海上平臺立管水下關斷閥恢復判定分析

(中國船級社海洋工程技術中心，天津 300457)

平臺立管和海底管道是井口油氣介質與外界聯系的樞紐，一旦發生泄漏，就可能引起平臺持續性火災或嚴重的爆炸，造成人員損傷、經濟損失和嚴重社會影響。平臺立管水下關斷閥(subsea shutdown valve,SSDV)的設置能夠實現對平臺近端立管和海底管線的隔離，以降低泄漏和火災爆炸后果。但SSDV及其控制系統成本高，且立管SSDV維修經常涉及到平臺停產，故當SSDV發生海水腐蝕故障或執行機構腐蝕故障時，是否對SSDV進行恢復是目前工程所面臨的主要問題。為此，從風險角度對上述SSDV恢復判定問題進行分析。

1 分析方法和相關要求法規對比

SSDV的恢復判定問題，其本質是SSDV分別在工作和故障狀態下的風險問題。當SSDV故障狀態下對平臺安全生產形成的風險業主無法接受，那么此SSDV必須恢復。

采用定量風險分析(QRA)形成SSDV風險分析方法流程，見圖1。

圖1 SSDV風險分析方法流程

首先進行風險辨識分析，查找英國HSE委員會的歷史統計數據庫PARLOC[1]中相關數據，分析與計算立管系統失效概率，基于計算流體力學(CFD)的FLACS[2-3]對平臺立管泄露進行定性后果仿真分析。依據文獻[4-5]提出的基于統計海上點火數據得到的點火概率模型查找點火概率，計算火災爆炸導致平臺坍塌的定量失效概率。根據平臺管理和人員布置情況，計算火災爆炸平臺定量潛在人命損失后果。結合風險可接受準則，判定SSDV風險等級，由業主考慮是否恢復SSDV。

相關法規、規范和標準歸納見表1[6-9]。

2 泄露頻率分析

海洋立管和海底管道數據庫為PARLOC2003是目前國際上公認的在立管和海管泄露方面比較權威的數據庫。PARLOC數據庫為英國HSE委員會多年對北海作業區管道發生泄露事故統計所得，且適用于常規鋼制立管和海底管道的失效概率預測分析。

海洋平臺立管泄漏主要集中頂部、飛濺區與海底位置，不同位置泄露概率不同，見表2。

表1 法規、規范和標準對SSDV的要求

表2 立管泄漏位置分布占比 %

立管泄露孔徑選擇和概率分布見表3、4。

表3 立管泄漏孔徑值選擇(全尺寸)

表4 立管泄漏的孔尺寸概率分布(全尺寸)

當可燃介質泄露時，點燃主要分為2種：①立即點燃，在人員能夠逃離該區域之前，在泄放開始后迅速點火; ②延遲點燃，由于氣體云在平臺上的漂移而導致點火源上點火延遲。根據點火延遲，可能會讓人員在火災發生之前逃生。

用于平臺上部事件的點火概率參考文獻[5]，見表5。

表5 通用點燃概率

對PARLOC 2003數據庫相關數據進行歸納整理得出表2、3、4，從表中結果可以看出立管失效事件20%發生在水上，80%發生在水下。

3 失效后果定量計算

1)個人風險(IRPA)。人員風險用每年個體風險(IRPA)表示。

IRPA=λ×β×P

(1)

式中：λ為平臺坍塌致死率，假設平臺坍塌導致的致死率為80%；β為平臺工作人員暴露頻率，根據中海油管理制度β取50%(基于4周工作，4周休息的工作模式)；P為火災爆炸平臺發生坍塌的概率。

2)潛在人命損失(PLL)指某種范圍內的全部人員在特定周期內可能蒙受某種風險的頻率。

(2)

式中：POB為平臺上人員配備數量。

人命風險可接受準則用于定量風險分析中的風險等級判定，此準則一般由業主制定或者風險評估機構制定由業主接受的準則，中海油潛在人命損失風險可接受準則見表6。

4 工程實例

南海2個深水天然氣生產平臺(以下簡稱1號平臺和2號平臺)位于惠州海域， 2號平臺通過6 in海底天然氣管把平臺天然氣輸送到1號平臺上。海底天然氣管道在其中1號平臺上進入生產模塊前已裝有一個關斷閥(現正常)，另外1號平臺立管水面下13 m處還裝有一個SSDV。其中后者SSDV屬于液壓驅動，平時保持常開狀態，在緊急情況或臺風撤離期間可保持關閉。目前該SSDV液壓控制裝置已失效，無法關閉，一直保持常開狀態。針對該SSDV進行恢復判定分析。

