侯辰光，吳 磊，薛春芳，梁建斌，王偉銘

[1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司工程建設(shè)中心 天津 300459；2.海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院 天津 300452]

0 引 言

某海上油氣田有一個(gè)中心處理平臺(tái)，為8 腿導(dǎo)管架平臺(tái)，平臺(tái)有3 層甲板：上層甲板、中層甲板和下層甲板。上層甲板西側(cè)布置了三甘醇再生撬、三甘醇脫水塔、入口氣過(guò)濾器和分離器、濕氣壓縮機(jī)、甲醇罐和甲醇注入泵等設(shè)備；甲板中間區(qū)域布置了濕氣壓縮機(jī)入口冷卻器、濕氣壓縮機(jī)后冷卻器、入口冷卻器、入口洗滌器、排放洗滌器和生活水罐等設(shè)備；上層甲板最東側(cè)是容納80 人的生活樓；平臺(tái)設(shè)有火炬臂，布置在上層甲板西南側(cè)。中層甲板布置了一級(jí)分離器、二級(jí)分離器、閃蒸氣壓縮機(jī)、閃蒸氣壓縮機(jī)增壓泵、化學(xué)藥劑注入撬和化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)撬等設(shè)備。下層甲板布置了原油外輸泵、清管球發(fā)射/接收器、冷卻水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵過(guò)濾器、冷卻水交換器、開(kāi)排罐和閉排罐等設(shè)備。

生活樓是海上油氣田作業(yè)人員的主要生活居住場(chǎng)所，在生活樓一層舷外側(cè)布置了2 艘救生艇，作業(yè)人員在緊急情況下可乘坐救生艇撤離平臺(tái)；生活樓樓頂設(shè)置有直升機(jī)甲板，條件允許的情況下，可以乘坐直升機(jī)撤離。因此，生活樓的安全性是保證平臺(tái)作業(yè)人員生命安全的關(guān)鍵，生活樓的安全是平臺(tái)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，要求在平臺(tái)工藝設(shè)備及管線里的油氣泄漏遇到明火發(fā)生火災(zāi)爆炸時(shí)，應(yīng)保證生活樓的完整性。在項(xiàng)目可研階段，生活樓面向工藝設(shè)備一側(cè)設(shè)置了H60 防火墻。在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)火災(zāi)爆炸分析，計(jì)算出H60 防火墻面向工藝設(shè)備一側(cè)的爆炸超壓，以確定防火墻是否需要防爆及防爆壓力設(shè)計(jì)取值。

1 火災(zāi)爆炸分析方法

火災(zāi)爆炸分析用于識(shí)別和評(píng)估火災(zāi)熱輻射和爆炸超壓對(duì)評(píng)估區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)，可以確保設(shè)施設(shè)備在合理可行的情況下消除事故升級(jí)的可能性?；馂?zāi)爆炸分析主要包括定性分析和定量分析。定性分析是對(duì)火災(zāi)爆炸發(fā)生的原因、過(guò)程及后果等進(jìn)行分析；定量分析是計(jì)算火災(zāi)爆炸發(fā)生的頻率及后果，將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，判斷事故后果的可接受程度，并采取一些合理措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

火災(zāi)爆炸分析著重解決以下4 個(gè)問(wèn)題：①設(shè)備發(fā)生泄漏的頻率；②火災(zāi)爆炸發(fā)生的頻率；③火災(zāi)爆炸后果的嚴(yán)重性；④降低火災(zāi)爆炸后果的建議措施。

火災(zāi)爆炸發(fā)生的頻率與設(shè)備發(fā)生泄漏的頻率和泄漏后點(diǎn)火頻率有關(guān)，通過(guò)對(duì)火災(zāi)爆炸發(fā)生的頻率和后果進(jìn)行定量計(jì)算，并將計(jì)算出的結(jié)果與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)相比較，判斷出火災(zāi)爆炸的可接受性，從而提出降低風(fēng)險(xiǎn)的措施和建議。

