圓筒型FPSO防爆墻設(shè)計(jì)研究

趙志堅(jiān)

（中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連 116600）

0 引言

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置（floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO），兼具生產(chǎn)、儲(chǔ)油和卸油功能，是海洋工程生產(chǎn)裝備中的高技術(shù)產(chǎn)品。作為海洋石油開發(fā)系統(tǒng)的重要組成部分，F(xiàn)PSO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(chǎn)和運(yùn)輸系統(tǒng)。“希望6號(hào)”是中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司設(shè)計(jì)建造的圓筒型 FPSO，是我國海洋工程裝備制造企業(yè)承接的首個(gè)涵蓋設(shè)計(jì)、采購、建造的FPSO總包項(xiàng)目。由于圓筒型平臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，各向剛度相當(dāng)，幾乎沒有整體變形，結(jié)構(gòu)總體強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度與船型FPSO相比優(yōu)勢明顯。但是這帶來一個(gè)設(shè)計(jì)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(shè)置防爆墻，以保護(hù)工藝生產(chǎn)模塊安全運(yùn)行是圓筒型平臺(tái)設(shè)計(jì)必須面臨的挑戰(zhàn)。

1 上部模塊布置特點(diǎn)

“希望6號(hào)”圓筒型FPSO的甲板面積在4 800 m2左右，約為相同規(guī)模船型FPSO甲板面積的60%。居住區(qū)與生產(chǎn)模塊之間，生產(chǎn)模塊與輔助模塊之間，天然氣處理設(shè)備與原油生產(chǎn)設(shè)備之間的距離很近，潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。

基于上述原因，圓筒型FPSO設(shè)計(jì)中取消了常規(guī)FPSO獨(dú)立的冷源和熱站等日用輔助模塊，將冷熱源系統(tǒng)分散布置在各個(gè)生產(chǎn)模塊中，盡最大可能整合處于上下游流程的生產(chǎn)模塊，將注水、脫氧與化學(xué)品注入功能整合為一個(gè)注水加藥模塊。但是這樣的設(shè)計(jì)導(dǎo)致模塊層數(shù)的增加造成超高、超重等問題。在平臺(tái)的五個(gè)大模塊中，干重超過1 000 t以上有三個(gè)，平均高度達(dá)20 m左右，不僅增加了吊裝的難度，降低了平臺(tái)穩(wěn)性，也導(dǎo)致了生產(chǎn)模塊之間的安全距離不足，需要通過增加防爆墻來實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)控制的目標(biāo)。而大量設(shè)置隔爆墻會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)無法滿足危險(xiǎn)氣體的擴(kuò)散要求，一旦發(fā)生可燃性氣體泄漏導(dǎo)致火災(zāi)、中毒氣體擴(kuò)散和爆炸等，將直接危及操作人員的生命安全和設(shè)備的安全運(yùn)行。

因此，合理確定防爆墻位置、正確識(shí)別判定泄漏概率、有效評(píng)估爆炸的災(zāi)害，既能滿足有效隔離安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)的要求，又能保證有毒可燃?xì)怏w及時(shí)擴(kuò)散，對爆炸產(chǎn)生的影響進(jìn)行科學(xué)合理的分析，并采取有效的應(yīng)對措施，是設(shè)計(jì)“希望6號(hào)”圓筒型FPSO的主要設(shè)計(jì)任務(wù)之一。

2 防爆墻設(shè)計(jì)

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(nèi)的墻體。通常，陸上的化工建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要設(shè)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(guī)船型FPSO可以滿足最小安全距離的要求，不需要設(shè)置防爆墻，導(dǎo)致圓筒型FPSO的防爆墻設(shè)計(jì)沒有先例可循。同時(shí)，針對爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析通常缺少準(zhǔn)確的定義和合理的描述，增加了防爆墻設(shè)計(jì)的難度?！跋Ｍ?號(hào)”的防爆墻采用加強(qiáng)筋水平均布、強(qiáng)梁垂向均布支撐的板架結(jié)構(gòu)，材料為AH36高強(qiáng)度鋼。為滿足模板布置需求而采用的折角型結(jié)構(gòu)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(gòu)成了防爆墻的水平支撐，承受爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷。防爆墻沿甲板加強(qiáng)筋方向布置，防爆墻的垂向強(qiáng)框結(jié)構(gòu)與甲板強(qiáng)框結(jié)構(gòu)對應(yīng)相連，以保證載荷的有效傳遞，提高防爆墻底部的剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在防爆墻表面涂有以環(huán)氧樹脂為原料的環(huán)氧防火涂料。環(huán)氧樹脂粘接力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的耐化學(xué)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(huì)遷移到涂層面，因此其防火性能受時(shí)間和環(huán)境的影響較小。環(huán)氧涂料的厚度為9 mm，滿足H-60級(jí)耐火分隔要求，并滿足全鹽潮濕環(huán)境的腐蝕要求。

經(jīng)研究，導(dǎo)致爆炸發(fā)生的主要原因包括：通氣性差、生產(chǎn)模塊相對集中、有處理重?zé)N的工藝、彎曲布邊（dog-legged）的防爆墻設(shè)置等，需要在設(shè)計(jì)中予以充分考慮。

如圖1所示，“希望6號(hào)”圓筒型FPSO的工藝甲板位于水平面36.5 m以上，為了預(yù)防由于可燃?xì)怏w爆炸導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，初期的防爆墻設(shè)計(jì)將生產(chǎn)模塊區(qū)和生活模塊區(qū)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(qū)域，通過采用敏感性分析方法，初步確定該區(qū)域?yàn)椤案摺北ㄝd荷區(qū)域。

