(中國船級社海洋工程技術(shù)中心，天津 300457)

平臺立管和海底管道是井口油氣介質(zhì)與外界聯(lián)系的樞紐，一旦發(fā)生泄漏，就可能引起平臺持續(xù)性火災(zāi)或嚴(yán)重的爆炸，造成人員損傷、經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重社會影響。平臺立管水下關(guān)斷閥(subsea shutdown valve,SSDV)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)對平臺近端立管和海底管線的隔離，以降低泄漏和火災(zāi)爆炸后果。但SSDV及其控制系統(tǒng)成本高，且立管SSDV維修經(jīng)常涉及到平臺停產(chǎn)，故當(dāng)SSDV發(fā)生海水腐蝕故障或執(zhí)行機(jī)構(gòu)腐蝕故障時，是否對SSDV進(jìn)行恢復(fù)是目前工程所面臨的主要問題。為此，從風(fēng)險角度對上述SSDV恢復(fù)判定問題進(jìn)行分析。

1 分析方法和相關(guān)要求法規(guī)對比

SSDV的恢復(fù)判定問題，其本質(zhì)是SSDV分別在工作和故障狀態(tài)下的風(fēng)險問題。當(dāng)SSDV故障狀態(tài)下對平臺安全生產(chǎn)形成的風(fēng)險業(yè)主無法接受，那么此SSDV必須恢復(fù)。

采用定量風(fēng)險分析(QRA)形成SSDV風(fēng)險分析方法流程，見圖1。

圖1 SSDV風(fēng)險分析方法流程

首先進(jìn)行風(fēng)險辨識分析，查找英國HSE委員會的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫PARLOC[1]中相關(guān)數(shù)據(jù)，分析與計算立管系統(tǒng)失效概率，基于計算流體力學(xué)(CFD)的FLACS[2-3]對平臺立管泄露進(jìn)行定性后果仿真分析。依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]提出的基于統(tǒng)計海上點(diǎn)火數(shù)據(jù)得到的點(diǎn)火概率模型查找點(diǎn)火概率，計算火災(zāi)爆炸導(dǎo)致平臺坍塌的定量失效概率。根據(jù)平臺管理和人員布置情況，計算火災(zāi)爆炸平臺定量潛在人命損失后果。結(jié)合風(fēng)險可接受準(zhǔn)則，判定SSDV風(fēng)險等級，由業(yè)主考慮是否恢復(fù)SSDV。

相關(guān)法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)歸納見表1[6-9]。

2 泄露頻率分析

海洋立管和海底管道數(shù)據(jù)庫為PARLOC2003是目前國際上公認(rèn)的在立管和海管泄露方面比較權(quán)威的數(shù)據(jù)庫。PARLOC數(shù)據(jù)庫為英國HSE委員會多年對北海作業(yè)區(qū)管道發(fā)生泄露事故統(tǒng)計所得，且適用于常規(guī)鋼制立管和海底管道的失效概率預(yù)測分析。

海洋平臺立管泄漏主要集中頂部、飛濺區(qū)與海底位置，不同位置泄露概率不同，見表2。

表1 法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對SSDV的要求

表2 立管泄漏位置分布占比 %

立管泄露孔徑選擇和概率分布見表3、4。

表3 立管泄漏孔徑值選擇(全尺寸)

表4 立管泄漏的孔尺寸概率分布(全尺寸)

當(dāng)可燃介質(zhì)泄露時，點(diǎn)燃主要分為2種：①立即點(diǎn)燃，在人員能夠逃離該區(qū)域之前，在泄放開始后迅速點(diǎn)火; ②延遲點(diǎn)燃，由于氣體云在平臺上的漂移而導(dǎo)致點(diǎn)火源上點(diǎn)火延遲。根據(jù)點(diǎn)火延遲，可能會讓人員在火災(zāi)發(fā)生之前逃生。

用于平臺上部事件的點(diǎn)火概率參考文獻(xiàn)[5]，見表5。

表5 通用點(diǎn)燃概率

對PARLOC 2003數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理得出表2、3、4，從表中結(jié)果可以看出立管失效事件20%發(fā)生在水上，80%發(fā)生在水下。

