林川,李林虎,謝修龍

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000)

液化石油氣(LPG)是一種無色透明的氣體混合物,其主要成分是丙烷(C3)和丁烷(C4),其體積占比超過95%,還通常含有丙烯、丁烯。LPG具有閃點低(一般低于-60 ℃)、燃點低(470～510 ℃)、爆炸下限低(爆炸極限2%～10%)、燃燒速度快(火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤蛇_(dá) 2 000 m/s)等特點,泄露后遇火源瞬間發(fā)生燃燒爆炸。

液態(tài)LPG泄漏后極易氣化(1 m3液態(tài)可迅速氣化成250～300 m3氣態(tài)),與空氣混合后進(jìn)而可形成2 500 m3以上的爆炸性混合氣體。氣態(tài)LPG比空氣的密度大,在低洼處聚集極其容易達(dá)到爆炸極限。近些年來,我國發(fā)生過因LPG 泄漏并燃燒爆炸引發(fā)的惡性事故,造成了較為嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失,因此,LPG的安全管理需要引起足夠的重視。

南海某深水油田群的伴生氣氣量大,同時富含丙烷、丁烷。該油田群通過燃料氣處理系統(tǒng),將液烴處理后,生產(chǎn)為合格的LPG,儲存到一定量后通過提氣輪銷售外輸。LPG的生產(chǎn)儲銷帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,也最大可能減少了海上油田碳排放,但同時也存在較大的安全風(fēng)險。主要通過故障樹分析法,結(jié)合該海上油田群FPSO生產(chǎn)儲存LPG的具體工藝工況,將LPG儲罐發(fā)生火災(zāi)爆炸作為頂上事件,利用定性評價方式,計算出最小割集和結(jié)構(gòu)重要度,從而確定導(dǎo)致LPG儲罐火災(zāi)爆炸的主要基本事件,提出針對性更強的安全技術(shù)措施和安全管理措施,進(jìn)一步提高海上油田L(fēng)PG儲罐區(qū)的安全管理水平[1-5]。

1 研究背景

1.1 南海某深水油田群簡介

南海某深水油田群采用全水下開發(fā)生產(chǎn)模式,由3個水下油田與1艘FPSO組成,生產(chǎn)的井液通過海底管道輸送至FPSO集中處理。其中原油經(jīng)上部模塊的工藝系統(tǒng)處理合格后儲存入原油艙,通過提油輪外輸;脫出的生產(chǎn)水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)合格后直接外排;油田伴生氣通過燃料氣系統(tǒng)生產(chǎn)為LPG,剩余的伴生氣經(jīng)過火炬分液罐后至火炬燃燒處理。

1.2 LPG工藝系統(tǒng)介紹

該深水油田群海上設(shè)施的LPG生產(chǎn)儲存系統(tǒng)主要包括LPG儲罐、脫乙烷塔、脫丁烷塔、LPG外輸泵等關(guān)鍵設(shè)備,每天能夠處理的LPG最大量為640m3,儲罐區(qū)域設(shè)計最大儲量為1 800 m3左右,是南海海域唯一一套LPG生產(chǎn)、儲存、外輸系統(tǒng)。

該生產(chǎn)系統(tǒng)的主要原料為油田群伴生氣,主要將C3、C4從中分離出來,生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品C1、C2還可供設(shè)施鍋爐、發(fā)電機(jī)使用,C5以上的其他組分直接下到原油艙與油田群原油混合后外輸,提純后的液態(tài)C3、C4直接儲存在儲罐中,儲存達(dá)到一定量后,通過提氣輪進(jìn)行外輸銷售。關(guān)于LPG系統(tǒng)的工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 LPG系統(tǒng)工藝流程

1.3 LPG存儲系統(tǒng)介紹

LPG主要存儲于4個臥式儲罐中(每個罐體積700 m3),應(yīng)急情況下其中一個罐可以作為事故罐,如果在該區(qū)域發(fā)生了緊急情況,可以把有故障的罐倒空、隔離、泄壓保證其安全,將倒出的LPG臨時存放在事故罐中。根據(jù)LPG理化特征和日常實際儲量,其一旦發(fā)生泄露形成爆炸性混合物,同時遇到火源進(jìn)一步發(fā)生火災(zāi)、爆炸,后果將不堪設(shè)想。為此,在LPG儲罐區(qū)域4個儲罐上共設(shè)置有8套干粉滅火系統(tǒng)、4門消防水炮和8套水噴淋,并配備儀表探測系統(tǒng),依據(jù)罐體上泄漏點的不同,使用對應(yīng)的消防邏輯控制消防設(shè)備啟動。

本海上油田群FPSO配置的LPG儲罐均為常壓操作,設(shè)置有工藝流程關(guān)斷邏輯,同時配有安全閥、爆破片等泄壓安全附件,發(fā)生超壓物理性爆炸的可能性極低,故而本文僅分析LPG泄露后遇火源發(fā)生火災(zāi)爆炸的事故場景。

