趙 剛

（勝利海上監(jiān)督處，山東 東營 257000）

海洋石油平臺(tái)的特點(diǎn)是將開采設(shè)備、工藝處理設(shè)備和易燃易爆物質(zhì)至于有限的空間，各類容器、管線、閥門等有大量的密封點(diǎn)的機(jī)械設(shè)備高度集中，因腐蝕、疲勞損傷或操作問題，不同程度的泄漏事件頻繁發(fā)生[1]。而一旦發(fā)生點(diǎn)火，就極有可能會(huì)升級(jí)成為火災(zāi)或者爆炸事故[2]。工作區(qū)域和人員生活區(qū)域距離很近，且只能通過船只或直升機(jī)逃生，所以一旦發(fā)生事故，傷亡往往非常嚴(yán)重。魏超南等[3]人基于CFD理論,對(duì)井噴天然氣的運(yùn)動(dòng)行為及危險(xiǎn)區(qū)域的分布規(guī)律進(jìn)行模擬和分析，得出不同工況下甲烷氣體濃度在平臺(tái)上的分布規(guī)律。韓圣章[4]研究海洋平臺(tái)可燃?xì)怏w的泄漏擴(kuò)散和氣云爆炸，分析爆炸產(chǎn)生的超壓對(duì)平臺(tái)造成的風(fēng)險(xiǎn)。宋劍[5]建立海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)氣體爆炸荷載的分析模型，對(duì)爆炸載荷下海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行研究。王學(xué)岐，韓兆輝等[6]人運(yùn)用CFD方法對(duì)液化氣球罐區(qū)的液化氣泄漏擴(kuò)散、爆炸事故后果進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從點(diǎn)火源位置、氣團(tuán)大小和阻塞度方面分析爆炸沖擊波及火焰?zhèn)鞑デ闆r。

本文選擇某海上油氣平臺(tái)的油氣處理系統(tǒng)，對(duì)識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行后果和風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。其中，主工藝流程的設(shè)備設(shè)施發(fā)生的泄漏事故，使用CFD方法進(jìn)行氣體擴(kuò)散，火災(zāi)和爆炸進(jìn)行模擬計(jì)算。最后，將所有風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行疊加，得到平臺(tái)不同區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)和不同工種工作人員的年度風(fēng)險(xiǎn)，并總結(jié)出海洋油氣平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)分析流程，為海上油氣平臺(tái)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作提供指導(dǎo)建議。

1 平臺(tái)狀況

1.1 總體布置

本研究中的主要設(shè)施分布在DPA、DPB、DPC三個(gè)連接在一起的平臺(tái)上。為了便于后面提取特定區(qū)域的火災(zāi)熱輻射和爆炸超壓等數(shù)據(jù)，根據(jù)平面布置圖中設(shè)備設(shè)施分布情況，將平臺(tái)劃分成16個(gè)區(qū)域，編號(hào)從P1至P16。

1.2 平臺(tái)主工藝

原油生產(chǎn)及處理流程：從井口上來的生產(chǎn)物流在自由水分離器被初步分成油、氣、水三部分，分離出的伴生天然氣進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)；分離出的含油污水直接進(jìn)入水力旋流器；分離出的含水原油經(jīng)加熱后進(jìn)入生產(chǎn)分離器。生產(chǎn)分離器為油氣水三相分離器，分離出的伴生天然氣進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)；分離出的含油污水直接進(jìn)入水力旋流器；分離出的含水原油再經(jīng)換熱、加熱后進(jìn)入油處理器。油處理器為三相分離器，分離出的伴生天然氣進(jìn)入燃料氣系統(tǒng)；分離出的含油污水直接進(jìn)入浮選器；分離出的原油進(jìn)入原油緩沖罐，然后經(jīng)海底管線輸往陸地的接收裝置。

天然氣燃燒系統(tǒng)：從自由水分離器、生產(chǎn)分離器、油處理器中分離出的伴生天然氣和氣井采出的天然氣進(jìn)入天然氣處理系統(tǒng)，經(jīng)雜質(zhì)吸收裝置、凈化器除雜凈化后，再經(jīng)燃料氣過濾分離器和燃料氣加熱器除液和干燥后，用作燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)的燃料，多余部分通過火炬放空燃燒。燃料氣過濾分離器和火炬洗滌器分離產(chǎn)生的含水原油返回生產(chǎn)流程進(jìn)行處理。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

