基于故障樹分析的海上油田LPG罐區安全管理

林川,李林虎,謝修龍

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000)

液化石油氣(LPG)是一種無色透明的氣體混合物,其主要成分是丙烷(C3)和丁烷(C4),其體積占比超過95%,還通常含有丙烯、丁烯。LPG具有閃點低(一般低于-60 ℃)、燃點低(470～510 ℃)、爆炸下限低(爆炸極限2%～10%)、燃燒速度快(火焰傳播速度可達 2 000 m/s)等特點,泄露后遇火源瞬間發生燃燒爆炸。

液態LPG泄漏后極易氣化(1 m3液態可迅速氣化成250～300 m3氣態),與空氣混合后進而可形成2 500 m3以上的爆炸性混合氣體。氣態LPG比空氣的密度大,在低洼處聚集極其容易達到爆炸極限。近些年來,我國發生過因LPG 泄漏并燃燒爆炸引發的惡性事故,造成了較為嚴重的人員傷亡和財產損失,因此,LPG的安全管理需要引起足夠的重視。

南海某深水油田群的伴生氣氣量大,同時富含丙烷、丁烷。該油田群通過燃料氣處理系統,將液烴處理后,生產為合格的LPG,儲存到一定量后通過提氣輪銷售外輸。LPG的生產儲銷帶來了可觀的經濟效益,也最大可能減少了海上油田碳排放,但同時也存在較大的安全風險。主要通過故障樹分析法,結合該海上油田群FPSO生產儲存LPG的具體工藝工況,將LPG儲罐發生火災爆炸作為頂上事件,利用定性評價方式,計算出最小割集和結構重要度,從而確定導致LPG儲罐火災爆炸的主要基本事件,提出針對性更強的安全技術措施和安全管理措施,進一步提高海上油田LPG儲罐區的安全管理水平[1-5]。

1 研究背景

1.1 南海某深水油田群簡介

南海某深水油田群采用全水下開發生產模式,由3個水下油田與1艘FPSO組成,生產的井液通過海底管道輸送至FPSO集中處理。其中原油經上部模塊的工藝系統處理合格后儲存入原油艙,通過提油輪外輸;脫出的生產水進入生產水處理系統合格后直接外排;油田伴生氣通過燃料氣系統生產為LPG,剩余的伴生氣經過火炬分液罐后至火炬燃燒處理。

1.2 LPG工藝系統介紹

該深水油田群海上設施的LPG生產儲存系統主要包括LPG儲罐、脫乙烷塔、脫丁烷塔、LPG外輸泵等關鍵設備,每天能夠處理的LPG最大量為640m3,儲罐區域設計最大儲量為1 800 m3左右,是南海海域唯一一套LPG生產、儲存、外輸系統。

該生產系統的主要原料為油田群伴生氣,主要將C3、C4從中分離出來,生產過程的副產品C1、C2還可供設施鍋爐、發電機使用,C5以上的其他組分直接下到原油艙與油田群原油混合后外輸,提純后的液態C3、C4直接儲存在儲罐中,儲存達到一定量后,通過提氣輪進行外輸銷售。關于LPG系統的工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 LPG系統工藝流程

1.3 LPG存儲系統介紹

LPG主要存儲于4個臥式儲罐中(每個罐體積700 m3),應急情況下其中一個罐可以作為事故罐,如果在該區域發生了緊急情況,可以把有故障的罐倒空、隔離、泄壓保證其安全,將倒出的LPG臨時存放在事故罐中。根據LPG理化特征和日常實際儲量,其一旦發生泄露形成爆炸性混合物,同時遇到火源進一步發生火災、爆炸,后果將不堪設想。為此,在LPG儲罐區域4個儲罐上共設置有8套干粉滅火系統、4門消防水炮和8套水噴淋,并配備儀表探測系統,依據罐體上泄漏點的不同,使用對應的消防邏輯控制消防設備啟動。

本海上油田群FPSO配置的LPG儲罐均為常壓操作,設置有工藝流程關斷邏輯,同時配有安全閥、爆破片等泄壓安全附件,發生超壓物理性爆炸的可能性極低,故而本文僅分析LPG泄露后遇火源發生火災爆炸的事故場景。

