CN106934524A - 一种海洋油气平台爆炸事故后果量化评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋油气平台爆炸事故后果量化评估方法，依次进行危险源辨识、爆炸概率计算、建立几何模型，并进行风况确定、泄露单元划分、泄漏位置确定、泄露速率计算、泄露时间计算，再进行事故模拟和后果分析，对海洋油气平台爆炸事故进行定量模拟，以便为有效降低事故风险提供数据上的支持。本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，借鉴国内外浅海油气开发风险分析的理论研究和实践经验，综合考虑胜利浅海平台风险现状，研究适合海洋平台重大事故风险分析及事故模拟的关键技术，提出适用于我国海洋环境的爆炸事故定量模拟分析方法，为海上油气持续稳定生产提供安全技术支持，使未来的海洋油气开发更加安全经济。

Description

一种海洋油气平台爆炸事故后果量化评估方法

技术领域

本发明涉及石油工业安全生产领域，尤其涉及一种海洋油气平台爆炸事故后果量化评估方法。

背景技术

随着人类社会的发展，全球油气需求量激增，陆上油气田先后进入高含水、低产能阶段，陆上油气资源日渐枯竭，与此同时，我们对海洋油气资源的开发利用还是很有限的。为了保证社会发展，全球范围内油气资源开发重点开始转向海洋。

我国从1993年开始出现石油对外依赖，1996年石油对外依存度迅速增至11.1%，2002年扩大到32.9%，2009年超过50%，达到51.2%，2015年更是达到60.6%；天然气对外依存度也从2010年的11.3%达到2015年的38%。可以预见，未来随着我国经济的继续发展，我国油气对外依存度将进一步提高。因此，加快海洋油气开发有利我国能源安全与社会发展需求。

海上油气生产始于20世纪40年代，随着勘探开发技术的进步，逐渐向深水领域推进，目前已经形成美国墨西哥湾、巴西和南非三个传统深水油气区。我国南海也拥有丰富的油气资源，必然是我国海洋油气开发的发力点之一。深海油气开发是大势所趋，但由于深海海洋油气环境更加恶劣，同时由于我国海洋油气勘探开发技术水平与国际先进水平仍有一定差距，因此在未来的一段时间内，水深500m以内的浅海油气开发，包括边际油田和小油田仍是我国油气增产的重要阵地之一。

海洋平台作为海洋油气开发的主要设施，由于结构紧凑、活动空间小、人员密度高，所涉及的物料具有高温高压、易燃易爆、有毒有害和连读存在的特性，浅海海洋环境复杂多变等，很容易发生井喷、火灾爆炸等事故，往往造成灾难性后果并引发多米诺效应。近年来国外多次发生海洋平台重大事故，仅2015年第1季度就有3起海上油气火灾爆炸事故，造成7人死亡，6人失踪，16人重伤；以墨西哥湾为例，从2001年开始，墨西哥湾共发生858起火灾或爆炸事故，69人在海上作业时死亡，1349人受伤。

如何更有效的降低事故风险已经成为海洋油气开发面临的关键问题。挪威是最早系统应用海上油气开采量化风险评估的国家，1981年挪威石油管理部门颁布的海洋平台安全评估规范要求所有新的海上设施必须在概念设计阶段进行定量风险评估，随后几年挪威又颁布了新的风险评估规范和NORSOK规范来取代旧的风险评估规范和统一石油行业的规范；1992年以后，英国为更好的开发北海油气资源，规定所有的海洋石油设施的设计和现有结构性能评估均应进行风险评估方法，此后10年间，英国海洋石油工业的事故发生率减少了50%；近年来，各国都不断颁布法规并不断修正来强化风险量化评估在海洋油气开发安全风险预防的重要性，现已有英国、加拿大、澳大利亚以及挪威等国立法要求海上设施的设计和作业中应用量化风险评估。与国际上相关进展相比，我国海洋石油工程领域的风险评估还处起步阶段，目前应用大多停留在定性风险评价，同时，国内还存在类似于英国在PiperAlpha灾害之前对风险量化评估技术的怀疑主义思潮，导致我国的量化评估技术没有在海洋石油工程领域得到应有的发展。

近年来随着我国海上勘探开发规模和速度的提升，大量新技术新设备投入使用，需要分析其对油气开发风险的影响水平；同时，现有平台设备由于所处环境恶劣和自身缺陷等原因，暴露出大量安全隐患(如设备设计不合理、设备老化和布局不合理引发的火灾隐患、井喷隐患等)，增加了海洋油气开发的风险。然而，由于我国海洋结构风险评估工作起步较晚，且并不系统，尚未形成具有通用性的海洋结构物的风险评估技术，而我国海洋油气开发面临严峻的安全形势，因此亟需开展针对海洋油气开发的风险分析工作。

