深水浮式結構火災爆炸風險評價方法及軟件開發

王亞瓊，余建星，梁 靜，盧賀帥，李 驍

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240）

深水浮式結構火災爆炸風險評價方法及軟件開發

王亞瓊1,2，余建星1,2，梁 靜1,2，盧賀帥1,2，李 驍1,2

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240）

在美國石油學會基于風險的檢驗技術（APIRP 581 RISK-BASED INSPECTION TECHNOLOGY）規范的基礎上，結合我國南海深海石油開發實際，編寫了一套功能較全、計算模型更加符合中國南海可能引發的火災爆炸風險評價軟件．軟件首先在內核上結合火災爆炸指數法評價，對待評估對象有整體的危險性認識；為簡化API 581規范中對噴射火和池火危害半徑循環迭代的計算，對公式進行變形，采用MATLAB畫出曲線，導出危害半徑和熱輻射通量直接的關系，可以得到任意熱輻射通量下對應的目標距離．其次在概率和風險評價設計中，實現了事件樹和風險矩陣的輸出．最后在輸出結果上結合ACCESS數據庫，實現了存儲和輸出計算數據，方便后期的分析使用．通過和PHAST計算算例的結果比較，軟件可靠、有效，并且在概率計算和風險分析上具有優勢．

火災爆炸；風險評價；API581規范；軟件開發

近年來，隨著經濟的高速增長，我國對油氣等燃料的需求日益上升[1]．我國南海蘊藏著豐富的石油天然氣和其他礦產資源，南海油氣資源是我國經濟與社會可持續發展的強大支持和保障因素．近年對南海油氣的開采、運輸日益增多．在可燃性油氣的開采以及儲運的過程中，經常會發生油氣泄漏．可燃性油氣在點火的情況下，會發生各種火災爆炸，例如：噴射火，池火，蒸氣云爆炸等[2]．火災爆炸會對油氣造成損失，對開采、儲運油氣設備、財產以及人員造成傷害．海洋工程界通常認為300 m以上為深水，1 500 m以上為超深水[3]．深水海域，如南海群島，距離大陸較遠，一旦發生油氣泄漏造成火災爆炸，撲救比較困難，因而造成的人員、設備損失更加嚴重．因此，對深水浮式結構的火災爆炸風險評估顯得尤為重要．

隨著計算機技術的發展，運用計算機計算油氣的泄漏以及引發的事故后果成為可能[4]．目前，國內外風險評價、分析的方法非常之多，各種定量分析的軟件也較多[5-6]．挪威船級社（DNV）在安全管理與技術評價領域內具有權威的地位．最常用的火災爆炸風險評價軟件是挪威DNV公司開發的PHAST量化風險評估計算軟件．PHAST軟件包實施事故后果、風險計算，根據泄漏介質的特性、當地氣溫、風速、點火源位置及人員分布等條件，結合事故發生的頻率計算得到各種可能的燃燒性、爆炸性和毒性的后果及風險[7]．

但是在現有的風險評價軟件中，池火災的計算模型一般采用的是點火源模型，精確程度不如API581規范中介紹的Mudan模型，缺乏對管道或者設備的整體風險程度評價，在事故發生概率的計算和事件樹的輸出方面不完善，用戶在分析火災爆炸計算后果的概率和風險等級時不直觀．

為了編寫一套功能較全、計算模型更加合理的火災爆炸風險評價軟件，本文以API581規范和《安全評價方法應用指南》為理論算法，針對油氣的火災爆炸特性，對規范的計算公式進行變形，加入了《安全評價方法應用指南》中的指數法評價方法，采用VisualBasic.NET開發了一套火災爆炸風險評估軟件，對火災爆炸的危險等級進行劃分，對各類事故發生的可能性、后果以及風險等級進行計算評估．

1 算法改進

API 581規范中對噴射火和池火的后果計算部分，采取的是公式中參數循環迭代的方法，來計算火災的影響區域．計算復雜，并且計算量大，不直觀．因此，本文對火災的后果區域的計算公式進行變形，用在編寫的程序中，理論算法更加簡單．