圖1 “希望6號(hào)”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(píng)價(jià)結(jié)果有重要影響的敏感性因素，并分析其對結(jié)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(fēng)將被抑制。但移除防火墻，通風(fēng)效果不僅沒有得到明顯改善，一旦任意模塊發(fā)生爆炸，更大的氣體云引起的爆炸沖擊波將導(dǎo)致爆炸風(fēng)險(xiǎn)的進(jìn)一步增加，造成其他生產(chǎn)模塊失效。如何有效定量地識(shí)別“高”爆炸載荷，需要采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行確定。

3 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（QRA，quantitative risk assessment）即概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，是通過對系統(tǒng)或設(shè)備失效概率和失效后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化分析，進(jìn)而準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種技術(shù)復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，不僅要對事故的原因、場景等進(jìn)行定性的分析，還要對事故發(fā)生的頻率和后果進(jìn)行定量計(jì)算，并將量化的指標(biāo)與可接受標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，提出降低或減緩風(fēng)險(xiǎn)的措施，重復(fù)計(jì)算直至確定采取風(fēng)險(xiǎn)減緩措施可以滿足風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的要求為止[1]。

QRA方法的核心是對事故發(fā)生概率和事故后果的擬合。對于“希望6號(hào)”圓筒型FPSO而言，天然氣的泄漏是引發(fā)相關(guān)的重大危險(xiǎn)源發(fā)生火災(zāi)、爆炸、中毒氣體擴(kuò)散等事故的根源。事故發(fā)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(jù)統(tǒng)計(jì)，自2001年～2015年，無作業(yè)和人工干預(yù)條件下，挪威地區(qū)碳?xì)浠衔镄孤┦鹿手校?9%是由設(shè)備自身原因?qū)е碌?。因此，泄漏概率的確定對于定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)至關(guān)重要。依托原挪威船級(jí)社的推薦方法，結(jié)合圓筒型FPSO的自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)探討了工藝工程裝置泄漏概率的估算方法。

“希望6號(hào)”圓筒型FPSO的泄漏概率的確定程序如下：首先根據(jù)設(shè)備設(shè)施的實(shí)際情況確定典型泄漏尺寸，然后確定基礎(chǔ)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(gè)工藝模塊所在區(qū)域的爆炸可能性。

基礎(chǔ)泄漏概率主要來源于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，泄漏的部件主要包括但不限于：靜設(shè)備容器、管道、動(dòng)設(shè)備泵、壓縮機(jī)以及工藝閥門等。根據(jù)英國HSE規(guī)范要求公布的泄漏概率多數(shù)是按泄漏孔徑區(qū)間兩端給出，區(qū)間內(nèi)的其他孔徑泄漏概率需要用差值公式求出。計(jì)算采用原挪威船級(jí)社 2005年公布的基礎(chǔ)泄漏概率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[3]，如表1所示。

表1 基礎(chǔ)泄漏概率

基于上述基礎(chǔ)泄漏概率數(shù)據(jù)，分析得到“希望6號(hào)”圓筒型FPSO的爆炸釋放頻率和事件的風(fēng)險(xiǎn)，見表2和圖2。

表2 爆炸釋放頻率和事件的風(fēng)險(xiǎn)

圖2 本地超壓事故頻率

根據(jù)上述分析結(jié)果可以看出初始設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)，必須調(diào)整防爆墻設(shè)計(jì)方案。經(jīng)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(xiàn)有P20和P30之間的防火墻不變，改變現(xiàn)有防爆墻的走向，將P40作為輔助模塊和生產(chǎn)模塊區(qū)進(jìn)行隔離；方案二：維持現(xiàn)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(qū)。通過對兩個(gè)方案爆炸模型和基本情況的分析，結(jié)合DNV QRA中允許近似量化參考值，得到爆炸超壓結(jié)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(fēng)險(xiǎn)的概率，滿足設(shè)計(jì)要求。綜合評(píng)估兩個(gè)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(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

“希望6號(hào)”圓筒型FPSO甲板面積緊湊，防爆墻設(shè)計(jì)復(fù)雜。通過采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，確定防爆墻的位置大小以及形狀，消除重大安全風(fēng)險(xiǎn)，保障了人員的生命和設(shè)備安全。由于圓筒型 FPSO的防爆墻設(shè)計(jì)無先例可供參考借鑒，設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)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(hù)人員和設(shè)備安全，同時(shí)需要避免因防爆墻的設(shè)置不合理阻礙氣體通風(fēng)擴(kuò)散的情況發(fā)生。其次，要根據(jù)防爆墻設(shè)置區(qū)域的不同提供對應(yīng)的解決方案，如果防爆墻設(shè)置在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)爆炸危險(xiǎn)發(fā)生后，應(yīng)考慮爆炸沖擊波的影響；如果不在此區(qū)域內(nèi)，應(yīng)判斷是否可以按照防火墻進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，防爆墻體在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采用防火材料，并且能夠滿足海洋工程的全鹽潮濕環(huán)境的腐蝕要求。

圖3 防爆墻設(shè)計(jì)方案一

圖5 防爆墻設(shè)計(jì)方案一的超壓事故頻率

圖6 防爆墻設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中量化表證的研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2010, 6(1): 73-77.

[2]于立見, 多英全, 師立晨, 等. 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中泄漏概率的確定方法探討[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2007, 3(6): 27-30.

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