发明内容

本发明是针对现有技术所存在的不足，借鉴国内外浅海油气开发风险分析的理论研究和实践经验，综合考虑胜利浅海平台风险现状，研究适合海洋平台重大事故风险分析及事故模拟的关键技术，而提出的适用于我国海洋环境的一种海洋油气平台爆炸事故后果量化评估方法。

本发明的技术方案为：依次进行危险源辨识、爆炸概率计算、建立几何模型，并进行风况确定、泄露单元划分、泄漏位置确定、泄露速率计算、泄露时间计算，再进行事故模拟和后果分析，对海洋油气平台火灾爆炸事故进行定量模拟，以便为有效降低事故风险提供数据上的支持。

具体为，本发明提供了一种海洋油气平台爆炸事故后果量化评估方法，包括以下步骤：

步骤1：对海洋油气平台的潜在危险源进行辨识，主要从泄漏源和点火源两方面展开，海洋平台的潜在泄漏源包括但不限于管线、阀门、各类含油气设备（如压缩机、分离器、热处理器、撇油器）、各类油气罐（如污液罐、储油罐、储气罐）、各种泵、套管、工作管柱、立管、放空系统、采油树，海洋平台潜在的点火源包括但不限于设备热表面、发动机排气热、发动机齿轮火花、发电机排气热、焊接熔渣、焊接火花、电气火花、机械火花、撞击火花、静电火花及雷击；

步骤2：进行爆炸频率计算，并确定可接受风险下限，如果泄漏单元发生爆炸的概率小于该下限，则认为该泄漏单元的爆炸风险很小，无需开展爆炸定量分析，反之则开展爆炸定量分析；

步骤3：几何模型建立及网格划分，以要分析的海洋平台基本外形尺寸为基础，进行三维外形几何模型的建立；

步骤4：根据气体扩散模拟得到对应云团尺寸：

步骤4-1：风况确定，具体的风速、风向等风况参数应根据研究对象所处地区气象资料确定；

步骤4-2：泄漏单元划分，泄漏单元划分主要依据设备的自然布置、ESD阀门或具有切断功能的阀门进行划分；

步骤4-3：泄漏位置确定，根据分析对象的工艺流程和危险辨识结果，确定可能发生泄漏的工艺设施，采用无损探伤、FMEA及参考历史事故数据等方法确定设备的具体泄漏位置；

步骤4-4：泄漏速率计算，根据泄漏单元设备压力、泄漏孔形状、物料密度等，可以确定不同尺寸泄漏孔径的液体和气体泄漏初始速率；

步骤4-5：泄漏时间计算，泄漏持续时间主要由初始泄漏、探测到泄漏、ESD启动、阀门关断和放空启动等时间确定；

步骤5：爆炸模拟，引入点火源，在爆炸事故中，点火源的位置及点火时间直接影响事故后果的严重程度；

步骤6：爆炸后果分析。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，借鉴国内外浅海油气开发风险分析的理论研究和实践经验，综合考虑胜利浅海平台风险现状，研究适合海洋平台重大事故风险分析及事故模拟的关键技术，提出适用于我国海洋环境的火灾爆炸事故定量模拟分析方法，为“十三五”期间海上油气持续稳定生产提供安全技术支持，使未来的海洋油气开发更加安全经济。

附图说明

图1为海洋平台爆炸事故定量模拟方法分析流程；

图2为油气以外泄露发展事件树；

图3为泄露时间组成；

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

本实施例是一种海洋油气平台火灾事故模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：危险源辨识

在进行海洋平台爆炸定量分析前，首先要对海洋平台的潜在危险源进行辨识，主要从泄漏源和点火源两方面展开，主要方法有HAZID、HAZOP、FMEA、Bow-Tie、事件树、事故树等方法。

海洋平台根据功能不同分为钻井平台、生产平台、生活平台、储油平台、近海平台等，有不同的功能模块系统，主要包括钻井系统、生产系统、动力系统、电气控制系统、舾装系统、系泊系统、储存系统及外输系统等。基于历史事故数据（如美国安全与环境执行局(BSEE)公布的爆炸事故数据），海洋平台的潜在泄漏源包括但不限于管线、阀门、各类含油气设备（如压缩机、分离器、热处理器、撇油器）、各类油气罐（如污液罐、储油罐、储气罐）、各种泵、套管、工作管柱、立管、放空系统、采油树等。具体泄漏设备应根据相应平台利用危险源辨识方法进行具体辨识。

