基于本質(zhì)安全和量化分析的海洋平臺總體布置

邵光帥

(中國石化石油工程設計有限公司,山東東營 257061)

海洋平臺特別是大型綜合處理平臺，作為海上油氣田開發(fā)的關鍵裝備和大型構筑物，具有空間緊湊、設備設施密集程度高等突出特點，一旦出現(xiàn)安全事故，危害嚴重，影響較大。另外，海洋平臺涉及結構、工藝、機械、電氣、海管、海纜等多專業(yè)，項目的實施包含設計、預制、海上安裝、生產(chǎn)運行維護等各階段，具有明顯的交叉性和復雜性，風險防控點多面廣，這對安全性提出了更大挑戰(zhàn)和要求。尤其是海洋平臺設計作為工程項目的源頭，提高本質(zhì)安全對整個工程至關重要，形成一套系統(tǒng)性、理論化、標準化的設計安全管理方法尤為必要和緊迫。

1 海洋平臺的本質(zhì)安全

按照石油行業(yè)內(nèi)對本質(zhì)安全的定義，本質(zhì)安全通常是指采用無危險性物料和工藝條件來消除危險，而不是依靠控制系統(tǒng)、聯(lián)鎖、報警和工作程序來終止初始事件。為了確保海洋平臺的本質(zhì)安全，有必要通過設計手段使生產(chǎn)設備或生產(chǎn)系統(tǒng)本身在源頭就具有安全性，即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下，也不會造成人員和生產(chǎn)事故。本質(zhì)安全能夠體現(xiàn)“預防為主”、“防控結合”的風險防控和安全管理理念。基于有效風險分析的合理可行的安全設計，從工程項目完整性管理的角度來看，考慮全生命周期也是綜合成本最經(jīng)濟的，符合國家和投資者的長期利益。因此基于本質(zhì)安全的設計，不僅具有安全效益，同樣具有良好的經(jīng)濟效益。

海洋平臺設計，不僅是指物料和工藝本身，還涉及到平臺結構、方位設計、分區(qū)布置、重控、干涉分析等總體布置和結構設計相關的內(nèi)容。海洋平臺結構設計按照相關規(guī)范，在環(huán)境荷載的重現(xiàn)期、設計余量等方面通常都考慮了較大的安全系數(shù)。從設計理念和具體操作層面，已經(jīng)按照本質(zhì)安全的理念去執(zhí)行，重點需要結合總體布置做好海上安裝、結構重控等高風險因素的把控。本文也將重點針對總體布置、工藝安全等方面進行闡述。

2 總體布置的本質(zhì)安全設計[1]

由于海洋平臺功能不同，上部設施種類不同，會影響到平臺布置需要考慮的因素。從布置原則上講，海洋平臺總體布置的安全性設計需要考慮以下幾個方面的要素，應在設計過程中嚴格逐項核實是否滿足安全要求。

2.1 鉆修井裝備的安全性適應評估

海洋平臺總體布置時需要根據(jù)鉆井部門確定的鉆修井方案對平臺功能定位進行區(qū)分，針對不同的鉆修井模式，平臺整體布局差別很大。這不僅僅是為了滿足鉆修井作業(yè)本身的功能性要求，也是為了滿足鉆修井作業(yè)的安全性要求，并考慮到鉆修井與平臺建造、生產(chǎn)交叉作業(yè)的安全要求。對于鉆井平臺的就位必須充分考慮到插樁作業(yè)對海洋平臺樁基穩(wěn)定性的影響，同時考慮到就位后與樁及上部組塊的安全距離，必要時應進行精就位專題分析和模擬推演。在鉆井平臺實施鉆修井作業(yè)時，應考慮到電氣、柴油、排放等系統(tǒng)的共用和相互影響可能引起的風險。