2 爆炸危害及評(píng)定準(zhǔn)則

海上平臺(tái)甲板面積和層高有限，工藝設(shè)備、電氣房間、生活樓等布置比較緊湊。海上平臺(tái)的主要功能是處理從地層采出的原油和天然氣等易燃易爆物質(zhì)，平臺(tái)上安裝有大量的電氣設(shè)備，原油和天然氣如果發(fā)生泄漏，則其遇到點(diǎn)火源可能會(huì)發(fā)生爆炸。發(fā)生爆炸時(shí)，能量在向外釋放時(shí)以沖擊波、碎片和容器殘余變形能量這3 種形式表現(xiàn)出來(lái)，其中空氣沖擊波占絕大部分，是爆炸的主要危害因素。爆炸超壓對(duì)建筑物的危害作用主要參照《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（AQ/T 3046—2013）表H.3。

3 火災(zāi)爆炸定量分析

3.1 氣象條件

中心處理平臺(tái)所處海域最高氣溫為36.0 ℃，最低氣溫為-16.0 ℃，通過(guò)算術(shù)平均計(jì)算，可得平均氣溫為10.0 ℃，選取該特征氣溫作為火災(zāi)爆炸分析的輸入條件。該海域以S、SSW、SW、SSE 和SE 等偏南風(fēng)向及NE、NW、NNW 和ENE 等偏北風(fēng)向?yàn)橹?，平均風(fēng)速約為6.7 m/s，大氣穩(wěn)定度等級(jí)選為D 級(jí)（D 級(jí)表示氣象條件的穩(wěn)定性介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間）。

3.2 危險(xiǎn)源辨識(shí)

中心平臺(tái)工藝處理的介質(zhì)為天然氣和凝析油，也是主要危險(xiǎn)物質(zhì)。天然氣在空氣中濃度為5%～15%的范圍內(nèi)遇明火即可發(fā)生爆炸，這個(gè)濃度范圍即為天然氣的爆炸極限［1］。凝析油的閃點(diǎn)比較低，容易揮發(fā)，遇明火而發(fā)生爆燃，它比原油的危險(xiǎn)系數(shù)更高。

3.3 泄漏場(chǎng)景選擇

泄漏場(chǎng)景的分類主要參照《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（AQ/T 3046—2013），有代表性的泄漏孔徑見(jiàn)表1［2］。

表1 典型泄漏場(chǎng)景Tab.1 Typical leakage scenarios

3.4 泄漏關(guān)斷時(shí)間

泄漏關(guān)斷時(shí)間對(duì)泄漏單元的泄漏時(shí)間和泄漏量有著重要影響，它與泄漏位置、泄漏孔徑、探測(cè)器布置、安全系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和可靠性有關(guān)。本項(xiàng)目假設(shè)小孔泄漏、中孔泄漏、較大孔泄漏、大孔泄漏等不同泄漏場(chǎng)景的泄漏關(guān)斷時(shí)間為60 s［3］。

3.5 泄漏頻率計(jì)算

泄漏頻率計(jì)算主要依據(jù)國(guó)際石油與天然氣生產(chǎn)協(xié)會(huì)出版的工藝泄漏頻率報(bào)告，以對(duì)工藝儀表流程圖進(jìn)行部件統(tǒng)計(jì)的方式來(lái)計(jì)算。部件統(tǒng)計(jì)的基本原則是統(tǒng)計(jì)工藝系統(tǒng)中所有能夠接觸到危險(xiǎn)介質(zhì)并承載壓力的部件。部件統(tǒng)計(jì)涉及的主要設(shè)備類型包括鋼制工藝管道、法蘭、手動(dòng)閥門(mén)、驅(qū)動(dòng)閥門(mén)、儀表、泵、壓縮機(jī)、容器和換熱器。中心平臺(tái)上層甲板泄露頻率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 上層甲板泄露頻率計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of leakage frequency on upper deck

