FPSO管路氣體壓力試驗爆炸分析及安全規避措施應用

劉夕全，李亞東，王 印

(1.山東海洋藍鯤運營有限公司，山東 濟南 250001；2.山東海洋工程裝備有限公司，山東 青島 266555)

0 引 言

某型浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)在機械完工壓力試驗時，由于其結構、管路功能介質要求無法進行水介質試壓，需要使用氣體介質進行壓力試驗，但這些管路設計壓力均大于0.6 MPa，船舶所有人及相關安全部門認為存在較大的爆炸安全隱患，提出如果需要采用氣體壓力試驗，必須進行詳細風險分析，并采取防護措施。

1 管路氣體壓力試驗現狀分析

目前，海洋工程及船舶項目管路氣體壓力試驗主要參考CB/T 3619-1994《船舶系統和動力管路安裝及密性試驗質量要求》[1]、CB/T 3616-1994《管路壓力試驗要求》[2]等標準。上述標準主要規定船舶系統和動力管路安裝及密性試驗質量要求，適用于除排氣管外的船舶系統和動力管路，描述船舶管路安裝前的檢查、管子安裝要求、管路吊架安裝要求及管路密性試驗質量要求。其中，管路密性試驗質量要求主要講述船舶管路上船安裝后應進行密性試驗，及相關管路系統對應的試驗壓力、試驗介質。但上述標準并未涉及船舶和海洋工程項目管路采用氣體進行壓力試驗的詳細技術要求，也未明確安全隔離距離要求。目前，由于國內標準要求模糊，安全隔離距離準確性差，在海洋工程或船舶管路必須采用氣體壓力進行試驗時，需要將與試驗相關的所有橫向和縱向區域內的施工人員遣散，這樣勢必造成資源浪費并影響項目工期，無法達到人、機、物的有效結合和資源利用最大化。

2 管路氣體壓力試驗-爆炸分析

采用氣體進行壓力試驗，一旦發生事故，不僅須釋放積聚的能量，而且以最快的速度恢復在升壓過程中被壓縮的體積，破壞力相當于爆炸時的沖擊波。

以啟動空氣管路為例，此管路外徑d為73 mm，壁厚t為7 mm，管路長度為157.5 m，材質為碳鋼，操作壓力為30 bar(1 bar=105Pa)，試驗壓力為33 bar，按照設計文件要求，試驗壓力為操作壓力的1.1倍。根據ASME PCC-2-2018 Part 5：Article 5.1,Mandatory Appendix Ⅱ[3-5]等要求，假設其為1枚炸彈，首先計算此段管路壓縮空氣容積，再計算其壓力儲存能量，接著將其轉換為爆炸當量，最后將爆炸當量轉化為爆炸波及距離，由此便可分析出爆炸覆蓋范圍。

(1) 管路容積計算

(1)

式中：V為氣體壓力試驗管路容積，m3；d為管路外徑，m；t為管路壁厚,m；L為管路長度,m。

通過計算得V=0.43 m3。

(2) 壓力儲存能量計算

E=2.5PatV[1-(Pa/Pat)0.286]

(2)

式中：E為壓力儲存能量，J；Pa為絕對大氣壓力,取101 000 Pa；Pat為絕對試驗壓力，Pa。

通過計算得E=231.8×104J。

(3) 爆炸當量計算

通過計算得TNT=0.543 kg。

(4) 爆炸波及距離

R=Rs(TNT)1/3

(3)

式中：R為爆炸波及距離,m；Rs為傷害后果比例因子。傷害后果比例因子具體參數如表1所示。

由表1取Rs=20 m·kg-1/3，通過計算得R=

表1 傷害后果比例因子參數 m·kg-1/3

16.3 m。這就表示在管路爆炸后，以管路外表面為邊界，爆炸傷害波及距離為16.3 m，可劃分出對人體有影響的爆炸傷害波及范圍，如圖1所示。

圖1 爆炸傷害波及范圍

(5) 安全隔離距離

根據文獻[3]，選取最小安全隔離距離。壓力儲存能量E≤135.5×106J，安全隔離距離為30 m，與R=Rs(TNT)1/3比較，取大者；135.5×106J271×106J，以R=Rs(TNT)1/3為準。根據式(2)計算所得E=231.8×104J和式(3)計算所得R=16.3 m，最小安全隔離席距離為30 m。

3 管路氣體壓力試驗安全規避措施應用

(1)劃分壓力包，如表2所示。

表2 壓力包劃分 bar

(2)根據ASME PCC-2-2018[3]計算安全距離，如表3所示，并通過比對參考理論值，最終選定安全隔離距離。

表3 試壓包號安全距離選定 m

(3)根據選定結果繪制隔離區域邊界，如圖2所示，并結合圖紙在船上標記安全警戒線。根據圖2建立限制區域和壓力控制點，并在限制區域標記“氣體壓力試驗進行中不得擅闖”字樣。其他任何工作包括其他試壓，都不能在此區域進行，避免交叉作業。

圖2 隔離區域邊界示例

(4)執行試驗。在試驗前，按設計規范確定試驗壓力，試壓用管件的壓力等級不小于試壓管線系統的壓力等級要求，所有試壓用的工具儀表都需要標定/校準。試壓用管件設置安全閥(此處非試壓管線系統上的安全閥)；設定壓力為加3.45 bar或1.1倍的試驗壓力，取其中小者，且流量滿足要求。再將試壓用設備布置在安全隔離區域外。在試驗時，選用清潔、干燥、無油、露點為-20 ℃的空氣或氮氣，環境及介質溫度不能低于5 ℃，建議在夜間無人時(禁止在下雨時)將試壓氣體逐步引入管線系統，在達到1.70 bar時檢查泄漏情況，再以大約25%試驗壓力的幅度遞增，升壓速度應不高于5 bar/min，達到每一步的停點須能保壓10 min,在達到100%試驗壓力時，保壓15 min后降到75%試驗壓力，用泡沫液進行泄漏檢查，在保壓過程中如發現壓力下降，須將壓力降至 1.70 bar再檢查泄漏情況。在氣體壓力試驗中任何維修都須完全泄壓后才能進行，修復后按照同樣的程序再次檢查，用泡沫液檢查合格后，以大約25%試驗壓力的幅度遞減至完全泄壓，達到每一步的停點須保壓10 min。在試驗后，拆除管線上所有試壓用管件和臨時支架，替換在試壓期間被破壞的墊片、螺栓等材料，復位在試壓期間被拆掉的元件，并出具試壓報告，簽字確認。

4 結 語

借鑒爆炸當量分析理論，總結歸納管路氣體壓力試驗的計算分析過程，細化作業過程工藝要求，明確使用氣體介質進行壓力試驗的安全作業范圍，能夠為相關需要采用氣體介質進行壓力試驗的作業工況管理提供借鑒依據，為船舶及海洋工程項目施工提供安全保證。僅針對碳鋼材質的管路系統進行研究，對于其他管路材質還需要進一步分析。