王偉斌

（中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測中心，山東東營，257000）

1 引言

海洋平臺在海洋油氣開發(fā)中占據(jù)重要地位，但由于海洋平臺上油氣共存，且作業(yè)環(huán)境不良、設(shè)備設(shè)施密集、生產(chǎn)空間受限，易發(fā)生油氣泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)、氣體爆炸等事故[1]。淺海中心平臺是集輸油、輸氣、污水處理及回注、發(fā)供電、自動化監(jiān)控等多種功能于一體的綜合性海洋平臺，一旦發(fā)生海洋平臺火災(zāi)爆炸事故，事故控制與救援極為困難，不僅會造成人員傷亡和設(shè)備損壞，而且對生態(tài)環(huán)境也會帶來巨大的損害[2]。

鑒于此，本研究以某淺海中心平臺為研究對象，通過危險有害因素辨識確定油氣泄漏火災(zāi)爆炸事故場景，基于CFD方法進(jìn)行事故情景模擬，并綜合事故后果和事故概率，完成中心平臺火災(zāi)爆炸風(fēng)險的量化計算。研究表明該方法能夠準(zhǔn)確完成中心平臺定量風(fēng)險評估工作，具有重要的應(yīng)用價值。

2 平臺概況

2.1 中心平臺

該中心平臺所處海域平均水深12米，由舊生產(chǎn)平臺、新生產(chǎn)平臺、生活平臺、動力平臺、儲罐平臺和消防平臺組成。生產(chǎn)平臺主要功能是原油和天然氣處理、污水處理及回注等，通過棧橋與儲罐平臺、生活平臺連接，有三相分離器、天然氣加熱器、污水罐、注水罐、水力旋流器、雙親可逆纖維球過濾器、污水提升泵、注水泵、原油和污水處理加藥裝置、閉式排放罐、吊機(jī)及消防設(shè)施。

2.2 自然環(huán)境

埕島海區(qū)大氣環(huán)流受西北帶和貝加爾湖低壓系統(tǒng)影響，又受海洋的調(diào)節(jié)，南風(fēng)出現(xiàn)頻率最高，東北偏北風(fēng)次之，北風(fēng)出現(xiàn)頻率最低。全年6級以上的大風(fēng)主要為北和東北風(fēng)，年均頻率分別為9.1%、13.9%；8級以上大風(fēng)發(fā)生頻率較低，以北風(fēng)頻率最高，東北次之，8級以上在大風(fēng)多數(shù)發(fā)生在春季和冬季。風(fēng)向玫瑰如圖1所示。

圖1 風(fēng)向玫瑰圖

根據(jù)《風(fēng)力等級》（GB/T 28591-2012）選取8級風(fēng)中間值19m/s、6級風(fēng)中間值12.5m/s和低風(fēng)速1.5m/s（在該風(fēng)速下泄漏油氣不易擴(kuò)散事故后果高，普遍以此風(fēng)速用于后果的保守分析）作為代表風(fēng)速。

3 油氣火災(zāi)爆炸定量風(fēng)險評估方法

3.1 情景模擬

火災(zāi)爆炸事故后果的主要表現(xiàn)形式為火災(zāi)熱輻射和爆炸超壓，根據(jù)熱輻射和超壓傷害準(zhǔn)則，以定量確定人員傷亡、設(shè)備損傷等后果情況[3]?；馂?zāi)主要危害來自于火焰熱輻射，熱輻射對設(shè)備與人體的傷害關(guān)系依據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》（AQ/T 3046-2013）《附錄H影響閾值》確定；爆炸導(dǎo)致人員傷害與設(shè)備設(shè)施破壞的最重要原因為爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓，沖擊波超壓過大時會對人體的耳、肺以及胸腔等造成傷害；沖擊波作用到設(shè)備上時可以造成設(shè)備損壞。超壓沖擊波對人體與設(shè)備設(shè)施的傷害關(guān)系依據(jù)《Lee’s 過程工業(yè)中的損失預(yù)防》確定。

為完成火災(zāi)爆炸事故后果的分析，采用專業(yè)的油氣泄漏、火災(zāi)、爆炸后果模擬軟件FLACS開展情景模擬，以待分析平臺的設(shè)施設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和尺寸數(shù)據(jù)為依據(jù)建立模擬場景的三維幾何模型，建模過程主要考慮設(shè)施設(shè)備的外部空間形態(tài)，忽略設(shè)施設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，平臺模型見圖2所示。