2.2 立管、護管的安全設計

海洋平臺總體布置時需結合所在油氣田整體開發(fā)，考慮海管、海纜、水下安防、泵護管等功能需要，合理設置立管、護管位置，并結合周邊油氣田開發(fā)規(guī)劃充分考慮后期預留立管和護管的布置。在設計立管、護管時，尤其是在東海南海等環(huán)境較為惡劣的海域，應盡量讓其沿主結構樁腿內(nèi)側布置，盡量避免沿導管架面布置。這樣可以有效規(guī)避船舶碰撞的風險，確保立管、護管的本質(zhì)安全。對于為了滿足后期開發(fā)要求預留在導管架外側布置的護管，需要在結構設計上采取額外的保護措施。

根據(jù)QRA等量化分析的結果來看，對于海洋平臺，立管為重要保護對象。立管一旦出現(xiàn)泄漏將會造成大量烴類物質(zhì)泄漏，引起環(huán)境和安全事故。因此通常將立管區(qū)別于其他油氣介質(zhì)管道，單獨布置在防火防爆墻的非危險區(qū)一側。經(jīng)過FEA評價很多時候需要對立管自SDV至飛濺區(qū)實施PFP(被動防火保護)，降低因烴類火災引發(fā)立管破裂或SDV無法執(zhí)行切斷動作等引發(fā)大規(guī)模環(huán)境和安全事故的概率。

2.3 分區(qū)布置的安全性和隔離設計

由于海洋平臺空間非常有限，不同于陸地油氣田和廠區(qū)裝置采用強制性防火距離進行物理上的風險分隔，海洋平臺總體布置主要遵循分區(qū)布置的原則。井口平臺從區(qū)域功能上主要分為：井口區(qū)、油氣生產(chǎn)區(qū)、公用設備區(qū)、裝卸作業(yè)區(qū)、鉆修井區(qū)、生活區(qū)和預留區(qū)等?？偟姆謪^(qū)原則是按照主要功能進行立面布置，按照危險等級遞減原則進行平面布置。

從立面來看，各層甲板的功能盡量獨立，但也需要考慮部分系統(tǒng)的設備上下布置更合理的需要。從平面來看，除了按照不同功能分區(qū)、危險性順序布置，有效分隔生活區(qū)域與生產(chǎn)區(qū)域、點火源與可燃介質(zhì)儲存區(qū)域外，還通常使用分隔墻、防火墻或防火防爆墻將危險區(qū)和非危險區(qū)進行物理分隔，并同時考慮設備和功能定位的互相影響和發(fā)生事故時的危害程度進行功能區(qū)域的非物理分隔。通常使用防火或防爆墻對危險區(qū)和非危險區(qū)進行分隔，如井口區(qū)與油氣生產(chǎn)區(qū)的分隔，油氣生產(chǎn)區(qū)與公用設備區(qū)的分隔。圖1為某海洋平臺采用防火防爆墻的情況。

圖1 某海洋平臺防火防爆墻設置

該平臺底層甲板井口區(qū)東側、中層甲板生產(chǎn)區(qū)與公用區(qū)之間、生活樓靠近井口區(qū)的一側三處設置了防火防爆墻。對于天然氣生產(chǎn)平臺，通常采用H60級防爆墻，防爆墻的防爆耐壓等級則需通過FEA進行量化安全分析得出。

2.4 人員逃救生安全設計

人員安全是本質(zhì)安全最重要的考慮內(nèi)容，在海洋平臺設計時應優(yōu)先確保人員安全。逃救生設計作為直接關系到人員安全的方面，是海洋平臺總體布置考慮的重要因素。對于常規(guī)的設計因素筆者不再贅述，只就較為特殊和容易疏忽的因素進行闡述。

除必須滿足標準規(guī)范對逃生通道寬度高度、逃救生設備配備數(shù)量的要求外，特別需要注意的是逃生集合區(qū)的設計，面積、位置應滿足逃生時人員集合和有序逃離需要。另外在平臺逃生路線設計上，應盡量考慮風向對火災擴散的影響，平臺各層梯道的布置方位在滿足結構設計要求的同時，盡量使人員逃生方向沿最小風頻的上風向。同時結合FEA分析對爆炸和火災模擬的情況，逃生通道的設計應盡量遠離受直接影響的區(qū)域，為人員逃生創(chuàng)造更多時間和可能，因此通常防火防爆墻的危險區(qū)一側逃生通道應盡可能短、直且必須充分考慮人員實際逃生時的便利和快捷，附近設備的人孔、加熱設備抽芯等應盡量避免布置在該側，防止在設備檢修時人員逃生受阻。對于從生活模塊通向靠船排和直升機甲板的梯道，則需要考慮擔架的通行寬度和轉彎要求。