根據(jù)平臺(tái)工藝流程、設(shè)備設(shè)施分布、處理介質(zhì)和工作人員作業(yè)類型，結(jié)合以往平臺(tái)事故原因分析，平臺(tái)生產(chǎn)過程中存在油氣泄漏、船只事故、高處墜落風(fēng)險(xiǎn)，危險(xiǎn)物質(zhì)主要有天然氣、原油。

1.4 平臺(tái)人員狀況

平臺(tái)實(shí)行兩班倒工作制，白班為早晨6點(diǎn)至下午6點(diǎn)，夜班為下午6點(diǎn)至早晨6點(diǎn)。每班人員在平臺(tái)連續(xù)工作14天，通過船只進(jìn)行換班。

2 方法及軟件

本文中對(duì)氣體擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸的后果計(jì)算，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法。它是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而產(chǎn)生的一個(gè)介于數(shù)學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)之間的交叉學(xué)科，主要研究內(nèi)容是通過計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法來求解流體力學(xué)的控制方程，對(duì)流體力學(xué)問題進(jìn)行模擬和分析。

使用Fluidyn軟件中的PANACHE、VENTFIRE和VENTEX三個(gè)模塊分別完成擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸后果模擬。其中PANACHE能夠考慮復(fù)雜的地形起伏、建筑物、構(gòu)筑物、低速風(fēng)、泄露噴射效應(yīng)等情況模擬與污染和危險(xiǎn)相關(guān)大氣過程的診斷計(jì)算軟件。其基本方程為Navier-Stokes方程，同時(shí)求解物質(zhì)的濃度、質(zhì)量和能量守恒方程。湍流模型方面，該軟件求解上述方程的雷諾平均形式。雷諾應(yīng)力模型使用線性渦黏性模型（LEVM），對(duì)所有物質(zhì)求和，滿足連續(xù)性方程（質(zhì)量守恒）、Navier-Stokes方程（動(dòng)量守恒） 及能量守恒方程。Ventfire和Ventex這兩個(gè)模塊是專門用于火災(zāi)和爆炸仿真分析應(yīng)用的數(shù)值平臺(tái)，是一種模擬固體、氣體在受限、半受限、開放空間內(nèi)火災(zāi)、爆炸過程的數(shù)值計(jì)算模型。使用三維有限體積技術(shù)求解描述空氣流動(dòng)的Navier-Stokes方程，從而得到空間內(nèi)各點(diǎn)的壓力、溫度、速度、湍流度、物質(zhì)組分等數(shù)據(jù)。

分析過程包括以下幾步：1） 將流動(dòng)中的質(zhì)量、動(dòng)量、熱量傳遞抽象成為數(shù)學(xué)、力學(xué)模型，并確定幾何空間影響區(qū)域。2）繪制整個(gè)幾何形體與其空間影響區(qū)域（計(jì)算空間）的CAD模型，將幾何體的外表面和整個(gè)內(nèi)部空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分。3）加入求解所需要的初始條件，入口與出口處的邊界條件一般為速度、壓力條件。4）設(shè)定具體的控制求解過程和精度的條件，對(duì)所需分析的問題進(jìn)行求解，并且保存數(shù)據(jù)文件結(jié)果。5）選擇合適的后處理器讀取計(jì)算結(jié)果信息。

3 泄漏分析

3.1 單元?jiǎng)澐?/h3>

在本此分析中，理論上以ESD閥門、泵、壓縮機(jī)視為有效的物流截?cái)帱c(diǎn)，根據(jù)其位置以及物料相態(tài)變化劃分泄漏單元，其中與之相鄰的法蘭、閥門及工藝管道已被考慮在內(nèi)。通過參照“AQ/T 3046化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則對(duì)泄漏單元進(jìn)行分析，見表1。由于平臺(tái)甲板為鏤空隔板，液體不會(huì)在上面存留，而是透過空隙直接流入海中，不構(gòu)成發(fā)生池火的條件。因此僅分析氣體泄漏及其可能造成的危害。

表1 部分泄漏單元?jiǎng)澐?/p>

3.2 泄漏類型

現(xiàn)在國內(nèi)外在定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域，傾向于按照泄漏孔徑的大小進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)AQ/T3046，本次QRA研究中所選取的泄漏孔徑分為小孔泄漏（1～10 mm，代表孔徑為5mm）、中孔泄漏（10～50 mm，代表孔徑為 25mm）、大孔泄漏（50～150mm，代表孔徑為100mm） 和完全破裂（150mm以上，代表孔徑為實(shí)際最大管徑）。