表6 潛在人命損失(PLL)風險可接受準則

注：yr代表數值為每年的概率值。

1號海洋平臺位于南海，屬于亞熱帶季風氣候。

4.1 海洋波浪和風況

海平面表面海水流動10年內平均流速為1.61 m/s，中層深度海水流速10年內平均流速為1.13 m/s，深層海水流速10年平均流速為0.49 m/s。

平臺所處區域為南海近惠州海域，受西南季風影響，風速約為5～7m/s，10年內出現的最大風速約38 m/s。

4.2 法規、規范和標準對1號平臺SSDV要求

2號平臺與1號平臺間海管兩端的SSDV設置情況：海管入口端關斷閥位于2號平臺；1號平臺海管出口端共設置了2個關斷閥，水上關斷閥處于工作狀態，具體位置位于1號平臺組塊下甲板，水下關斷閥即為此次故障的SSDV。

基于法規、規范和標準要求，對于海管進口和出口提出需設置關斷閥?！逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_安全規則》、中國船級社《海上油氣處理系統規范》、API 14C及《海上生產平臺上部設施安全系統的基本分析、設計、安裝和測試的推薦作法》均提出需設置關斷閥，但對于關斷閥數量和具體位置并未明確要求。

2號平臺海管入口端和1號平臺海管出口端均設置了關斷閥，且已滿足法規、規范和標準的要求。

4.3 泄露仿真分析

海洋立管可能發生立管水上泄漏或水下泄漏。水上泄漏點燃會產生噴射火，未燃燒的頂部泄漏可能產生氣云擴散，氣云附近的點火源可能會導致火災或爆炸；水下泄漏可能引起平臺附近產生池火，未燃燒的水下泄漏引起可燃性氣體云在海平面擴散，易燃氣云附近的點火源可能會導致火災。

根據1號平臺的布置圖進行FLACS仿真分析建模，模型見圖2。

圖2 1號平臺FLACS模型

平臺環境：根據1號平臺所在地區環境條件，平均風速5～7 m/s，D等級大氣穩定度。由于立管區域泄露造成的后果最為嚴重，為充分評估立管發生天然氣泄漏時帶來的危險性，現考慮20%可能發生泄漏的頂部位置為最嚴重的后果工況進行仿真分析。

4.3.1 可燃氣云燃爆過程動態分析

1號平臺兩關斷閥間20 m立管的天然氣量相對于2平臺間海管天然氣量可忽略，且不會對平臺造成影響。根據不同泄漏孔徑下可燃爆氣云體積，設置點火源，模擬cellar deck內部氣云燃爆情況，分析燃爆過程動態變化，截取內部關鍵設備設施爆炸超壓表面分布圖，見圖3。

圖3 立管頂部泄漏口燃爆過程動態分布

由燃爆過程動態變化可知，燃爆產生的沖擊波與高溫鋒面呈球形向外擴展，逐漸影響cellar deck內大部分設備設施以及upper deck頂部與底部部分設備。沖擊波與高溫鋒面整體向上發展，橫向由于防火墻的阻隔，未擴展到防火墻另一側。

4.3.2 不同泄漏孔徑下可燃氣云燃爆超壓對比分析

不同泄漏孔徑條件下燃爆超壓對比見圖4。

圖4 立管頂部不同泄漏孔徑內部設備燃爆超壓對比

由圖4可知，不同泄漏孔徑下，燃爆超壓最大值主要集中在管匯底部與分離器底部，部分超壓分布在頂部管道密集處。管匯作為cellar deck上天然氣集輸的主要設備設施，最大泄漏孔徑處形成的最大超壓可能造成該處設備的損傷，如不及時處理，會引發天然氣的泄漏，造成更加嚴重的后果。

4.4 SSDV失效概率

依據圖1的流程對該工程實例是否恢復SSDV進行分析，立管泄露火災爆炸概率見表7，其中的頻率為年度頻率。

表7 立管泄漏概率yr ×10-4

立管火災或爆炸引起導管架坍塌的整體風險見表8，其中火災或爆炸引起的導管架坍塌風險和人員風險概率均考慮了泄露方向概率和風向概率。

表8 立管泄漏引起平臺坍塌的風險概率yr ×10-6

4.5 SSDV失效后果

海上平臺油氣生產中，企業更為關注人員的安全風險。平臺個人風險概率為1.39×10-6。

本工程項目平臺上人員配備數量POB為100。平臺潛在人命損失概率為2.78×10-4。

5 結論

1)SSDV風險分析過程中，首先要滿足法規、規范和標準的要求，工程實例SSDV風險為中級風險，根據業主對風險的接受程度和成本要求，認為暫時不恢復此SSDV。

2)立管泄露引起的火災爆炸會影響井口至井口防火墻所圍區域的大部分設施設備以及平臺上工作人員，建議在井口區域盡量少設置含危險介質的設施設備，加強井口區域防火墻布置和危險介質泄露探測報警，杜絕井口區域點火源出現。

3)后續研究應考慮進行平臺立管泄露FLACS池火、噴射火和可燃介質云擴散分析。