1.1 噴射火后果區域算法改進

噴射火主要是由于對受壓的工藝容器或者管道發生泄漏后的可燃流體進行立即點火產生的．火災不同的熱輻射量對人和物可造成不同程度的損害，如表1所示．

表1 熱輻射傷害準則[8]Tab.1 Thermal radiation damage criteria

API中的規定熱輻射通量的分界值是人員傷害12.6 kW/m2，設備損壞是37.8 kW/m2[9]．因此，最后計算出來的目標處的熱輻射通量要逼近于這兩個臨界值．

首先取目標距離的大概值，計算出大氣輻射系數和視角系數．根據噴射火的總輻射能量和計算出來的大氣輻射系數和視角系數帶入求解目標處的熱輻射通量．將計算值和規定值 （人員傷害12.6 kW/m2，設備損壞是37.8 kW/m2）進行比較，如果接近，則輸出目標距離，如果相差較大，則改變目標距離的值，重新帶入求解，循環迭代直至目標處的熱輻射通量接近規定值．具體公式參照API581規范．計算人員和設備的影響距離步驟如圖1所示．

從上面的計算過程可以看出，反復循環迭代計算量增大，最后計算出來的目標處的熱輻射通量是在一定的誤差范圍內接近于規定值，誤差范圍的大小也直接影響到最后計算出來的目標距離，導致結果不準確．

圖1 噴射火安全距離計算步驟Fig.1 Jet fire safety distance calculation steps

為了使計算安全距離更加直接、方便，將API581規范中的公式進行變形，推導出目標處接受的熱通量Ithjnet和安全距離xsn的函數表達式如下：

其中：C14為API中給定的系數，可以從附表中查出為1； 為燃燒能量的分數，一般取0.35；Wnjet為噴射火泄露速率；HCV為燃燒熱，J/kg；Ithjnet為熱通量，W/m2；Pw為大氣層的水分壓，kPa．

在公式 (1)中，熱通量的值，API中的規定分界值是人員傷害12.6 kW/m2，設備損壞是37.8 kW/m2，即可直接求出人員和設備的安全距離，變形后的公式計算方法比之前的迭代計算要簡便，大大減小計算量．

1.2 池火災后果區域算法改進

當易燃液體從設備或者管道泄露出來，就會形成池火．隨著池火的形成，一些液體會蒸發，并且如果蒸發的易燃液體遇到高于他的可燃下限（LFL）的點火源時，池火就會形成．對于APIRBI，認為池火是由發生泄漏孔口或者破裂的受壓容器或者管道泄露的可燃液體立即點火形成的．

池火災的計算過程和噴射火大體類似．和噴射火不同的是，池火災在計算輻射角系數時用到的是Mudan模型．視角系數可以把火焰看做一個垂直的圓柱的傾斜角來計算，運用Mudan提供的公式．為圓柱形的視角系數Fcyln是由圓柱的垂直視角系數Fvn和圓柱的水平視角系數Fhn計算得出[4]．其中圓柱的垂直視角系數和水平視角系數是火焰傾角、火焰長度、火池半徑和目標距離的函數．計算公式非常復雜，具體可參照API581規范．由于視角系數的計算過于復雜，導致用上述噴射火的循環迭代計算方法的計算量非常大，在迭代過程中，出現錯誤的幾率也加大．

為了能夠直接計算出在一定熱輻射通量下的目標距離，本文采用MATLAB對上述公式進行變形，畫出距離和熱輻射通量的曲線圖．從曲線圖中可以直觀的找到目標距離．

選用可燃液體的代表性物質乙醇進行計算，以火池半徑為10m為例，在MATLAB中將上述基本數據以及API581中的池火災中的計算垂直輻射角系數、水平輻射角系數、輻射角系數、大氣透射系數和目標處接收到的熱輻射通量公式輸入，即可畫出曲線如圖2．其中橫軸為距離泄漏點的距離，縱軸為對應距離的熱輻射通量．

圖2 安全距離-熱輻射通量曲線圖Fig.2 Safety distance radiation heat flux curve

在圖2中，y軸為對應距離的熱輻射通量，從圖像上選取y軸上任一點的熱輻射通量值，對應到曲線上的點，可以讀出點的橫坐標即為目標距離的值．即可以得到每一個熱輻射通量下對應的距離．