3.3 泄漏參數(shù)

使用LEAK和PHAST軟件，對(duì)篩選后的設(shè)備進(jìn)行泄漏計(jì)算，見表2。

4 后果及風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 擴(kuò)散

表2 部分泄漏初始參數(shù)

泄漏方向選擇豎直向上及向平臺(tái)內(nèi)側(cè)，目的是使氣云盡量留在平臺(tái)內(nèi)部。根據(jù)平臺(tái)所處海域的氣象資料，選取東、南、西、北四個(gè)方向及相對(duì)應(yīng)的出現(xiàn)頻率最高的平均風(fēng)速。

根據(jù)平臺(tái)平面布局圖紙資料，建立平臺(tái)三維幾何模型。在三維幾何模型的基礎(chǔ)上，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以捕捉模型中復(fù)雜特征尺寸。流動(dòng)選擇k-ε湍流模型；擴(kuò)散選擇標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)散模型。數(shù)學(xué)模型主要考慮使用Specices Transport（多組份輸運(yùn)） 模型進(jìn)行可燃?xì)怏w擴(kuò)散模擬計(jì)算。使用Fluidyn-POST讀取計(jì)算結(jié)果文件，導(dǎo)出需要分析的擴(kuò)散云圖。

CH4氣體的擴(kuò)散濃度數(shù)據(jù)主要用來分析發(fā)生閃火的范圍，當(dāng)CH4氣體體積濃度達(dá)到5%時(shí)，認(rèn)為此處一旦發(fā)生點(diǎn)燃，就會(huì)發(fā)生閃火。出于保守考慮，一般取2.5%作為判定閾值。出于閃火范圍內(nèi)的人員死亡概率為1，范圍外為0。風(fēng)險(xiǎn)=閃火發(fā)生的頻率×人員死亡概率。閃火造成的區(qū)域年度風(fēng)險(xiǎn)（LSIR） 見表3。

4.2 噴射火

使用Ventfire-gui6_64建立噴射火模型，對(duì)邊界條件、網(wǎng)格等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如圖1。根據(jù)需要分析的工況設(shè)定泄漏流量、風(fēng)速、風(fēng)向等邊界條件參數(shù)。噴射火造成的人員死亡概率計(jì)算方法遵循圖2流程和判斷準(zhǔn)則，風(fēng)險(xiǎn)=噴射火發(fā)生的頻率×人員死亡概率。因噴射火造成的區(qū)域年度風(fēng)險(xiǎn) （LSIR） 見表4。

表3 閃火造成的區(qū)域年度風(fēng)險(xiǎn)

4.3 爆炸

使用Ventex-gui6_64建立爆炸模型，如圖3。湍流模型選擇SST K-omega模型,點(diǎn)火能量默認(rèn)為能夠使反應(yīng)開始進(jìn)行且不影響后續(xù)發(fā)展。

圖1 噴射火模型計(jì)算結(jié)果示意圖

圖2 噴射火造成的人員死亡概率

爆炸產(chǎn)生的超壓大于0.03Mpa時(shí)，其影響范圍內(nèi)人員死亡概率為1；如果小于0.03Mpa，但是大于0.01 Mpa，影響范圍內(nèi)的室外人員死亡概率為0，室內(nèi)人員死亡概率為0.025；如果小于0.01Mpa，影響范圍內(nèi)的人員死亡概率為0。風(fēng)險(xiǎn)=爆炸發(fā)生的頻率×人員死亡概率。所有工況都沒有達(dá)到0.01Mpa的超壓值，因此爆炸超壓造成的人員死亡風(fēng)險(xiǎn)為0。

表4 噴射火對(duì)不同區(qū)域造成的年度風(fēng)險(xiǎn)

圖3 爆炸超壓結(jié)果示意圖

4.4 撞船

根據(jù)本平臺(tái)的情況，按照值班運(yùn)輸船、守護(hù)船和漁船3種情況，分析不同類型船舶與平臺(tái)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)概率。船舶與平臺(tái)碰撞的概率基礎(chǔ)計(jì)算公式為：

式中，N為平臺(tái)潛在威脅的船舶數(shù)量；P1為船舶位于撞擊路線上的概率，P2為船舶失去控制的概率或錯(cuò)誤航行的概率；P3為警告失敗的概率取0.13。