圖2 中心平臺三維數(shù)值模型

針對每個事故場景，結(jié)合設(shè)備泄漏孔徑，風(fēng)速和大氣穩(wěn)定度構(gòu)成的環(huán)境條件，以及風(fēng)向作用開展火災(zāi)、爆炸事故場景的分析計算，需開展的事故場景工況見表1。

表1 模擬工況

3.2 風(fēng)險計算

基于獲得的油氣火災(zāi)爆炸事故頻率和事故后果，即可通過風(fēng)險計算確定量化風(fēng)險值，并通過與風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)的比對確定風(fēng)險等級和風(fēng)險值[4]。

1）中國石化安全風(fēng)險矩陣

在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動中，相關(guān)安全風(fēng)險應(yīng)統(tǒng)一采用中國石化安全風(fēng)險矩陣評估初始風(fēng)險等級和剩余風(fēng)險等級，決定是否需要采取措施降低風(fēng)險。

2）個人風(fēng)險

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》（AQ/T 3046-2013），確定個人風(fēng)險值[5]。對于個人風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，參考英國健康安全局的個人風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)個人可接受風(fēng)險和個人可忽略風(fēng)險，將風(fēng)險等級劃分為不可接受、可容忍、可接受3級，見表2。

表2 風(fēng)險等級劃分

3）社會風(fēng)險

根據(jù)《化工企業(yè)定量風(fēng)險評價導(dǎo)則》（AQ/T 3046-2013），確定社會風(fēng)險值。

對社會可接受風(fēng)險，依據(jù)陸上《危險化學(xué)品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》（國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令（第40號）、《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)和社會可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（國家安全監(jiān)管總局公告2014年第13號）確定的社會可接受（可容許）風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)[6]。

4 平臺火災(zāi)爆炸定量風(fēng)險評估

4.1 情景模擬后果

依據(jù)事故情景模擬結(jié)果，取部分事故后果分析展示，見圖3。

圖3 天然氣壓縮機(jī)房爆炸超壓分布

根據(jù)模擬結(jié)果可知，高效三相分離器高溫、高輻射區(qū)主要集中在噴射點周圍，最高溫度達(dá)1500K以上，最大輻射量超過37.5kW/m2。高溫區(qū)域在高效三相分離器和天然氣洗滌器之間，覆蓋整個間距空間，輻射量普遍超過12.5kW/m2，并隨風(fēng)向向甲板內(nèi)方向移動。而天然氣壓縮機(jī)房屬于受限空間，由于天然氣壓縮機(jī)房四面擁有較多窗體，內(nèi)部擁有常開門，具有較強(qiáng)的泄壓能力，且其天然氣濃度水平不高，因此其小空間內(nèi)爆炸超壓約4.8kPa，大范圍內(nèi)爆炸超壓在2.5kPa以下。

對比傷害評價標(biāo)準(zhǔn)，在高效三相分離器噴射火產(chǎn)生高溫、高輻射區(qū)，人員受輻射影響燒傷甚至死亡，高效三相分離器和天然氣洗滌器等設(shè)備受輻射影響發(fā)生設(shè)備損壞，污水排放罐南表面受輻射區(qū)域廣，但輻射量均小于12.5 kW/m2，不會造成設(shè)備損壞。天然氣壓縮機(jī)房爆炸超壓對設(shè)備無影響，對人員可造成輕微損傷。

4.2 風(fēng)險評估結(jié)果

1）中國石化安全風(fēng)險矩陣評估結(jié)果

在對整個平臺進(jìn)行整體風(fēng)險等級和風(fēng)險值的計算時，涉及多個設(shè)備，此時需要考慮多個風(fēng)險累積作用，其整體風(fēng)險可以用頻率累積方法計算風(fēng)險等級和風(fēng)險值。將各個子平臺中具有相同嚴(yán)重性等級的累積發(fā)生頻率相加，獲得該中心平臺不同事故嚴(yán)重性等級下的事故發(fā)生可能性，進(jìn)而確定總平臺事故發(fā)生可能性等級以及累積風(fēng)險等級，見表3。