從上面的分析過程可以看出[10-12]，在計算后果影響距離時，計算不用迭代求解，根據圖像的橫縱坐標可以直接讀出，借助曲線圖的方法直觀、簡便．

2 軟件開發

軟件的編寫主要以API581規范和《安全評價方法應用

指南》為依據，具體模塊的算法如下．

軟件的第1個模塊，火災爆炸風險程度評價模塊，參照《安全評價方法應用指南》中的火災爆炸危險指數（F&EI）評價方法．該方法從設備或管線內流體危險性出發，評價工藝過程中的一般工藝危險與特殊工藝危險，得到考慮補償措施之前的火災爆炸危險指數，再引入諸多補償措施的折減系數（工藝控制、物質隔離以及防火措施），得到最終的危險指數[13]．

軟件的第2、3、4模塊，即事件樹概率分析模塊、火災爆炸事故預測模塊、風險評價模塊，參照的是由美國石油學會（API）于2008年發布的基于風險的檢驗技術（RISK-BASED INSPECTION TECHNOLOGY），即 API 581規范2008版．噴射火和池火的后果計算部分，采用上面改進過的公式和算法，避開循環迭代的求解目標距離，減小了計算量，用在程序中更加簡單、直觀．

在進行深水結構火災爆炸事故后果預測之前，先對待評估對象的火災爆炸危險性進行系統預分析，有的放矢地找出重點評估對象，該過程常用到的方法有火災爆炸危險指數（F&EI）評價方法．然后可以根據泄漏的判定事件樹，計算事件樹對應的后果的發生概率．根據對系統的危險程度評價以及不同事故的發生概率大小，有針對性的對火災爆炸事故后果進行計算．最后通過對事故后果發生的概率和危險區域、人員傷害范圍進行量化計算和分級，從而評定風險等級，在風險矩陣中輸出風險等級．軟件的計算思路如圖3．

該系統通過計算火災爆炸危險指數和危險等級、事件樹上對應事故的發生概率、火災爆炸范圍計算，可以實現風險評估，對用戶的實際工程進行指導．編寫的這套軟件主要具有以下特點：

1）軟件內核加入《安全評價方法應用指南》中的火災爆炸風險程度評價，進行設備或管線火災爆炸事故后果預測之前，根據用戶輸入的物質系數、工藝危險系數和補償系數計算系統的危險指數（F&EI），對待評估對象進行整體的危險程度評定；2）在事故的發生概率計算模塊，軟件可以輸出事件樹，并對事件樹發生事故的對應概率計算，用戶使用方便，計算結果一目了然；3）噴射火和池火的后果影響距離的計算，噴射火計算對API中的公式進行變形，池火計算采用API 581中提供的Mudan模型，對火災后果范圍的計算更為直接；4）軟件可以通過對事故發生概率和后果范圍的計算，實現對待評估對象進行風險評價，并且在風險矩陣中輸出風險等級，對于指導用戶的生產實踐有實際意義；5）軟件融合ACCESS數據庫，對用戶輸入的參數和計算的結果進行儲存，最后可以輸出Word和PDF報告，方便用戶的后期使用．

圖3 軟件的計算思路Fig.3 Method of calculation software

3 算例

本文選取具體的算例，使用編寫的火災爆炸風險評價軟件和PHAST軟件分別計算分析．并對二者計算結果的進行對比分析．

采用發生池火災的常見物質乙醇．環境溫度為20℃，標準大氣壓下，風速為4m/s，火池半徑為10m．乙醇在此條件下的物性參數如表2所示[14]．

表2 乙醇物性參數表Tab.2 Physicalparametersofethanol table

首先對事故的整體危險性進行火災爆炸風險程度評價和后果概率的計算，結果如圖4、圖5所示．圖4是對系統的整體危險性進行評價；圖5是輸出事件樹，并且在事件樹對應后果后輸出計算的后果概率，用戶可以清楚的看出發生池火災的概率為0.34，是所有后果中最大的，因此需要對池火災進行后果計算．

