基于事故場景模擬的平臺立管泄漏應急處置方案研究與應用

摘要：本文以我國南海某深水平臺為研究對象，基于國內外立管失效事故統計分析，借助三維CFD軟件模擬得到該平臺立管可能的瞬態泄漏特性曲線以及可燃氣體擴散和火災事故影響范圍，并首次采用NORSOK標準，基于精確的量化數據支持，建立了一套完整的平臺立管泄漏應急處置方案，不僅為平臺人員實施立管泄漏應急響應及救援工作提供指導，也為其他平臺立管應急預案編制提供參考。

關鍵詞：平臺立管;泄漏;事故場景;CFD模擬;應急處置

一、前言

平臺立管是海底管道從海底至海上平臺管段的總稱。立管作為海洋油氣輸送系統的重要組成部分，由于長期受到多種環境載荷和內部載荷的聯合作用，已成為海底管道系統中最薄弱的構件之一。據英國北海數據統計，海底管道和立管部分發生的泄漏事故中超過60%發生在立管部分，而且立管泄漏往往會造成災難性事故，甚至導致失去整個平臺。

本文以我國南海某深水平臺為研究對象，在國內外立管失效事故統計分析的基礎上，借助三維CFD軟件開展平臺立管泄漏、擴散、火災和爆炸事故場景模擬，確定量化的事故影響范圍，并首次采用NORSOK標準，基于精確的量化數據支持，在應急準備分析結果上建立明確的平臺立管泄漏應急處置方案，以期最大程度地預防和減少立管泄漏突發事件及其造成的危害，提高現場人員應對平臺立管泄漏突發事件的響應和處置能力，保障平臺人員生命和財產安全。

二、平臺立管介紹

該平臺共設計有10條立管，當前階段已安裝5條立管，均分布在導管架的內側，另有5條立管將在未來的開發過程中安裝，分布在導管架的外側。本次納入研究的立管主要包括2條22’’立管、1條14’’立管和1條30’’立管。平臺立管失效原因及泄漏頻率主要參考目前國際上幾個公開的數據庫（HSE[1]、PARLOC[2]、WOAD[3]、OGP[4]）以及LRC數據源，結合該平臺立管設計和運行資料，給出如表1的推薦泄漏頻率。

三、平臺立管泄漏模擬及事故后果影響分析

1.平臺立管泄漏模擬

OLGA是專業瞬態多相流CFD模擬軟件，可以精確地模擬和分析流體真實動力學過程[5][6][7]。本次研究采用OLGA軟件建模，將立管的相關參數如流量、環境溫度、整體傳熱系統、SSIV和SDV的關閉時間、出入口壓力和輸送溫度、不同水深區域的管道內徑作為模型輸入，同時考慮SSIV是否關閉以及在平臺的放空影響。 依據立管安裝位置，考慮四個泄漏位置，分別為立管底部泄漏、立管中部泄漏、立管飛濺區泄漏和立管平臺上泄漏。泄漏孔徑分為小型泄漏（20mm孔徑）、中型泄漏（50mm孔徑）、破裂泄漏（全孔徑）三種類型。

通過OLGA模擬，得到了不同泄漏孔徑、不同泄漏位置在兩種輸送流量下的泄漏速率特新曲線，作為下一步水上擴散分析及火災、爆炸分析的輸入，以獲得可燃氣云在平臺下和平臺上的分布和火災、爆炸的影響范圍。對于SSIV關斷后的平臺立管泄漏持續時間計算結果見表2。

2.平臺立管泄漏事故后果模擬

（1） 模擬場景定義及輸入

KFX是用于模擬氣體擴散和火災的三維瞬態模擬軟件[8][9]，本文采用KFX對立管泄漏后的可燃氣體擴散和火災情況進行模擬，分析平臺周圍可燃氣體擴散及火災熱輻射影響范圍。模擬場景選擇上主要考慮兩方面因素，一是盡可能地考慮到主要的泄漏類型;二是場景盡量可信、后果保守。下面以30’’立管在飛濺區泄漏后的氣體擴散和火災場景為例進行分析說明。

對于30’’立管，主要考慮3種泄漏情形，即泄漏孔徑分別為20mm、50mm和全孔徑斷裂。由于泄漏速率隨著時間逐漸降低，選擇泄漏發生后第1分鐘的泄漏質量流量作為火災模擬的輸入。對于泄漏位置，選擇海平面以上5m高度處。由于飛濺區所處區域幾乎無障礙物和填充物，且泄漏速度很高，在相同泄漏方向和風向下，風速對噴射火災的影響較小，因此選擇該平臺所處海域的年平均風速5m/s作為參考風速。由于立管位于平臺西側，根據后果不利的原則，假設風向向東，即吹向生活樓。由于立管出海面后為豎直向上，因此對于泄漏孔徑20mm和50mm，泄漏方向最大可能為垂直于管壁，即沿水平方向泄漏。而對于斷裂情形，泄漏方向最大的可能性為豎直向上。對于未發生點燃的泄漏情形，由于風速會對氣體擴散產生影響，因此考慮兩種風速，分別為1m/s和5m/s。

（2）立管飛濺區泄漏后果模擬

通過模擬分析，只有斷裂泄漏被點燃的概率較大，對于斷裂泄漏，需注意高風速天氣情況。因為高風速有利于氣體的擴散，形成較大的可燃氣云，且此情形下救生艇和直升機甲板的可用性均受到影響。對于小型和中型泄漏，由于形成的可燃氣云較小，被點燃的可能性較低，其泄漏對救生艇和生活樓的可用性影響也較小。對于飛濺區的立管泄漏，小型和中型泄漏所導致的噴射火不會對平臺產生重要威脅，但需要注意噴射火對平臺結構的影響。斷裂泄漏會導致嚴重的火災后果，人員逃生將十分困難.

