圓筒型FPSO防爆墻設計研究

趙志堅

（中遠海運重工有限公司 技術研發中心，遼寧大連 116600）

0 引言

浮式生產儲卸油裝置（floating production storage and offloading，FPSO），兼具生產、儲油和卸油功能，是海洋工程生產裝備中的高技術產品。作為海洋石油開發系統的重要組成部分，FPSO與水下采油裝置和穿梭油輪組成一整套海洋油氣開采、生產和運輸系統。“希望6號”是中遠海運重工有限公司設計建造的圓筒型 FPSO，是我國海洋工程裝備制造企業承接的首個涵蓋設計、采購、建造的FPSO總包項目。由于圓筒型平臺結構緊湊，各向剛度相當，幾乎沒有整體變形，結構總體強度和疲勞強度與船型FPSO相比優勢明顯。但是這帶來一個設計難題，由于甲板面積限制，上部模塊間距離過近，難以滿足安全要求。因此，如何設置防爆墻，以保護工藝生產模塊安全運行是圓筒型平臺設計必須面臨的挑戰。

1 上部模塊布置特點

“希望6號”圓筒型FPSO的甲板面積在4 800 m2左右，約為相同規模船型FPSO甲板面積的60%。居住區與生產模塊之間，生產模塊與輔助模塊之間，天然氣處理設備與原油生產設備之間的距離很近，潛在的安全風險不容忽視。

基于上述原因，圓筒型FPSO設計中取消了常規FPSO獨立的冷源和熱站等日用輔助模塊，將冷熱源系統分散布置在各個生產模塊中，盡最大可能整合處于上下游流程的生產模塊，將注水、脫氧與化學品注入功能整合為一個注水加藥模塊。但是這樣的設計導致模塊層數的增加造成超高、超重等問題。在平臺的五個大模塊中，干重超過1 000 t以上有三個，平均高度達20 m左右，不僅增加了吊裝的難度，降低了平臺穩性，也導致了生產模塊之間的安全距離不足，需要通過增加防爆墻來實現風險控制的目標。而大量設置隔爆墻會導致平臺無法滿足危險氣體的擴散要求，一旦發生可燃性氣體泄漏導致火災、中毒氣體擴散和爆炸等，將直接危及操作人員的生命安全和設備的安全運行。

因此，合理確定防爆墻位置、正確識別判定泄漏概率、有效評估爆炸的災害，既能滿足有效隔離安全區和危險區的要求，又能保證有毒可燃氣體及時擴散，對爆炸產生的影響進行科學合理的分析，并采取有效的應對措施，是設計“希望6號”圓筒型FPSO的主要設計任務之一。

2 防爆墻設計

防爆墻是具有抗爆炸沖擊波的能力、能將爆炸的破壞作用限制在一定范圍內的墻體。通常，陸上的化工建筑結構設計中經常需要設置防爆墻，有鋼筋混凝土防爆墻、鋼板防爆墻、型鋼防爆墻和磚砌防爆墻。而常規船型FPSO可以滿足最小安全距離的要求，不需要設置防爆墻，導致圓筒型FPSO的防爆墻設計沒有先例可循。同時，針對爆炸風險分析通常缺少準確的定義和合理的描述，增加了防爆墻設計的難度。“希望6號”的防爆墻采用加強筋水平均布、強梁垂向均布支撐的板架結構，材料為AH36高強度鋼。為滿足模板布置需求而采用的折角型結構形式、與墻體兩端相連接的吊柱、以及與上建相連的水平桁共同構成了防爆墻的水平支撐，承受爆炸產生的沖擊載荷。防爆墻沿甲板加強筋方向布置，防爆墻的垂向強框結構與甲板強框結構對應相連，以保證載荷的有效傳遞，提高防爆墻底部的剛度和結構強度。在防爆墻表面涂有以環氧樹脂為原料的環氧防火涂料。環氧樹脂粘接力強、機械強度高，具有優良的耐化學腐蝕性、耐熱性、耐酸堿性、良好的電絕緣性和極佳的封閉性，阻燃成分不會遷移到涂層面，因此其防火性能受時間和環境的影響較小。環氧涂料的厚度為9 mm，滿足H-60級耐火分隔要求，并滿足全鹽潮濕環境的腐蝕要求。

經研究，導致爆炸發生的主要原因包括：通氣性差、生產模塊相對集中、有處理重烴的工藝、彎曲布邊（dog-legged）的防爆墻設置等，需要在設計中予以充分考慮。

如圖1所示，“希望6號”圓筒型FPSO的工藝甲板位于水平面36.5 m以上，為了預防由于可燃氣體爆炸導致的風險，初期的防爆墻設計將生產模塊區和生活模塊區隔離，P20和P30模塊之間隔離。由于工藝處理模塊相對集中地布置在靠近尾部區域，通過采用敏感性分析方法，初步確定該區域為“高”爆炸載荷區域。

