淺水干式沉箱水下生產系統爆炸風險分析

劉國恒, 沈曉鵬, 陳宏舉, 安維崢

(中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

0 引 言

渤海重疊海域因海域使用要求，無法應用傳統導管架平臺開發模式。通航區受限因素主要為通航船舶船流量大，潛在船舶風險高，影響油氣設施安全和船舶航行安全，且占用航道、航路必然對海上貿易帶來影響和風險。因此，通航區的油氣開發需通過沉箱式水下系統開發模式進行開發。渤海淺水相比于深水采用水下生產系統開發的顯著不同特點如表1所示，其中，ROV(Remote Operated Vehicle)為遙控無人潛水器。

表1 淺水與深水水下生產系統開發特點

沉箱式水下生產系統需要將水下油氣設施布置于沉箱內部，通過外部油氣管線，實現油井物流外輸和電力、儀控、化學藥劑注入等控制。干式沉箱方案是將地面采油設施放置于沉箱內，沉箱位于海底泥面下，沉箱頂蓋與泥面齊平。典型的沉箱式開發系統如圖1所示。

圖1 沉箱示例

沉箱技術在碼頭、橋梁建設等方面應用較為成熟，具有技術操作性，廣泛應用于港口航道項目[1-3]。中鐵隧道勘測設計院有限公司和中鐵第六勘察設計院集團有限公司[4]設計一種沉箱式水下隧道，可實現隧道內的交通運行。王鑫[5]對港口航道工程沉箱施工技術要點進行分析和研究。楊磊[6]研究港口航道工程建設中沉箱預制施工技術，提出沉箱出移、安裝和回填方案，并分析施工過程中潛在的風險，為沉箱施工提出技術參考。朱春麗等[7]研究撞擊載荷作用下水下沉箱防護設施損傷分析，通過有限元模型分析，提出沉箱頂蓋結構強度設計要求。

關于水下沉箱的研究多為水下施工技術及方案的研究，對于沉箱內設施的風險識別及潛在風險評估的研究幾乎空白。通過對潛在的烴類氣體泄漏及爆炸風險分析方法介紹，為淺水干式沉箱水下生產系統開發的安全設計提供評估方法和設計依據。

1 淺水干式沉箱水下生產系統風險識別

淺水干式沉箱在海洋油氣領域用于受限海域的油氣開發研究，宜通過危險源辨識(Hazard Identification，HAZID)對總體設計、工藝方案、總圖布置等進行分析，確定可能產生的后果及影響。HAZID廣泛應用于物料介質含有易燃易爆的油氣和化工行業[8]。

針對淺水干式沉箱的HAZID，通過邀請業界知名專家、國際第三方服務機構專家等開展HAZID分析會，結合渤海海域特點以及淺水干式沉箱水下開發方案，對工藝設計、生產運維等各階段的風險進行辨識，形成HAZID分析表，如表2所示。根據風險值R的等級劃分，R∈[1-4]為可接受風險，即不需要專門或特殊處理的措施；R∈[5-10]為可容忍風險，即嚴格管控措施下可容忍的風險；R∈[11-16]為中風險，即應在操作前進一步降低風險；R∈[20-25]為高風險，即禁止工作，有可能造成嚴重損失，必須重新規劃或采取更多控制措施，進一步降低風險。從HAZID分析來看，多數風險均處于可容忍風險之下，該風險識別表也可為以后不同類型的沉箱設計提供風險應對的參考措施。

表2 淺水干式沉箱HAZID分析表

淺水干式沉箱平時處于氮氣覆蓋狀態，但在運維工況條件下需進行氣體置換，在該階段若沉箱內部存在泄漏油氣，被點燃則可發生爆炸。淺水干式沉箱為密閉空間，設備布置較多，擁塞度高，一旦發生爆炸，其危害后果嚴重，因此需關注潛在的爆炸事故危害。

2 淺水干式沉箱爆炸風險分析方法

2.1 通用爆炸分析方法

海洋石油設施爆炸主要是由于泄漏油氣與空氣混合形成爆炸性氣云，在接觸點火源時發生后果嚴重的爆炸事故。決定爆炸后果的主要參數包括超壓峰值、作用時間等。目前針對爆炸后果的研究分為3種主流方法[9]，如表3所示。