2.5 檢修設備設施的安全設計

在海洋平臺上為了滿足操作維護要求，通常需要設置包括吊機、小車葫蘆、吊點等檢修設備設施。在總體布置時，吊機的安全設計是非常重要的一項工作內(nèi)容。一方面要滿足吊機的覆蓋范圍和吊重能力等功能性要求，另一方面必須考慮到吊機對結構施加的動荷載引起平臺受力和重控的要求，通常把吊機設計在主立柱上或通過斜撐與主立柱相連。

還特別需要注意吊機在立面設計上與直升機甲板的關系，吊機立柱和休息臂的高度應考慮直升機抵離扇形區(qū)域的高度要求。通常為了確保安全，吊機臂放置在休息臂上的最遠端不應超過直升機甲板中心。另外，吊鉤必須要進行妥善的固定，它的位置也不宜位于常用通道尤其是逃生通道的上方。

2.6 物流能流走向的安全設計

在設備布置時，應同時兼顧后期管網(wǎng)布置走向要求，避免危險介質(zhì)系統(tǒng)的管線穿過無關的非危險區(qū)，減少危險源擴散范圍對人員和公用系統(tǒng)設備安全的影響。在前期進行總體布置時，有必要根據(jù)設備位置和工藝介質(zhì)走向對主管網(wǎng)進行初步規(guī)劃，在規(guī)劃的同時進一步檢查危險工藝介質(zhì)的物流走向是否符合安全要求。對于平臺群的總體布置更要特別注意，除了危險介質(zhì)管道盡量避免穿過生活平臺、動力平臺等，還要注意避免消防管道穿過油氣生產(chǎn)平臺。

為了優(yōu)化后期管系布置，減少壓力和溫度損失，便于現(xiàn)場管理，應使設備布置位置與工藝流程物流走向盡量統(tǒng)一。有時候為了集中布置同一類型設備，也會引起局部管系布置的往返，這時候就需要綜合考慮如何取舍。對于大負荷用電設備也需要結合橋架大致走向考慮設備位置是否有優(yōu)化空間。

另外，對于儀表控制系統(tǒng)的控制電纜和動力電纜的布置走向也需要格外注意，盡量遠離烴類物質(zhì)和點火源等危險源，從根源上減少控制系統(tǒng)失效的可能性，有利于提高相應緊急切斷和儀表安全系統(tǒng)的本質(zhì)安全。

2.7 重心控制的安全設計

對于海洋平臺，上部荷載分布是否合理直接影響到在位狀態(tài)和吊裝分析，并直接影響到導管架的穩(wěn)性，因此重心控制的設計對于海洋平臺的本質(zhì)安全非常重要。按照行業(yè)內(nèi)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在位平臺結構坍塌造成的事故影響非常大，但出現(xiàn)概率極低，大部分是在安裝作業(yè)過程中出現(xiàn)的事故。

通常要結合上部組塊設施布局，通過合理分配設備重量分布來滿足重心控制要求。因此有時候為了滿足重控要求不得不在滿足工藝流程合理的情況下，臨時調(diào)整部分設備的位置，盡量減少上部組塊的偏心。在設計過程中，需要結合設備資料情況定期進行重控梳理和計算，保證重心偏離在可控范圍內(nèi)。要設置重控工程師對重控數(shù)據(jù)進行實時的跟蹤計算和監(jiān)控，對設備重量、總體布置引起的平臺的重量、重心等關鍵參數(shù)變化進行分析，必要時應根據(jù)結構重控的要求對上部載荷提出不可超越重量重心的要求，確保重控這一重大風險可以得到有效控制。