海洋平台潜在的点火源包括但不限于设备热表面、发动机排气热、发动机齿轮火花、发电机排气热、焊接熔渣、焊接火花、电气火花、机械火花、撞击火花、静电火花及雷击等。具体点火源应根据相应平台利用危险源辨识方法进行具体辨识。

步骤2：爆炸频率计算

采用(1) 事故树、事件树、贝叶斯分析等方法，(2) HSE、DNV等的历史事故数据库，(3)Leak等软件的计算，这三种方法可以计算得到潜在泄漏单元发生爆炸的概率。

根据ALARP原则，确定可接受风险下限，如果泄漏单元发生爆炸的概率小于该下限，则认为该泄漏单元的爆炸风险很小，无需开展爆炸定量分析，反之则开展爆炸定量分析。

步骤3：几何模型建立及网格划分

以要分析的海洋平台基本外形尺寸为基础，采用FLACS前处理器CASD进行三维外形几何模型的建立。主要遵守以下原则：

(1) 以海洋平台外部空间外形为目标，忽略研究对象内部结构，对重要设备设施进行模型构建。

(2) 由于平台拥塞度对爆炸超压影响很大，所以建模时应保证平台拥塞度。保证平台拥塞度的方法有两个：①对主要结构、设备、管线建立1:1模型；②采用等效的方法，将复杂的结构设备等等效为相应拥塞度的管线，一般为1㎡布置3m管线。

(3) 在CFD事故后果模拟中，计算网格的划分是非常重要的组成部分，直接决定计算结果的准确性和精确度，在网格一致性分析的基础上，核心区域采用较小的网格进行划分，扩展区域采用相对较大的网格，以便减少计算时间，提高计算效率。

步骤4：云团分析的主要目的是根据气体扩散模拟得到对应云团尺寸。

如图2所示，结合平台所处海域环境状况（风频、风速等）进行不同风况、泄漏速率、泄漏位置、泄漏时间等组合工况下的扩散模拟，

步骤4-1：风况确定

具体的风速、风向等风况参数应根据研究对象所处地区气象资料确定。

步骤4-2：泄漏单元划分

泄漏单元划分主要依据设备的自然布置、ESD阀门或具有切断功能的阀门进行划分，泄漏单元划分时做以下规定：

（1）气相泄漏单元导致的火灾类型为喷射火，液相发生泄漏后导致的火灾类型主要为喷雾火和池火，通常情况下，压力泄漏单元发生泄漏形成的喷雾火在热辐射通量、火焰尺寸和形状上与喷射火相似，因此，假设泄漏单元形成的火灾类型主要为喷射火和池火。

（2）同一泄漏单元应保证工艺操作参数（物料组成、温度、压力等）一致，不一致的应继续划分为一系列泄漏子单元，同时对可燃物料存量低于100kg的泄漏单元，认为其火灾后果有限，无需进行进一步火灾定量分析。

步骤4-3：泄漏位置确定

泄漏位置对事故后果规模和影响范围有一定影响，根据分析对象的工艺流程和危险辨识结果，确定可能发生泄漏的工艺设施，采用无损探伤、FMEA及参考历史事故数据等方法确定设备的具体泄漏位置。

步骤4-4：泄漏速率计算

泄漏速率是影响事故后果严重性的主要因素，对泄漏速率的研究有助于事故的有效控制，可为泄漏后扩散、风险评估提供依据。泄漏速率主要与泄漏孔径和泄漏孔形状有关。

根据API RP 581标准，按照泄漏孔径的大小不同，将工艺泄漏分为小、中、大和破裂四种类型，如表1所示。

表1 不同泄漏孔径

泄漏类型	范围(in)	典型泄漏孔径(in)
			小孔泄漏	0~1/4	1/4
中孔泄漏	1/4~2	1
			大孔泄漏	2~6	4
破裂	>6	部件整个直径，最大16in

根据泄漏单元设备压力、泄漏孔形状、物料密度等，依据AQT3046标准，可以确定不同尺寸泄漏孔径的液体和气体泄漏初始速率，具体公式及适用条件见《AQT3046-2013化工企业定量风险评价导则》。

