，安裝SSIV后總節(jié)省費(fèi)用為115 440歐元，現(xiàn)值估計(jì)為98.3萬歐元；而安裝SSIV的成本估計(jì)為150萬歐元，大于節(jié)省的費(fèi)用，因此認(rèn)為安裝SSIV是不合適的。此外，應(yīng)該注意的是安裝SSIV的好處主要是資產(chǎn)損失的減少，而不是PLL值的降低?？偟膩碚f，該天然氣外輸管線安裝SSIV在經(jīng)濟(jì)上講是不劃算的，當(dāng)然業(yè)主公司可能還會(huì)考慮其他因素作為是否安裝SSIV總體決策的依據(jù)，如公司的政策、分析方法固有的不確定性和所在國(guó)法規(guī)或保險(xiǎn)方面的因素等。

7 結(jié)論

1) 針對(duì)西非海上某天然氣外輸設(shè)施是否需要安裝水下隔離閥(SSIV)，提出了通過定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法評(píng)估立管泄漏風(fēng)險(xiǎn)，該方法包括泄漏場(chǎng)景識(shí)別、泄漏頻率計(jì)算和泄漏后果(包括擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸)分析、資產(chǎn)損失和人員死亡分析以及成本效益分析等步驟。

2) 應(yīng)用本文方法評(píng)估后顯示，該天然氣外輸設(shè)施安裝SSIV后，災(zāi)難性資產(chǎn)損失的頻率降低1.47×10-4/a(57.4%)，災(zāi)難性和重大資產(chǎn)損失聯(lián)合頻率下降1.38×10-4/a(53.3%)，PLL值降低7.09×10-4/a(57.6%)。

3) 根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該天然氣外輸立管無SSIV時(shí)泄漏風(fēng)險(xiǎn)都落在最低合理可行區(qū)；安裝SSIV的費(fèi)用大約為150萬歐元，而收益現(xiàn)值僅為約100萬歐元。因此，該天然氣外輸設(shè)施在外輸立管上安裝SSIV是不劃算的。