（3）立管飛濺區泄漏影響分析

根據ISO17776風險矩陣[10]，對30’’立管飛濺區泄漏后氣體擴散和火災后果對平臺影響及事故升級可能性進行分析[11]，分析結果見表3和表4。

四、平臺立管泄漏應急處置方案制定

基于以上事故場景模擬結果，依照NORSOK Z-013[12]和GL0282[13]標準要求開展應急準備分析，從水下、飛濺區和下層甲板三個不同位置對可能發生的危害和事故情形進行識別和定義，參考相關標準對各DHSA的相關性能要求和必要措施進行匯總，根據該平臺現有應急管理流程資源，通過組織現場人員和陸地相關應急管理人員開展頭腦風暴討論，整理形成各DHSA的應急準備措施及建議，為下一步應急處置方案編制提供基礎。

綜合應急準備分析結果，在公司級和平臺級應急預案框架下，針對每一類事故場景制定一套詳細且量化的平臺立管泄漏現場應急處置方案。這里有幾點經驗供參考：

（1）除常規巡檢及壓力數據曲線變化識別等手段，可以增加火焰探測器報警這一技術措施來提示異常發生;

（2）明確事故報告內容，包括：泄漏立管、報警探測器所在區域、可視火焰直徑、火焰高度、火焰距離平臺的距離等;

（3）增加立管泄漏情形的判斷依據，如通過火焰直徑判斷泄漏大小、通過火焰位置判斷泄漏位置等。其中泄漏大小的判斷依據為：壓力曲線驟降，火焰直徑較大或火焰直徑中等但燃燒較為猛烈，可判斷為大型泄漏;火焰直徑較小，可判斷為中小型泄漏。泄漏位置的判斷依據為：火焰距離平臺650m范圍內，立管泄漏可能性較大，可進一步通過記錄SSIV關斷后的泄漏持續時間判斷是否為立管泄漏。

（4）針對大型泄漏和中小型泄漏，分別建立起相應的應急程序，同時結合泄漏模擬與應急準備分析結果，對各個應急環節給出詳細且量化的控制行動要求。如上報與通知環節：劃定警戒區域（火焰邊緣以外半徑1公里范圍內），泄漏階段不使用直升機。處置環節：啟動EDS1級關斷，并對泄漏立管的SSIV及SDV關斷進行確認;啟動噴淋系統對受影響的區域水幕保護;如火焰位于平臺下方，可視火勢情況進行現場滅火;針對大型和中小型泄漏，火焰位于平臺附近且距離分別小于700m和300m，可以請求平臺守護船對可能受泄漏火災影響的設施設備進行水幕保護。撤離環節：SSIV無法關閉，火焰移至平臺附近或下方，進而平臺上發生火災爆炸，應撤離平臺;逃生手段優先考慮救生艇。

（5）建議補充工藝流程圖及事故后果模擬三維圖，為現場人員的日常培訓演練及應急處置作為資料參考。

五、結語

借助三維CFD開展平臺立管泄漏模式及應急處置方案研究，確定量化的事故影響范圍，在應急準備分析基礎上建立明確的平臺立管泄漏現場應急處置方案。該方案不僅彌補平臺立管泄漏現場應急方案的空白，而且可為其他平臺設施立管應急預案編制提供借鑒和參考，更重要的是有效促進了基于事故場景模擬的應急準備、應急響應和應急管理能力的提升，為公司應急能力建設發揮了積極作用。

參考文獻：

[1] HSE， Accident statistics for fixed offshore units on UK Continental Shelf 1980-2005， Report NO. RR566， 2007

[2] Mott Macdonald Ltd. PARLOC 2001： The update of Loss of Containment Data for Offshore Pipelines[S]. Croydon UK， 2003.

[3] DNV GL. The Worldwide Offshore Accident Databank， http：//woad.dnv.com/ [Data File]. Norway， 2015.

[4] International Association of Oil & Gas Producers. OGP Report No. 434-7 Vulnerability of plant/structure[S]. London UK， 2010.

[5] T.K. Fannel?p. Fluid Mechanics for Industrial Safety and Environmental Pro?tection[M]. Elsevier Science B.V.， 1994.

[6] M.S.G. Bettelini， T.K. Fannel?p. Underwater Plume from an Instantaneously Started Source[J]. Applied Ocean Research， 1993， 15： 195-206.

[7] 吳鳳林， G.Tsang. 三維氣泡羽流建立區流動形態的觀察[J]. 力學學報， 1991， 23（1）： 1-7.

[8] ComputIT AS. Kameleon FireEx KFX? 2010 User manual， Report No. R0921[S]. Trondheim Norway， 2010.

[9] ComputIT AS. Kameleon FireEx Validation Handbook， Report No. R0922[S]. Trondheim Norway， 2010.

[10] ISO 17776， Petroleum and natural gas industried – Offshore production installations – Guidelines on tools and techniques for hazard identification and risk assessment， 2000.

[11] 陳欣， 孫旭， 李東芳等. 海上平臺直升機甲板受環境影響的安全分析評[J]. 中國海上油氣， 2012， 24（1）：60-64.

[12] Statoil. GL0282-2010 Guideline for risk and emergency preparedness analysis[S]. Norway， 2010.

[13] Norwegian petroleum industry. NORSOK Standard S-001-2008 Technical Safety. Lysaker Norway， 2010.

作者簡介：譚珮琮（1985-），女，碩士，工程師，現就職于中海石油（中國）有限公司深圳分公司，主要從事海洋油氣田開發工程設計與安全分析評估工作。