3.6 爆炸定量后果計(jì)算

3.6.1 分析中的一些假設(shè)

由于泄漏方向與風(fēng)向一致時(shí)影響距離最遠(yuǎn)，基于保守考慮，分析時(shí)假設(shè)泄漏方向與風(fēng)向一致，所以只考慮人員合規(guī)操作和按照規(guī)章制度良好保護(hù)下的風(fēng)險(xiǎn)。緊急關(guān)斷閥門(mén)能有效隔離管道和設(shè)施中可燃介質(zhì)流動(dòng)。爆炸采用TNO Multi-Energy模型。

3.6.2 爆炸后果模擬

爆炸后果模擬目的是模擬帶壓設(shè)備泄漏后發(fā)生爆炸所造成的超壓影響，本次爆炸模擬采用三維模擬，主要分析平臺(tái)上層甲板危險(xiǎn)介質(zhì)發(fā)生爆炸事故對(duì)生活樓H60 防火墻的影響程度。上層甲板的所有設(shè)備中，排放洗滌器壓力最大（達(dá)6.1 MPa）且溫度較高。一旦發(fā)生泄漏，在較高壓力的作用下，其發(fā)生火災(zāi)爆炸的可能性較大。在選擇排放洗滌器氣相出口管線泄漏場(chǎng)景進(jìn)行爆炸三維模擬，考慮其爆炸事故后果對(duì)生活樓防火墻的影響。由于氣體泄漏擴(kuò)散是火災(zāi)爆炸的前提條件，在模擬爆炸后果時(shí)，須先確定泄漏場(chǎng)景，并將其作為爆炸的輸入條件。

采用軟件計(jì)算上層平臺(tái)的可燃?xì)怏w擴(kuò)散情況，經(jīng)計(jì)算，上層平臺(tái)泄漏擴(kuò)散后在擁塞區(qū)域氣云量為282.62 m3，上層甲板可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散三維模擬圖見(jiàn)圖1。

圖1 上層甲板可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散三維模擬圖Fig.1 3D simulation diagram of combustible gas leakage and diffusion on upper deck

上層甲板排放洗滌器出口管線大量可燃?xì)怏w泄漏遇引火源達(dá)到爆炸條件，為觀測(cè)爆炸場(chǎng)景的影響，在生活樓防火墻上按3 m×3 m 的尺寸均布132 個(gè)觀測(cè)板。爆炸場(chǎng)景模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 上層甲板爆炸場(chǎng)景三維模擬圖Fig.2 3D simulation diagram of upper deck explosion scene

從上述爆炸分析中可以看出，當(dāng)泄漏孔徑為25 mm時(shí)，上層甲板爆炸沖擊波對(duì)生活樓防火墻最大影響為0.32 kPa，介于0.28～0.69 kPa之間，參照《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（AQ/T 3046—2013）表H.3 可以看出，爆炸超壓作用于防火墻上的壓力較小，對(duì)生活樓的H60 防火墻危害較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

該項(xiàng)目處于初步設(shè)計(jì)階段，無(wú)法確定平臺(tái)的管道布置高度、走向和雜物布置，所以三維建模時(shí)并未考慮管道及雜物對(duì)泄漏可燃?xì)怏w進(jìn)一步阻塞的情況。平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備間由于管道及附件的布置，阻塞區(qū)域進(jìn)一步增加，可能會(huì)導(dǎo)致爆炸后果加劇。因此，在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)再做一次火災(zāi)爆炸分析，以確保中心平臺(tái)生活樓的安全。同時(shí)，在平臺(tái)投產(chǎn)后，重點(diǎn)對(duì)氣液接收和分離系統(tǒng)、閃蒸氣壓縮和凝析氣回收系統(tǒng)制定完善的維修維護(hù)計(jì)劃，定期對(duì)法蘭、閥門(mén)和管道等容易泄漏的位置進(jìn)行檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的小孔泄漏，防患于未然。■