表3 爆炸后果主流分析方法

2.2 爆炸物理模型

計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)爆炸方法一般采用有限體積法，湍流模型采用k-ε方程。氣相爆炸的基本控制方程由質量守恒、動量守恒、能量守恒及組分守恒方程構成，可通過通用守恒方程[10]表示：

(1)

式中：t為時間；ρ為密度；?為通用變量；u為速度矢量；Γ為廣義擴散項；S?為通用源項。

爆炸的基礎是可燃氣云在爆炸極限范圍內接觸點火源，在一定受限空間形成。因此，CFD進行爆炸分析前需通過泄漏擴散分析，確定可燃氣體的體積分數分布，用于換算為等量的爆炸氣云[11]。目前，應用較多的用于計算等效爆炸氣云當量的方法通過下式計算：

Q9=

(2)

式中：Q9為當量可燃氣云體積；vi為控制網格內氣體體積；ve為體積膨脹比；φER為燃料與氧氣相對體積分數比，對于φER=φER，LFL或φER=φER，UFL，φERfac(φER，i)取值為0；對于φER=φER，top，φERfac(φER，i)取值為1。

φERfac(φER，i)取值為0～1，取決于φER的值：

φERfac(φER，i)=

(3)

式中：SL為層流燃燒速度，m/s。

該方法充分考慮最大火焰速度和最大膨脹等因素，通常來說φER，top與max{[ve(φER)-1]·φERfac(φER)：φER，LFL≤φER≤φER，UFL}可接近1，但不會等于1，這與燃燒速度剖面和體積膨脹率有關。

2.3 爆炸風險分析建模

2.3.1 可燃介質泄漏頻率

針對海洋工程單一設施的失效頻率，目前主要依靠國外數據庫，如OREDA、WOAD、HCRD及HSE等[12]。國內針對化工設備也可參考《石化裝置定量風險評估指南》[13]，其中給出部分類型設施的失效頻率。在業界應用較為廣泛的主要為HCRD數據庫，根據HCRD數據庫的數據建模原理，其泄漏頻率與設施類型、尺寸、工藝壓力及介質參數有關，在確定基礎泄漏頻率后，其他尺寸的泄漏可通過下式[14]進行計算：

Fd=Cdm(1+aDn)+Frup

(4)

式中：Fd為當量直徑大于d的泄漏頻率；d為泄漏孔當量直徑；D為設備直徑；m為斜率參數；Frup為額外破裂頻率；C、a、n為擬合常數。

2.3.2 計算當量爆炸氣云的參數

在一個泄漏單元內，通過CFD模擬當量爆炸氣云Q9的數值，需確定泄漏的相關參數。通過對泄漏單元內物料存量的計算，可計算泄漏速率[15]：

(5)

式中：Q0為初始泄漏質量流率；A為泄漏孔徑；Cd為泄漏系數；γ為熱容比；p0為大氣壓力；T為溫度；R為氣體常數；M為氣體的相對分子質量。

(6)

式中：p1為環境壓力；P2為容器剩余壓力。

在淺水干式沉箱內，若考慮工藝關斷工況，則可通過下式計算泄漏時間：

(7)

式中：Q為t時刻泄漏質量流率；mG為泄漏量。

2.3.3 點火概率

泄漏形成爆炸性可燃氣云，延遲點火造成爆炸事故。針對烴類物質的點火概率，目前通用的主要理論如下：

(1)基于時間發展的點火概率模型TDIIM[16]，包括立即、延遲點火以及離散點火。該模型綜合考慮烴類物質泄漏速率、氣云擴散體積分數分布以及可燃氣體探測等因素，其原理是基于響應面法的蒙特卡洛抽樣模擬進行計算，從而確定不同點火類型的點火概率。

(2)COX Lees點火模型，是挪威船級社(DNV)研發的一種快速計算點火模型。該模型規定的點火概率僅與泄漏速率相關，計算相對簡單。該技術方法也被《石化裝置定量風險評估指南》采用并推薦。

氣相延遲點火概率可通過下式進行計算：

P=(e-4.16m0.642)(e-2.995m0.38)

(8)

式中：P為點火概率；m為氣相質量。

(3)《化工企業定量風險評價導則：AQ/T 3046—2013》[17]給出的延遲點火概率計算公式：

P(t)=Ppresent(1-e-mt1)