2 建立海上油田LPG儲罐火災爆炸故障樹

2.1 故障樹分析法介紹

在現代安全系統工程學中,故障樹分析法(FTA)的應用十分廣泛,該分析法是通過設定一個不希望發生的后果(通常為一種事故類型),再從上到下地演繹出導致該后果的各種原因,通過邏輯門將表示后果和原因的各類事件連接起來,判斷出系統中導致該類后果的不利因素的基本事件集合。通過逐層分析,把故障原因和模式繪制成樹型圖。

一個故障樹圖從上到下包含了頂上事件、中間事件、基本事件三種類型。頂上事件位于整個故障樹的頂端,即要研究的事故類型;中間事件位于頂上事件下端和基本事件上端,通過邏輯門表達上下之間的關系;基本事件位于故障樹底端,通常為具體的故障點。

故障樹分析法是安全評價分析的有效手段,存在易于掌握、直觀明了、運用靈活等特點。繪制好故障樹后,引起頂上事件發生的所有故障模式都可以找到,進而求出最小割集和最小徑集,分析基本事件的結構重要性,判斷出引起LPG儲罐火災爆炸的主要因素,并以此為依據制定相應的安全控制措施。

2.2 LPG儲罐火災爆炸故障樹構建

構建故障樹是全面分析LPG儲罐火災爆炸原因的第一步,構建過程中還要充分考量海上油田生產設施的實際特點和要素。構建完成的故障樹及符號說明見圖2和表1。

表1 事件符號說明表

圖2 LPG儲罐火災爆炸故障樹

3 LPG罐區火災爆炸故障樹分析

3.1 求最小割集

故障樹中導致頂上事件發生的基本事件集合為割集。導致頂上事件發生的最低限度的割集稱之為最小割集,當最小割集中所有基本事件同時發生,頂上事件才會發生;最小割集中任何一個基本事件不發生頂上事件都不會發生,每個最小割集都代表著一種故障模式。本故障樹的最小割集,用布爾代數的形式求得結果如下:

T=X5X1+X7X1+X9X1+X5X2+X5X3+X5X4+X8X1+X7X2+X7X3+X7X4+X10X1+X9X2+X9X3+X9X4+X6X2+X6X3+X6X4+X8X2+X8X3+X8X4+X10X2+X10X3+X10X4+X6X1+X14X1X11+X12X1X13+X14X2X11+X14X3X11+X14X4X11+X12X2X13+X12X3X13+X12X4X13+X15X2X11+X15X3X11+X15X4X11+X15X1X11

本故障樹最小割集為36個,其中二階最小割集24個,三階最小割集12個。最小割集的階數越小,事故發生的可能性越大,故而這24個最小割集為系統的薄弱點。

3.2 基本事件的結構重要度分析

結構重要度分析的對象為基本事件,可以對基本事件按結構重要度系數進行排序,其順序就是對系統可靠性影響大小的順序。基本事件的結構重要度系數可用下式進行計算:

式中:Kj-第j個最小割集;Nj(j∈Kj)-底事件i位于Kj的底事件數;xi∈Kj-第i個底事件屬于第j個最小割集;IΦ(i)-第i個底事件的結構重要度系數。

按照上述公式,計算得出各基本事件的結構重要度系數如下所示:

IΦ(1)=IΦ(2)=IΦ(3)=IΦ(4)=0.111;IΦ(11)=0.074;IΦ(13)=IΦ(14)=IΦ(12)=IΦ(15)=0.037;

IΦ(5)=IΦ(7)=IΦ(9)=IΦ(8)=IΦ(10)=IΦ(6)=0.056;故可得出基本事件結構重要度排序為:X1=X2=X3=X4>X11>X7=X5=X9=X8=X10=X6>X13=X14=X12=X15。

因此,能夠判斷出導致海上油田LPG儲罐火災、爆炸的最關鍵因素為:LPG泄露、靜電聚集、明火及火花。

4 LPG罐區安全措施建議

根據故障樹分析結論,為了預防海上油田FPSO上部模塊LPG儲罐區發生火災和爆炸事故,首要重點是在于防止LPG泄露,其次要控制好著火源,特別是靜電、熱工明火等方面。結合該油田對于LPG罐區安全管理的實踐經驗,本文從安全管理措施和安全技術措施兩個方面提出了建議。

