海上平臺(tái)立管水下關(guān)斷閥恢復(fù)判定分析

(中國(guó)船級(jí)社海洋工程技術(shù)中心，天津 300457)

平臺(tái)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(tái)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(huì)影響。平臺(tái)立管水下關(guān)斷閥(subsea shutdown valve,SSDV)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)平臺(tái)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(tái)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(shí)，是否對(duì)SSDV進(jìn)行恢復(fù)是目前工程所面臨的主要問(wèn)題。為此，從風(fēng)險(xiǎn)角度對(duì)上述SSDV恢復(fù)判定問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 分析方法和相關(guān)要求法規(guī)對(duì)比

SSDV的恢復(fù)判定問(wèn)題，其本質(zhì)是SSDV分別在工作和故障狀態(tài)下的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。當(dāng)SSDV故障狀態(tài)下對(duì)平臺(tái)安全生產(chǎn)形成的風(fēng)險(xiǎn)業(yè)主無(wú)法接受，那么此SSDV必須恢復(fù)。

采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析(QRA)形成SSDV風(fēng)險(xiǎn)分析方法流程，見(jiàn)圖1。

圖1 SSDV風(fēng)險(xiǎn)分析方法流程

首先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)分析，查找英國(guó)HSE委員會(huì)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)PARLOC[1]中相關(guān)數(shù)據(jù)，分析與計(jì)算立管系統(tǒng)失效概率，基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的FLACS[2-3]對(duì)平臺(tái)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(jì)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(jì)算火災(zāi)爆炸導(dǎo)致平臺(tái)坍塌的定量失效概率。根據(jù)平臺(tái)管理和人員布置情況，計(jì)算火災(zāi)爆炸平臺(tái)定量潛在人命損失后果。結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，判定SSDV風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，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(jiàn)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(kù)為PARLOC2003是目前國(guó)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(kù)。PARLOC數(shù)據(jù)庫(kù)為英國(guó)HSE委員會(huì)多年對(duì)北海作業(yè)區(qū)管道發(fā)生泄露事故統(tǒng)計(jì)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(cè)分析。

海洋平臺(tái)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(jiàn)表2。

表1 法規(guī)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(jiàn)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(shí)，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(kāi)始后迅速點(diǎn)火; ②延遲點(diǎn)燃，由于氣體云在平臺(tái)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(huì)讓人員在火災(zāi)發(fā)生之前逃生。

用于平臺(tái)上部事件的點(diǎn)火概率參考文獻(xiàn)[5]，見(jiàn)表5。

表5 通用點(diǎn)燃概率

對(duì)PARLOC 2003數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)算

1)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)(IRPA)。人員風(fēng)險(xiǎn)用每年個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)(IRPA)表示。

IRPA=λ×β×P

(1)

式中：λ為平臺(tái)坍塌致死率，假設(shè)平臺(tái)坍塌導(dǎo)致的致死率為80%；β為平臺(tái)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(tái)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(xiǎn)的頻率。

(2)

式中：POB為平臺(tái)上人員配備數(shù)量。

人命風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則用于定量風(fēng)險(xiǎn)分析中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定，此準(zhǔn)則一般由業(yè)主制定或者風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)可接受準(zhǔn)則見(jiàn)表6。

4 工程實(shí)例

南海2個(gè)深水天然氣生產(chǎn)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)1號(hào)平臺(tái)和2號(hào)平臺(tái))位于惠州海域， 2號(hào)平臺(tái)通過(guò)6 in海底天然氣管把平臺(tái)天然氣輸送到1號(hào)平臺(tái)上。海底天然氣管道在其中1號(hào)平臺(tái)上進(jìn)入生產(chǎn)模塊前已裝有一個(gè)關(guān)斷閥(現(xiàn)正常)，另外1號(hào)平臺(tái)立管水面下13 m處還裝有一個(gè)SSDV。其中后者SSDV屬于液壓驅(qū)動(dòng)，平時(shí)保持常開(kāi)狀態(tài)，在緊急情況或臺(tái)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(wú)法關(guān)閉，一直保持常開(kāi)狀態(tài)。針對(duì)該SSDV進(jìn)行恢復(fù)判定分析。

表6 潛在人命損失(PLL)風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則

注：yr代表數(shù)值為每年的概率值。

1號(hào)海洋平臺(tái)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(dòng)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(tái)所處區(qū)域?yàn)槟虾＝葜莺Ｓ颍芪髂霞撅L(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(duì)1號(hào)平臺(tái)SSDV要求

2號(hào)平臺(tái)與1號(hào)平臺(tái)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(hào)平臺(tái)；1號(hào)平臺(tái)海管出口端共設(shè)置了2個(gè)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(hào)平臺(tái)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(duì)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(tái)安全規(guī)則》、中國(guó)船級(jí)社《海上油氣處理系統(tǒng)規(guī)范》、API 14C及《海上生產(chǎn)平臺(tái)上部設(shè)施安全系統(tǒng)的基本分析、設(shè)計(jì)、安裝和測(cè)試的推薦作法》均提出需設(shè)置關(guān)斷閥，但對(duì)于關(guān)斷閥數(shù)量和具體位置并未明確要求。

2號(hào)平臺(tái)海管入口端和1號(hào)平臺(tái)海管出口端均設(shè)置了關(guān)斷閥，且已滿(mǎn)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(huì)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(huì)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸；水下泄漏可能引起平臺(tái)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(huì)導(dǎo)致火災(zāi)。

根據(jù)1號(hào)平臺(tái)的布置圖進(jìn)行FLACS仿真分析建模，模型見(jiàn)圖2。

圖2 1號(hào)平臺(tái)FLACS模型

平臺(tái)環(huán)境：根據(jù)1號(hào)平臺(tái)所在地區(qū)環(huán)境條件，平均風(fēng)速5～7 m/s，D等級(jí)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(píng)估立管發(fā)生天然氣泄漏時(shí)帶來(lái)的危險(xiǎn)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^(guò)程動(dòng)態(tài)分析

1號(hào)平臺(tái)兩關(guān)斷閥間20 m立管的天然氣量相對(duì)于2平臺(tái)間海管天然氣量可忽略，且不會(huì)對(duì)平臺(tái)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(guò)程動(dòng)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(jiàn)圖3。

圖3 立管頂部泄漏口燃爆過(guò)程動(dòng)態(tài)分布

由燃爆過(guò)程動(dòng)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?duì)比分析

不同泄漏孔徑條件下燃爆超壓對(duì)比見(jiàn)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(duì)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(shí)處理，會(huì)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(duì)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(jiàn)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(xiǎn)見(jiàn)表8，其中火災(zāi)或爆炸引起的導(dǎo)管架坍塌風(fēng)險(xiǎn)和人員風(fēng)險(xiǎn)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(tái)坍塌的風(fēng)險(xiǎn)概率yr ×10-6

4.5 SSDV失效后果

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

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

5 結(jié)論

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

2)立管泄露引起的火災(zāi)爆炸會(huì)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(tái)上工作人員，建議在井口區(qū)域盡量少設(shè)置含危險(xiǎn)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(xiǎn)介質(zhì)泄露探測(cè)報(bào)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(tái)立管泄露FLACS池火、噴射火和可燃介質(zhì)云擴(kuò)散分析。