表3 中心平臺累積風(fēng)險等級

以表3累積風(fēng)險等級中的最大值，作為該中心平臺的初始風(fēng)險等級，其為G4，對應(yīng)的風(fēng)險指數(shù)值為43。

2）個人風(fēng)險評估結(jié)果

（1）舊生產(chǎn)平臺

舊生產(chǎn)平臺個人風(fēng)險分布如圖4所示，整個平臺大部分區(qū)域個人風(fēng)險大于1×10-4（年均）小于1×10-3（年均）屬于可容忍范圍內(nèi)，但關(guān)鍵設(shè)備區(qū)域風(fēng)險大于1×10-3（年均），風(fēng)險不可接受。圖4箭頭所示位置和方向上，頂層甲板個人風(fēng)險變化如圖5所示，在三相分離器和天然氣洗滌器之間區(qū)域及周邊風(fēng)險水平最高，最高可達(dá)到1.1×10-3（年均），其它區(qū)域風(fēng)險可容忍。

圖4 頂層甲板個人風(fēng)險分布

圖5 頂層甲板個人風(fēng)險變化

（2）動力平臺

動力平臺上層甲板個人風(fēng)險分布如圖6所示，絕大部分區(qū)域個人風(fēng)險值小于1×10-4（年均）大于1×10-5，在天然氣發(fā)電機(jī)所在區(qū)域個人風(fēng)險大于個人可忽略風(fēng)險1×10-4（年均），但小于1×10-3（年均），工作甲板風(fēng)險可容忍。圖6箭頭所示位置和方向上，工作甲板個人風(fēng)險變化如圖7所示，在天然氣發(fā)電機(jī)所在區(qū)域及周邊風(fēng)險水平較高，最高可達(dá)到2×10-4（年均）。

圖6 動力平臺上層個人風(fēng)險分布

圖7 動力平臺上層個人風(fēng)險變化

（3）儲罐平臺

儲罐平臺個人風(fēng)險分布如圖8所示，整個平臺所在區(qū)域個人風(fēng)險大于個人可忽略風(fēng)險1×10-4（年均），但小于1×10-3（年均）。故儲罐平臺整體區(qū)域風(fēng)險可容忍。圖8箭頭所示位置和方向上，工作甲板個人風(fēng)險變化如圖9所示，在生產(chǎn)分離器和儲油罐所在區(qū)域及周邊風(fēng)險水平較高，最高可達(dá)到6.67×10-4（年均）。

圖8 儲罐平臺個人風(fēng)險變化

圖9 儲罐平臺個人風(fēng)險變化

3）社會風(fēng)險評估結(jié)果

結(jié)合各個甲板的人口分布，考慮人員分布情況，計算了平臺各個甲板區(qū)域的社會風(fēng)險情況。根據(jù)計算情況，舊生產(chǎn)平臺的社會風(fēng)險位于陸上《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)和社會可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)（試行）》確定的不可接受區(qū)，其它平臺如儲罐平臺、動力平臺等的社會風(fēng)險均位于盡可能降低區(qū)和可接受區(qū)。

圖10 舊生產(chǎn)平臺社會風(fēng)險曲線

圖11 動力平臺上層甲板社會風(fēng)險曲線

個人和社會初始風(fēng)險等級見表4。

表4 中心平臺個人和社會初始風(fēng)險等級

5 結(jié)論

文章對淺海中心平臺開展基于情景模擬的火災(zāi)爆炸定量風(fēng)險評估，基于CFD情景模擬量化分析不同事故情景下平臺設(shè)施影響和人員傷害情況，并結(jié)合火災(zāi)爆炸事故概率，完成平臺火災(zāi)爆炸風(fēng)險的量化計算，準(zhǔn)確評估平臺火災(zāi)爆炸風(fēng)險等級。

該中心平臺未改造前的油氣泄漏火災(zāi)爆炸事故發(fā)生可能性等級為4，事故嚴(yán)重性等級為G，初始風(fēng)險等級為G4，風(fēng)險指數(shù)值為43，屬于重大風(fēng)險，平臺個人和社會風(fēng)險不可接受。

研究表明該方法能夠準(zhǔn)確完成海洋平臺定量風(fēng)險評估工作，具有重要的應(yīng)用價值，為平臺定量風(fēng)險評估提供重要支撐，為海洋平臺火災(zāi)爆炸防護(hù)提供重要參考。