(9)

式中：P(t)為t1時刻點火概率；Ppresent為立即點火概率；t1為點火時刻。

根據《風險和應急準備評估：NORSOK Z-013》，同時考慮淺水干式沉箱的設計方案，爆炸分析流程如圖2所示。

3 實例分析

某干式艙艙體為板帶筋形式，結構直徑為18.65 m，結構高度為5.5 m。艙體內部整體為密閉空間，劃分為油氣區域和非油氣區域，中間為鋼板隔離墻，通過設置的水密門進出。艙內主要設備設施包括干式采油樹、多路閥、多相流量計、注水管匯、應急逃生艙、開排、井口控制盤、中控設備間等，模型如圖3所示。

圖3 幾何模型

3.1 設備泄漏計算

根據《風險和應急準備評估：NORSOK Z-013》，可燃氣體泄漏速率選取0.1～1.0 kg/s、1.0～8.0 kg/s、8.0～16.0 kg/s以及16.0～64.0 kg/s等4種類型，淺水干式沉箱內泄漏參數如表4所示。

表4 氣體泄漏計算

3.2 氣體擴散計算

通過氣體擴散CFD數值模擬可得到各甲板工藝區不同泄漏條件和通風條件下的氣體云團尺寸。在三維幾何模型的基礎上，使用FLACS軟件對模型進行合適的網格劃分，網格劃分前明確模型的各類邊界條件。圖4為計算結果示例。

圖4 計算結果示例

圖5是計算不同工藝泄漏單元在不同泄漏速率下的泄漏氣相質量，因淺水干式沉箱與外界環境隔離，因此氣相泄漏量除微小泄漏外，在超過1.0 kg/s時，泄漏的烴類物質質量基本相當。在此基礎上，結合上述公式以及表4計算結果，不同工藝單元爆炸頻率和氣云當量體積如圖6所示。

圖5 氣相泄漏數據

圖6 不同工藝單元爆炸頻率和氣云當量體積

圖7為計算的化學當量體積。當量體積即為在沉箱內部工藝區域參與爆炸的可燃氣云的量，將換算的Q9在FLACS軟件中進行模擬爆炸分析。

圖7 化學當量體積

3.3 爆炸后果計算

通過有規律地變化幾何尺寸、位置、點火點等參數進行爆炸模擬，結合爆炸事件發生頻率進行統計，最終得到超壓頻率曲線。對3個氣密門位置進行壓力監測，MP1、MP2和MP3為設置的3個監測點，如圖8所示。分析結果如圖9所示。

圖8 監測點位置示例及超壓云圖

圖9 爆炸超壓分析結果

圖8展示不同體積當量氣云下不同點火位置比較后最大爆炸超壓工況的分析結果，將最大超壓值對應的當量體積對應爆炸頻率形成累計概率分析結果。

經分析，MP1處氣密門爆炸超壓最大為0.004 6 bar(1 bar=0.1 MPa)，對應累計概率為3.03×10-7/a；MP2處氣密門爆炸最大超壓為0.014 2 bar，對應累計概率為2.78×10-7/a；MP3處氣密門爆炸最大超壓為0.017 8 bar，對應累計概率為2.78×10-7/a。

4 結 論

(1)某淺水干式沉箱水下生產系統最大爆炸超壓為0.017 8 bar，對應累計概率為2.78×10-7/a。從爆炸超壓后果看，由于設備操作壓力不高，設備發生泄漏后的泄漏流量不高，考慮一般的探測及響應時間遠小于3 min，因此泄漏總量不大，可燃氣體泄漏后主要聚集在井口區位置。發生爆炸后，各監測點受到的超壓值較小且發生的頻率不高。

(2)將定量爆炸風險分析方法引入干式水下采油裝置爆炸風險分析，可以更為準確地得到發生爆炸事故后干式水下采油裝置內部各設施的風險水平，分析研究成果對日常生產與維護管理起到良好的指導作用。

(3)通過泄漏擴散模擬分析，可以優化可燃氣體探頭布置，可作為發生事故后干式沉箱受限空間潛水作業人員疏散路線和逃生時間的判定依據，為應急預案的制定提供技術支持。