4.1 安全管理措施

重點從檢驗檢測、作業管理、人員管理等方面提出安全管理措施如下:

(1)實施“常態普檢、動態巡檢、狀態抽檢”的儲罐檢驗檢測計劃,重點關注對 LPG儲罐區域涉及到的焊縫、閥門、法蘭、管線開展全覆蓋檢測,同時跟蹤罐內防腐涂層狀態,及時發現設備設施、工藝流程中的薄弱環節,制定加強舉措,確保設備設施完整性和工藝過程安全性,避免罐體因腐蝕導致開裂或穿孔;

(2)充分運用海上油田FPSO構建“雙重預防機制”的成果文件實施風險分級管控,將LPG罐區作為紅區管理,建立健全嚴格的熱工作業分級審批制度,LPG儲罐運行期間,嚴禁明火熱工作業,非明火作業需提級審批并做好現場防火措施;

(3)生產工藝操作人員必須由技能熟練、熟悉操作規程、具備應急處置能力的人員擔任;該區域作業人員還應詳細了解作業風險及控制措施,并嚴格現場作業的工機具使用管理,比如在該區域開展作業時必須使用銅制工具,避免作業過程產生火花,所以需要配置全套銅制工具;

(4)制定《LPG儲存區域火災應急處置方案》《LPG儲罐罐頂部靠近罐體處法蘭發生氣相泄漏應急處置方案》《LPG儲罐罐底部靠近罐體處法蘭發生液相泄漏應急處置方案》等現場處置方案并在定期開展演練;

(5)罐區內設置好各類安全警示標志和紅區域危險告知牌,并配備足夠的便攜式消防器材、防泄漏應急物資、應急處置勞保用品(如防凍傷手套)。

4.2 安全技術措施

重點從監測系統、消防設施、安全附件等方面提出安全技術措施如下:

(1)LPG罐區安裝智能化光纖檢測系統、氣體泄漏檢測裝置、紅外攝像頭等技術裝備,提高可燃氣體泄漏檢測的靈敏度和精確度,在進入罐區的各個入口處加裝足夠的靜電釋放裝置,做好現場泄漏預警與火花防控;

(2)嚴格控制LPG儲存系數在0.9以下,每個儲罐灌頂垂直安裝2個安全閥及爆破片,確保超壓起跳正常,每年做好安全閥校驗年檢工作;該區域所有電氣設備需符合防爆等級,滿足GB50058的規定要求;

(3)LPG儲罐配置DCSESD系統用于緊急切斷,同時,儲罐還應設置用于監控液位、流量、壓力的儀器儀表,并實現信號的實時傳輸、顯示,以便操作值班人員監控,當發生緊急情況時,可以第一時間采取措施,防止事態擴大;

(4)LPG儲罐頂部設置注氮氣設施,罐底部設置注水設施,防止LPG大面積泄露和擴散聚集,并設置圍堰;所有儲罐需配置了上、下噴淋水消防設施、干粉滅火設施,用于LPG泄露后的稀釋、冷卻和著火后及時撲滅;鑒于海上油田FPSO結構緊湊,相鄰防火分區需使用消防水炮進行分隔。

5 結論與展望

(1)故障樹具有簡明扼要、直觀易懂等特點,能夠有效找出導致事故發生的基本事件,明確系統薄弱環節和管理重點,適用于海上油田LPG罐區火災爆炸分析并能夠為LPG罐區的安全管理措施提供方向和依據。

(2)結合海上油田設施實際情況,繪制LPG儲罐火災爆炸故障樹,該故障樹包含有15個基本事件,求得二階最小割集24個和三階最小割集12個,計算出結構重要度系數并由大到小進行排序,定性地判斷出LPG儲罐安全管理要點。

(3)重點從防止LPG泄露和控制罐區著火源出發,結合海上油田實際特點,提出針對性強的安全管理措施5大項和安全技術措施4大項。對于預防海上油田LPG罐區火災爆炸事故的發生,減少事故損失提供了一定的指導意義。