1）值班運(yùn)輸船撞擊.值班運(yùn)輸船靠平臺(tái)過程中與平臺(tái)相撞，比例約占60%；此時(shí)，船舶處于撞擊路線上，P1=100%，N取2。其他平臺(tái)值班運(yùn)輸船路過本平臺(tái)發(fā)生相撞，比例約占5%；此時(shí)船舶處于撞擊路線上的概率P1=10%，N取6。值班運(yùn)輸船與平臺(tái)物資轉(zhuǎn)移過程中因漂流力發(fā)生碰撞，比例約占35%；此時(shí)船舶處于撞擊路線上的概率P1=50%，N取6。

參照DNV統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫，P2取2E-4，值班運(yùn)輸船撞擊本平臺(tái)的概率為P=5.9E-5/年。

潛在死亡人數(shù)=20人×5.9E-5/年=1.18E-3人/年。

2）守護(hù)船撞擊,護(hù)船一般停靠于距離平臺(tái)一定距離的海域，守護(hù)船碰撞平臺(tái)的主要原因是由于惡劣的氣候引起的。守護(hù)船撞擊，一般不會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)人員死亡，因此認(rèn)為PLL為0。

4.5 墜落物

墜落物風(fēng)險(xiǎn)包括吊機(jī)倒塌、修井架倒塌。平臺(tái)上墜落物主要有兩類：吊機(jī)與修井架，由于修井架的位置以及其移動(dòng)的限制保證了修井架倒塌之后不會(huì)導(dǎo)致人員死亡，所以本次分析不將修井架倒塌的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)入IRPA中。

吊機(jī)倒塌的概率按照挪威1974-1985年海上油田操作吊機(jī)倒塌概率為4E-3次/年，根據(jù)吊機(jī)倒塌的方向，四臺(tái)吊機(jī)倒塌砸到上層甲板工作人員活動(dòng)區(qū)域的頻率為（180+150+270+150） 度/360 度×4E-3 次/年=8.22E-3 次/年。

根據(jù)平臺(tái)人員分類，為平臺(tái)海上的各類工作人員分別建立了EER模型，每一類人員分別進(jìn)行吊機(jī)墜落物分析。

4.6 整體風(fēng)險(xiǎn)

經(jīng)過累加計(jì)算得到機(jī)械工程師和操作工程師的個(gè)人年度風(fēng)險(xiǎn)為6.44E-04次/年，電儀工程師為4.49E-04次/年，外方安全經(jīng)理為1.89E-04次/年，其它人為5.9E-05次/年。

5 結(jié)論

通過前面分析可以看到，平臺(tái)上各工種人員的個(gè)人年度風(fēng)險(xiǎn)值均在10E-5/年與10E-3/年之間，處于石化企業(yè)普遍風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則的合理可接受范圍內(nèi)。其中，機(jī)械工程師和操作工程師的風(fēng)險(xiǎn)值最高，其次為電儀工程師，這主要是由于這幾類工作人員經(jīng)常出現(xiàn)在高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備區(qū)域。風(fēng)險(xiǎn)最低的是外方安全員、管理和后勤人員，他們大多數(shù)時(shí)間在風(fēng)險(xiǎn)較低的生活樓和中控室。本文整個(gè)分析流程遵循通用的QRA分析方法，在工藝泄漏的“風(fēng)險(xiǎn)后果評(píng)估”中引入了CFD方法。該方法可以體現(xiàn)出防火墻及其它設(shè)備設(shè)施對(duì)氣云擴(kuò)散的阻礙、熱輻射和超壓的衰減、孔隙對(duì)超壓的增強(qiáng)等效果，從而使監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置讀取到的數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況。缺點(diǎn)是分析周期較長，并且需要占用大量計(jì)算機(jī)資源。在單一工況分析中，CFD方法更為精確和貼合實(shí)際，但QRA分析需要模擬大量工況，這時(shí)工作量可能會(huì)非常大，有必要對(duì)工況進(jìn)行優(yōu)化選擇后，再進(jìn)行模擬計(jì)算。雖然這種方法計(jì)算周期長，并且需要占用大量計(jì)算機(jī)資源，但我們認(rèn)為隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷更新升級(jí)，以及用戶對(duì)分析精度越來越嚴(yán)苛的要求，使用CFD方法進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需求將會(huì)越來越多。