圖4 火災爆炸危險程度評價Fig.4 Fireexplosion hazard degreeevaluation

下面對池火災的后果進行具體的計算，API中的規定熱輻射通量的分界值是人員傷害12.6 kW/m2，設備損壞是37.8 kW/m2．池火災的相關后果參數如表3所示．

表3 池火災后果計算值Tab.3 Pool fire consequence calculation

最后進行軟件的風險評價模塊計算，將前面計算的后果概率和后果半徑分別評級，計算出風險等級．界面如圖6，其中將風險等級在風險矩陣上輸出，用戶使用更加直觀．

為了和PHAST軟件進行對比，分別使用本文編寫的軟件和PHAST軟件計算池火災的后果．池火災的相關后果參數對比如表4、表5所示．

表4 池火災后果計算值對比Tab.4 Comparison of calculated resultsof pool fire

表5 安全距離對比Tab.5 Comparison of safety distance

圖5 概率計算和事件樹的輸出Fig.5 Theoutputof probability calculation and event tree

圖6 風險矩陣計算界面Fig.6 Riskmatrix interface

從表4、表5中的后果參數對比可以看出，PHAST計算后果參數值的比較，二者的計算結果基本相近本文編寫的火災爆炸風險評價軟件具有合理性、有效性；此外，本軟件計算出來的傷害半徑和PHAST相比稍大，計算結果偏保守，對實際工程運用更加安全．

4 結語

1）變形后的噴射火和池火安全距離計算公式簡便，避開了循環迭代的求解目標距離，減小了計算量，可以觀察出熱輻射通量和距離之間的關系，直接得到任意熱輻射通量對應的安全距離值；

2）軟件在API581規范的理論算法上，結合《安全評價方法應用指南》的火災爆炸指數法評價，對評價模型多了一層在后果評估之前的危險性評價，對待評估對象有整體的危險性認識；軟件在概率和風險評價設計中，使用事件樹和風險矩陣的輸出，用戶在使用時對后果認識一目了然；軟件可以對用戶輸入的參數和計算的結果進行儲存，最后輸出Word和PDF報告，方便用戶的后期分析使用；

3）通過和PHAST輸出結果的對比，PHAST偏重于后果值的計算，而本軟件的優勢在于能計算后果發生的概率和風險等級，并且在輸出上采取了事件樹和風險矩陣，輸出界面清晰，利于用戶的直觀理解和使用，軟件更加人性化，功能更加全面．

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[責任編輯 楊 屹]

The fireand explosion risk assessmentmethod of the deepwater floating structureand the software development

WANG Yaqiong1,2，YU Jianxing1,2，LIANG Jing1,2，LU Heshuai1,2，LIXiao1,2

(1.StateKey Laboratory ofHydraulic Engineering Simulationand Safety,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai200240,China)

According to the American Petroleum Institute released of RISK-BASED INSPECTION TECHNOLOGY in 2008,combinedwith theactualoildevelopmentof the South China Sea,asetofwith comprehensive functionsandmore reasonablemodels in linewith the South China Sea fireexplosion risk assessmentsoftwarewasdeveloped.First,the software combined the assessmentof fire and explosion indexmethod to evaluate the risk of object.In order to simplify the iterativecalculation of the jetfireand pool firehazard radiusin API581 specification,formulaswasdeformated and curves was drawn using MATLAB.The function of hazard radius and radiation heat flux was derived.The targetdistance corresponding to any thermal radiation flux can be gotten.Second,in the design of the probability and risk,the software outputevent trees and riskmatrix.Last,combined with ACCESS database in the output,the software for storage and output of data analysis,was convenient for later use.Compared with the PHAST calculation results,this software is reliable and effective,and hasadvantages in calculating the probability and risk analysis.

fire and explosion;risk assessment;API581 specification;software development

TE58

A

1007-2373(2016)01-0096-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.018

2015-05-25

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2014CB046804）；國家自然科學基金（51239008，51379145）；“十二五”國家科技重大專項子課題（2011ZX05030-006-03）

王亞瓊（1989-），女（漢族），碩士生．

梁靜（1988-），女（漢族），博士生，liangjing_0805@126.com．