3 失效后果定量計算

1)個人風(fēng)險(IRPA)。人員風(fēng)險用每年個體風(fēng)險(IRPA)表示。

IRPA=λ×β×P

(1)

式中：λ為平臺坍塌致死率，假設(shè)平臺坍塌導(dǎo)致的致死率為80%；β為平臺工作人員暴露頻率，根據(jù)中海油管理制度β取50%(基于4周工作，4周休息的工作模式)；P為火災(zāi)爆炸平臺發(fā)生坍塌的概率。

2)潛在人命損失(PLL)指某種范圍內(nèi)的全部人員在特定周期內(nèi)可能蒙受某種風(fēng)險的頻率。

(2)

式中：POB為平臺上人員配備數(shù)量。

人命風(fēng)險可接受準(zhǔn)則用于定量風(fēng)險分析中的風(fēng)險等級判定，此準(zhǔn)則一般由業(yè)主制定或者風(fēng)險評估機(jī)構(gòu)制定由業(yè)主接受的準(zhǔn)則，中海油潛在人命損失風(fēng)險可接受準(zhǔn)則見表6。

4 工程實(shí)例

南海2個深水天然氣生產(chǎn)平臺(以下簡稱1號平臺和2號平臺)位于惠州海域， 2號平臺通過6 in海底天然氣管把平臺天然氣輸送到1號平臺上。海底天然氣管道在其中1號平臺上進(jìn)入生產(chǎn)模塊前已裝有一個關(guān)斷閥(現(xiàn)正常)，另外1號平臺立管水面下13 m處還裝有一個SSDV。其中后者SSDV屬于液壓驅(qū)動，平時保持常開狀態(tài)，在緊急情況或臺風(fēng)撤離期間可保持關(guān)閉。目前該SSDV液壓控制裝置已失效，無法關(guān)閉，一直保持常開狀態(tài)。針對該SSDV進(jìn)行恢復(fù)判定分析。

表6 潛在人命損失(PLL)風(fēng)險可接受準(zhǔn)則

注：yr代表數(shù)值為每年的概率值。

1號海洋平臺位于南海，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。

4.1 海洋波浪和風(fēng)況

海平面表面海水流動10年內(nèi)平均流速為1.61 m/s，中層深度海水流速10年內(nèi)平均流速為1.13 m/s，深層海水流速10年平均流速為0.49 m/s。

平臺所處區(qū)域?yàn)槟虾＝葜莺Ｓ?，受西南季風(fēng)影響，風(fēng)速約為5～7m/s，10年內(nèi)出現(xiàn)的最大風(fēng)速約38 m/s。

4.2 法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對1號平臺SSDV要求

2號平臺與1號平臺間海管兩端的SSDV設(shè)置情況：海管入口端關(guān)斷閥位于2號平臺；1號平臺海管出口端共設(shè)置了2個關(guān)斷閥，水上關(guān)斷閥處于工作狀態(tài)，具體位置位于1號平臺組塊下甲板，水下關(guān)斷閥即為此次故障的SSDV。

基于法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，對于海管進(jìn)口和出口提出需設(shè)置關(guān)斷閥。《海上固定平臺安全規(guī)則》、中國船級社《海上油氣處理系統(tǒng)規(guī)范》、API 14C及《海上生產(chǎn)平臺上部設(shè)施安全系統(tǒng)的基本分析、設(shè)計、安裝和測試的推薦作法》均提出需設(shè)置關(guān)斷閥，但對于關(guān)斷閥數(shù)量和具體位置并未明確要求。

2號平臺海管入口端和1號平臺海管出口端均設(shè)置了關(guān)斷閥，且已滿足法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3 泄露仿真分析

海洋立管可能發(fā)生立管水上泄漏或水下泄漏。水上泄漏點(diǎn)燃會產(chǎn)生噴射火，未燃燒的頂部泄漏可能產(chǎn)生氣云擴(kuò)散，氣云附近的點(diǎn)火源可能會導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸；水下泄漏可能引起平臺附近產(chǎn)生池火，未燃燒的水下泄漏引起可燃性氣體云在海平面擴(kuò)散，易燃?xì)庠聘浇狞c(diǎn)火源可能會導(dǎo)致火災(zāi)。