圖1 “希望6號”圓筒型FPSO的工藝甲板水平示意圖

敏感性分析是指從眾多不確定性因素中找出對評價結果有重要影響的敏感性因素，并分析其對結果的影響程度。通過對防火墻的敏感度分析研究表明，增加的P20和P30模塊之間的防爆墻，合理有效的通風將被抑制。但移除防火墻，通風效果不僅沒有得到明顯改善，一旦任意模塊發生爆炸，更大的氣體云引起的爆炸沖擊波將導致爆炸風險的進一步增加，造成其他生產模塊失效。如何有效定量地識別“高”爆炸載荷，需要采用定量風險評價方法進行確定。

3 定量風險評價

定量風險評價（QRA，quantitative risk assessment）即概率風險評價，是通過對系統或設備失效概率和失效后果的嚴重程度進行量化分析，進而準確地描述系統風險。定量風險評價是一種技術復雜的風險評估方法，不僅要對事故的原因、場景等進行定性的分析，還要對事故發生的頻率和后果進行定量計算，并將量化的指標與可接受標準進行對比，提出降低或減緩風險的措施，重復計算直至確定采取風險減緩措施可以滿足風險標準的要求為止[1]。

QRA方法的核心是對事故發生概率和事故后果的擬合。對于“希望6號”圓筒型FPSO而言，天然氣的泄漏是引發相關的重大危險源發生火災、爆炸、中毒氣體擴散等事故的根源。事故發生概率首先取決于工藝裝置本身的失效概率，也就是泄露概率[2]。據統計，自2001年～2015年，無作業和人工干預條件下，挪威地區碳氫化合物泄漏事故中，29%是由設備自身原因導致的。因此，泄漏概率的確定對于定量風險評價至關重要。依托原挪威船級社的推薦方法，結合圓筒型FPSO的自身特點，設計中重點探討了工藝工程裝置泄漏概率的估算方法。

“希望6號”圓筒型FPSO的泄漏概率的確定程序如下：首先根據設備設施的實際情況確定典型泄漏尺寸，然后確定基礎泄漏概率，最后通過確定典型泄漏尺寸的泄漏概率判斷各個工藝模塊所在區域的爆炸可能性。

基礎泄漏概率主要來源于統計數據，泄漏的部件主要包括但不限于：靜設備容器、管道、動設備泵、壓縮機以及工藝閥門等。根據英國HSE規范要求公布的泄漏概率多數是按泄漏孔徑區間兩端給出，區間內的其他孔徑泄漏概率需要用差值公式求出。計算采用原挪威船級社 2005年公布的基礎泄漏概率的統計數據[3]，如表1所示。

表1 基礎泄漏概率

基于上述基礎泄漏概率數據，分析得到“希望6號”圓筒型FPSO的爆炸釋放頻率和事件的風險，見表2和圖2。

表2 爆炸釋放頻率和事件的風險

圖2 本地超壓事故頻率

根據上述分析結果可以看出初始設計的防爆墻存在工藝甲板爆炸載荷加載“高”的問題，為了降低爆炸風險，必須調整防爆墻設計方案。經研究，提出兩種解決方案，分別如圖3和圖4所示。

方案一：維持現有P20和P30之間的防火墻不變，改變現有防爆墻的走向，將P40作為輔助模塊和生產模塊區進行隔離；方案二：維持現有防爆墻走向不變，將P20和P30之間的防火墻延伸到主防爆墻區。通過對兩個方案爆炸模型和基本情況的分析，結合DNV QRA中允許近似量化參考值，得到爆炸超壓結果如圖5和圖6所示。

通過比對分析，采用方案一和方案二均可大幅度的降低“高”爆炸風險的概率，滿足設計要求。綜合評估兩個方案對修改量、成本和交貨期的影響，最終采用方案二作為最終設計方案。

4 結論

“希望6號”圓筒型FPSO甲板面積緊湊，防爆墻設計復雜。通過采用定量風險評價方法，確定防爆墻的位置大小以及形狀，消除重大安全風險，保障了人員的生命和設備安全。由于圓筒型 FPSO的防爆墻設計無先例可供參考借鑒，設計中需要重點考慮如下因素的影響。首先，防爆墻的位置不僅能夠有效隔絕爆炸，保護人員和設備安全，同時需要避免因防爆墻的設置不合理阻礙氣體通風擴散的情況發生。其次，要根據防爆墻設置區域的不同提供對應的解決方案，如果防爆墻設置在危險區域內，當爆炸危險發生后，應考慮爆炸沖擊波的影響；如果不在此區域內，應判斷是否可以按照防火墻進行設計。最后，防爆墻體在設計時應該采用防火材料，并且能夠滿足海洋工程的全鹽潮濕環境的腐蝕要求。

圖3 防爆墻設計方案一

圖5 防爆墻設計方案一的超壓事故頻率

圖6 防爆墻設計方案二的超壓事故頻率

[1]師立晨, 多英全, 曾明榮, 等. 安全措施在定量風險評價中量化表證的研究[J]. 中國安全生產科學技術,2010, 6(1): 73-77.

[2]于立見, 多英全, 師立晨, 等. 定量風險評價中泄漏概率的確定方法探討[J]. 中國安全生產科學技術,2007, 3(6): 27-30.

[3]SPOUGE J. New Generic Leak Frequencies for Process Equipment[J]. Process Safety Progress, 2005, 24(4):249-257.