步骤4-5：泄漏时间计算

泄漏持续时间主要由初始泄漏、探测到泄漏、ESD启动、阀门关断和放空启动等时间确定，参见图3。

T1：从泄漏发生到该泄漏被探测到的时间。泄漏类型不同时间也不同、泄漏位置、探测器密度等也会影响该参数；

T2：从探测到泄漏至ESD启动的时间；

T3：关断启动至阀门完全关闭的时间；

T4：ESD阀门完全关断至放空开始启动的时间。

根据各泄漏单元小型泄漏、中型泄漏、大型泄漏和破裂场景下的泄漏速率和泄漏持续时间，排除掉泄漏时间小于1min的泄漏类型。

步骤4-6：在完成气体扩散模拟之后，即可根据模拟得到的气体分布情况进行爆炸模拟，但在多种泄漏场景下计算量会非常大，基于时间和经济性，可以采用化学当量比气云体积估算法来减少模拟数量。

化学当量比气云体积估算法将模拟得到的大尺度、非均质的真实气云转换为小尺度、均质的化学当量比气云，该数据可通过FLACS软件直接提取Q9得到，其形状为长方体，尺寸应遵循以下原则：

(1) 在非受限空间，化学当量比气云长宽高比例为1:1:1。

(2) 对于只存在顶部空间受限，四周不受限的空间，化学当量比气云长宽高比例为2:1:1。

(3) 对于顶部受限，同时四周有一边受限的空间，化学当量比气云长宽高比例为2:2:1。

步骤5：爆炸模拟

引入点火源，在爆炸事故中，点火源的位置及点火时间直接影响事故后果的严重程度。

点火源的位置会影响爆炸超压分布，根据危险源辨识结果确定点火源位置。

点火源引入的时间影响气体云体积，从而影响爆炸超压。当出现以下其中一种情况时，引入点火源：

(1) 物料泄漏结束；

(2) 当可燃气云体积达到动态平衡。

步骤6：爆炸后果分析

爆炸是后果十分严重的事故，爆炸发生时，气体云在极短时间内迅速点燃，体积急剧膨胀并对外做功，引起周围环境压力显著升高，压力冲击波向外传播遇到障碍物后由爆燃转变成爆轰，从而导致更加严重的破坏。

爆炸会产生多种破坏效应，如热辐射、冲击波、一次破片效应、容器残余变形能量和有毒气体产物等，其中冲击波最危险、破坏力最强。冲击波的伤害与破坏作用主要是由超压引起的。根据不同事故类型选择判定标准进行后果分析，超压对人和建筑物的危险性判别标准见表2和表3。

表2 爆炸超压对人的伤害

表3 爆炸超压对建筑物的破坏

本发明未经描述的技术特征能够通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种海洋油气平台爆炸事故后果量化评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对海洋油气平台的潜在危险源进行辨识，主要从泄漏源和点火源两方面展开，海洋平台的潜在泄漏源包括但不限于管线、阀门、各类含油气设备（如压缩机、分离器、热处理器、撇油器）、各类油气罐（如污液罐、储油罐、储气罐）、各种泵、套管、工作管柱、立管、放空系统、采油树，海洋平台潜在的点火源包括但不限于设备热表面、发动机排气热、发动机齿轮火花、发电机排气热、焊接熔渣、焊接火花、电气火花、机械火花、撞击火花、静电火花及雷击；

步骤2：进行爆炸频率计算，并确定可接受风险下限，如果泄漏单元发生爆炸的概率小于该下限，则认为该泄漏单元的爆炸风险很小，无需开展爆炸定量分析，反之则开展爆炸定量分析；

步骤3：几何模型建立及网格划分，以要分析的海洋平台基本外形尺寸为基础，进行三维外形几何模型的建立；

步骤4：根据气体扩散模拟得到对应云团尺寸：

步骤4-1：风况确定，具体的风速、风向等风况参数应根据研究对象所处地区气象资料确定；

步骤4-2：泄漏单元划分，泄漏单元划分主要依据设备的自然布置、ESD阀门或具有切断功能的阀门进行划分；

步骤4-3：泄漏位置确定，根据分析对象的工艺流程和危险辨识结果，确定可能发生泄漏的工艺设施，采用无损探伤、FMEA及参考历史事故数据等方法确定设备的具体泄漏位置；

步骤4-4：泄漏速率计算，根据泄漏单元设备压力、泄漏孔形状、物料密度等，可以确定不同尺寸泄漏孔径的液体和气体泄漏初始速率；

步骤4-5：泄漏时间计算，泄漏持续时间主要由初始泄漏、探测到泄漏、ESD启动、阀门关断和放空启动等时间确定；

步骤5：爆炸模拟，引入点火源，在爆炸事故中，点火源的位置及点火时间直接影响事故后果的严重程度；

步骤6：爆炸后果分析。