根據(jù)1號平臺的布置圖進(jìn)行FLACS仿真分析建模，模型見圖2。

圖2 1號平臺FLACS模型

平臺環(huán)境：根據(jù)1號平臺所在地區(qū)環(huán)境條件，平均風(fēng)速5～7 m/s，D等級大氣穩(wěn)定度。由于立管區(qū)域泄露造成的后果最為嚴(yán)重，為充分評估立管發(fā)生天然氣泄漏時帶來的危險性，現(xiàn)考慮20%可能發(fā)生泄漏的頂部位置為最嚴(yán)重的后果工況進(jìn)行仿真分析。

4.3.1 可燃?xì)庠迫急^程動態(tài)分析

1號平臺兩關(guān)斷閥間20 m立管的天然氣量相對于2平臺間海管天然氣量可忽略，且不會對平臺造成影響。根據(jù)不同泄漏孔徑下可燃爆氣云體積，設(shè)置點(diǎn)火源，模擬cellar deck內(nèi)部氣云燃爆情況，分析燃爆過程動態(tài)變化，截取內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施爆炸超壓表面分布圖，見圖3。

圖3 立管頂部泄漏口燃爆過程動態(tài)分布

由燃爆過程動態(tài)變化可知，燃爆產(chǎn)生的沖擊波與高溫鋒面呈球形向外擴(kuò)展，逐漸影響cellar deck內(nèi)大部分設(shè)備設(shè)施以及upper deck頂部與底部部分設(shè)備。沖擊波與高溫鋒面整體向上發(fā)展，橫向由于防火墻的阻隔，未擴(kuò)展到防火墻另一側(cè)。

4.3.2 不同泄漏孔徑下可燃?xì)庠迫急瑝簩Ρ确治?/p>

不同泄漏孔徑條件下燃爆超壓對比見圖4。

圖4 立管頂部不同泄漏孔徑內(nèi)部設(shè)備燃爆超壓對比

由圖4可知，不同泄漏孔徑下，燃爆超壓最大值主要集中在管匯底部與分離器底部，部分超壓分布在頂部管道密集處。管匯作為cellar deck上天然氣集輸?shù)闹饕O(shè)備設(shè)施，最大泄漏孔徑處形成的最大超壓可能造成該處設(shè)備的損傷，如不及時處理，會引發(fā)天然氣的泄漏，造成更加嚴(yán)重的后果。

4.4 SSDV失效概率

依據(jù)圖1的流程對該工程實(shí)例是否恢復(fù)SSDV進(jìn)行分析，立管泄露火災(zāi)爆炸概率見表7，其中的頻率為年度頻率。

表7 立管泄漏概率yr ×10-4

立管火災(zāi)或爆炸引起導(dǎo)管架坍塌的整體風(fēng)險見表8，其中火災(zāi)或爆炸引起的導(dǎo)管架坍塌風(fēng)險和人員風(fēng)險概率均考慮了泄露方向概率和風(fēng)向概率。

表8 立管泄漏引起平臺坍塌的風(fēng)險概率yr ×10-6

4.5 SSDV失效后果

海上平臺油氣生產(chǎn)中，企業(yè)更為關(guān)注人員的安全風(fēng)險。平臺個人風(fēng)險概率為1.39×10-6。

本工程項目平臺上人員配備數(shù)量POB為100。平臺潛在人命損失概率為2.78×10-4。

5 結(jié)論

1)SSDV風(fēng)險分析過程中，首先要滿足法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，工程實(shí)例SSDV風(fēng)險為中級風(fēng)險，根據(jù)業(yè)主對風(fēng)險的接受程度和成本要求，認(rèn)為暫時不恢復(fù)此SSDV。

2)立管泄露引起的火災(zāi)爆炸會影響井口至井口防火墻所圍區(qū)域的大部分設(shè)施設(shè)備以及平臺上工作人員，建議在井口區(qū)域盡量少設(shè)置含危險介質(zhì)的設(shè)施設(shè)備，加強(qiáng)井口區(qū)域防火墻布置和危險介質(zhì)泄露探測報警，杜絕井口區(qū)域點(diǎn)火源出現(xiàn)。

3)后續(xù)研究應(yīng)考慮進(jìn)行平臺立管泄露FLACS池火、噴射火和可燃介質(zhì)云擴(kuò)散分析。