2 建立海上油田L(fēng)PG儲罐火災(zāi)爆炸故障樹

2.1 故障樹分析法介紹

在現(xiàn)代安全系統(tǒng)工程學(xué)中,故障樹分析法(FTA)的應(yīng)用十分廣泛,該分析法是通過設(shè)定一個不希望發(fā)生的后果(通常為一種事故類型),再從上到下地演繹出導(dǎo)致該后果的各種原因,通過邏輯門將表示后果和原因的各類事件連接起來,判斷出系統(tǒng)中導(dǎo)致該類后果的不利因素的基本事件集合。通過逐層分析,把故障原因和模式繪制成樹型圖。

一個故障樹圖從上到下包含了頂上事件、中間事件、基本事件三種類型。頂上事件位于整個故障樹的頂端,即要研究的事故類型;中間事件位于頂上事件下端和基本事件上端,通過邏輯門表達(dá)上下之間的關(guān)系;基本事件位于故障樹底端,通常為具體的故障點。

故障樹分析法是安全評價分析的有效手段,存在易于掌握、直觀明了、運用靈活等特點。繪制好故障樹后,引起頂上事件發(fā)生的所有故障模式都可以找到,進(jìn)而求出最小割集和最小徑集,分析基本事件的結(jié)構(gòu)重要性,判斷出引起LPG儲罐火災(zāi)爆炸的主要因素,并以此為依據(jù)制定相應(yīng)的安全控制措施。

2.2 LPG儲罐火災(zāi)爆炸故障樹構(gòu)建

構(gòu)建故障樹是全面分析LPG儲罐火災(zāi)爆炸原因的第一步,構(gòu)建過程中還要充分考量海上油田生產(chǎn)設(shè)施的實際特點和要素。構(gòu)建完成的故障樹及符號說明見圖2和表1。

表1 事件符號說明表

圖2 LPG儲罐火災(zāi)爆炸故障樹

3 LPG罐區(qū)火災(zāi)爆炸故障樹分析

3.1 求最小割集

故障樹中導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本事件集合為割集。導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最低限度的割集稱之為最小割集,當(dāng)最小割集中所有基本事件同時發(fā)生,頂上事件才會發(fā)生;最小割集中任何一個基本事件不發(fā)生頂上事件都不會發(fā)生,每個最小割集都代表著一種故障模式。本故障樹的最小割集,用布爾代數(shù)的形式求得結(jié)果如下:

T=X5X1+X7X1+X9X1+X5X2+X5X3+X5X4+X8X1+X7X2+X7X3+X7X4+X10X1+X9X2+X9X3+X9X4+X6X2+X6X3+X6X4+X8X2+X8X3+X8X4+X10X2+X10X3+X10X4+X6X1+X14X1X11+X12X1X13+X14X2X11+X14X3X11+X14X4X11+X12X2X13+X12X3X13+X12X4X13+X15X2X11+X15X3X11+X15X4X11+X15X1X11

本故障樹最小割集為36個,其中二階最小割集24個,三階最小割集12個。最小割集的階數(shù)越小,事故發(fā)生的可能性越大,故而這24個最小割集為系統(tǒng)的薄弱點。

3.2 基本事件的結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度分析的對象為基本事件,可以對基本事件按結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)進(jìn)行排序,其順序就是對系統(tǒng)可靠性影響大小的順序?；臼录慕Y(jié)構(gòu)重要度系數(shù)可用下式進(jìn)行計算:

式中:Kj-第j個最小割集;Nj(j∈Kj)-底事件i位于Kj的底事件數(shù);xi∈Kj-第i個底事件屬于第j個最小割集;IΦ(i)-第i個底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。

按照上述公式,計算得出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)如下所示:

IΦ(1)=IΦ(2)=IΦ(3)=IΦ(4)=0.111;IΦ(11)=0.074;IΦ(13)=IΦ(14)=IΦ(12)=IΦ(15)=0.037;

IΦ(5)=IΦ(7)=IΦ(9)=IΦ(8)=IΦ(10)=IΦ(6)=0.056;故可得出基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序為:X1=X2=X3=X4>X11>X7=X5=X9=X8=X10=X6>X13=X14=X12=X15。

因此,能夠判斷出導(dǎo)致海上油田L(fēng)PG儲罐火災(zāi)、爆炸的最關(guān)鍵因素為:LPG泄露、靜電聚集、明火及火花。

4 LPG罐區(qū)安全措施建議

根據(jù)故障樹分析結(jié)論,為了預(yù)防海上油田FPSO上部模塊LPG儲罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故,首要重點是在于防止LPG泄露,其次要控制好著火源,特別是靜電、熱工明火等方面。結(jié)合該油田對于LPG罐區(qū)安全管理的實踐經(jīng)驗,本文從安全管理措施和安全技術(shù)措施兩個方面提出了建議。

4.1 安全管理措施

重點從檢驗檢測、作業(yè)管理、人員管理等方面提出安全管理措施如下:

(1)實施“常態(tài)普檢、動態(tài)巡檢、狀態(tài)抽檢”的儲罐檢驗檢測計劃,重點關(guān)注對 LPG儲罐區(qū)域涉及到的焊縫、閥門、法蘭、管線開展全覆蓋檢測,同時跟蹤罐內(nèi)防腐涂層狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備設(shè)施、工藝流程中的薄弱環(huán)節(jié),制定加強舉措,確保設(shè)備設(shè)施完整性和工藝過程安全性,避免罐體因腐蝕導(dǎo)致開裂或穿孔;

(2)充分運用海上油田FPSO構(gòu)建“雙重預(yù)防機(jī)制”的成果文件實施風(fēng)險分級管控,將LPG罐區(qū)作為紅區(qū)管理,建立健全嚴(yán)格的熱工作業(yè)分級審批制度,LPG儲罐運行期間,嚴(yán)禁明火熱工作業(yè),非明火作業(yè)需提級審批并做好現(xiàn)場防火措施;

(3)生產(chǎn)工藝操作人員必須由技能熟練、熟悉操作規(guī)程、具備應(yīng)急處置能力的人員擔(dān)任;該區(qū)域作業(yè)人員還應(yīng)詳細(xì)了解作業(yè)風(fēng)險及控制措施,并嚴(yán)格現(xiàn)場作業(yè)的工機(jī)具使用管理,比如在該區(qū)域開展作業(yè)時必須使用銅制工具,避免作業(yè)過程產(chǎn)生火花,所以需要配置全套銅制工具;

(4)制定《LPG儲存區(qū)域火災(zāi)應(yīng)急處置方案》《LPG儲罐罐頂部靠近罐體處法蘭發(fā)生氣相泄漏應(yīng)急處置方案》《LPG儲罐罐底部靠近罐體處法蘭發(fā)生液相泄漏應(yīng)急處置方案》等現(xiàn)場處置方案并在定期開展演練;

(5)罐區(qū)內(nèi)設(shè)置好各類安全警示標(biāo)志和紅區(qū)域危險告知牌,并配備足夠的便攜式消防器材、防泄漏應(yīng)急物資、應(yīng)急處置勞保用品(如防凍傷手套)。

4.2 安全技術(shù)措施

重點從監(jiān)測系統(tǒng)、消防設(shè)施、安全附件等方面提出安全技術(shù)措施如下:

(1)LPG罐區(qū)安裝智能化光纖檢測系統(tǒng)、氣體泄漏檢測裝置、紅外攝像頭等技術(shù)裝備,提高可燃?xì)怏w泄漏檢測的靈敏度和精確度,在進(jìn)入罐區(qū)的各個入口處加裝足夠的靜電釋放裝置,做好現(xiàn)場泄漏預(yù)警與火花防控;

(2)嚴(yán)格控制LPG儲存系數(shù)在0.9以下,每個儲罐灌頂垂直安裝2個安全閥及爆破片,確保超壓起跳正常,每年做好安全閥校驗?zāi)隀z工作;該區(qū)域所有電氣設(shè)備需符合防爆等級,滿足GB50058的規(guī)定要求;

(3)LPG儲罐配置DCSESD系統(tǒng)用于緊急切斷,同時,儲罐還應(yīng)設(shè)置用于監(jiān)控液位、流量、壓力的儀器儀表,并實現(xiàn)信號的實時傳輸、顯示,以便操作值班人員監(jiān)控,當(dāng)發(fā)生緊急情況時,可以第一時間采取措施,防止事態(tài)擴(kuò)大;

(4)LPG儲罐頂部設(shè)置注氮氣設(shè)施,罐底部設(shè)置注水設(shè)施,防止LPG大面積泄露和擴(kuò)散聚集,并設(shè)置圍堰;所有儲罐需配置了上、下噴淋水消防設(shè)施、干粉滅火設(shè)施,用于LPG泄露后的稀釋、冷卻和著火后及時撲滅;鑒于海上油田FPSO結(jié)構(gòu)緊湊,相鄰防火分區(qū)需使用消防水炮進(jìn)行分隔。

5 結(jié)論與展望

(1)故障樹具有簡明扼要、直觀易懂等特點,能夠有效找出導(dǎo)致事故發(fā)生的基本事件,明確系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)和管理重點,適用于海上油田L(fēng)PG罐區(qū)火災(zāi)爆炸分析并能夠為LPG罐區(qū)的安全管理措施提供方向和依據(jù)。

(2)結(jié)合海上油田設(shè)施實際情況,繪制LPG儲罐火災(zāi)爆炸故障樹,該故障樹包含有15個基本事件,求得二階最小割集24個和三階最小割集12個,計算出結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)并由大到小進(jìn)行排序,定性地判斷出LPG儲罐安全管理要點。

(3)重點從防止LPG泄露和控制罐區(qū)著火源出發(fā),結(jié)合海上油田實際特點,提出針對性強的安全管理措施5大項和安全技術(shù)措施4大項。對于預(yù)防海上油田L(fēng)PG罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生,減少事故損失提供了一定的指導(dǎo)意義。