2.8 方位的安全設計

海洋平臺方位設計非常關鍵，體現(xiàn)了設計與所在海域環(huán)境條件的適應性和契合性，是本質(zhì)安全的重要內(nèi)容。這其中主要包括靠船側方位、艇閥布置方位、吊機布置方位、鉆井船就位方位、直升機甲板方位、生活樓方位、火炬臂方位、冷放空管方位、發(fā)電機組煙管方位等大量與方位設計相關的內(nèi)容。與方位相關的布置通常與平臺所處的海洋環(huán)境密切相關，如風、浪、流等。

應根據(jù)主導流向確定平臺靠船側方位，以盡量減少船舶受到海流影響，同時防止船舶靠泊時撞擊平臺。大型綜合處理平臺因定員較多、功能較全、工作船只來往頻繁，靠船側通常設計為兩處對稱布置；對于定員較少、功能較少、工作船只來往較少的小型井口平臺則設計為一處靠船側即可。通常要求設計為船頭方向與海流方向平行，根據(jù)靠船方式確定靠船排的方位。

吊機通常與靠船側同側布置，或布置在除靠船側、對側外的另外兩側。如果設置兩臺吊機，通常對角布置，確保在控制吊機作業(yè)半徑的同時做到最大化的平臺面積覆蓋。如果使用外來鉆井船進行鉆井作業(yè)，則鉆井船就位方位通常布置在遠離立管和護管的位置，并考慮與吊機、生活樓、修井模塊等較高設備設施的干涉。

根據(jù)主導風向考慮飛機甲板、生活樓、火炬和冷放空管的布置。飛機甲板和生活樓需要布置在平臺尤其是危險區(qū)的上風向，火炬和冷放空管需要布置在主導風向的下風向。根據(jù)行業(yè)內(nèi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和QRA分析顯示，直升機起落事故占據(jù)海洋平臺各類事故的一定比例，且事故后果嚴重，因此有必要作為重大風險項進行管理，關注平臺各類設備設施對直升機起落操作安全的影響。除了滿足民航對直升機甲板設計的要求外，還需要關注發(fā)電機組排煙對直升機的影響。大型發(fā)電機組排煙管布置需要盡量遠離直升機甲板，并應布置在其下風向，防止熱湍流對直升機起降安全造成影響，這也是近年來大型海洋平臺的一個研究熱點。

2.9 海上安裝作業(yè)的安全設計

除了導管架就位、上部組塊和生活樓就位、打樁、拖航、滑移下水等常規(guī)海上安裝作業(yè)需要考慮到各項風險因素，并進行JSA等安全分析以外，對于海洋平臺海上安裝作業(yè)特別需要注意的是安裝作業(yè)過程中對井口的安全保護。井口為海洋平臺結構的首要保護對象，為了提高風浪較大的中深水海域海上安裝作業(yè)期間的可控性，提高安裝安全等級，有條件的情況下可將井口設計在底層甲板，可減少套井口作業(yè)時立面作業(yè)位移。目前井口平臺布置設計方面最大的熱點問題就是套井口作業(yè)的安全性。由于井口平臺通常先就位導管架，帶有鉆井小平臺，鉆完井后安裝完采油(采氣)樹，再實施套井口安裝上部組塊的海上安裝作業(yè)。因此必須對井口小平臺的尺寸進行嚴格控制，確保上部組塊井口區(qū)留洞尺寸與井口小平臺的間距安全。另外對于在頂層甲板布置的設備，還需要注意與吊耳的距離不能太近，在渤海需要保持凈距1.5 m以上，在東海和南海通常需要保持凈距2 m以上才能確保吊裝作業(yè)時不會對設備造成影響，必要時應進行安裝操作模擬確定安全距離。

在海洋平臺總體布置安全設計時，導管架的吊裝設計外部關聯(lián)因素較少，主要是考慮上部組塊海上吊裝就位的主要因素。

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a) 上部組塊在套井口吊裝作業(yè)與固定平臺上井口區(qū)已經(jīng)安裝的采油(氣)樹、井口操作平臺、隔水套管周圍之間需要的安全吊裝間距。

b) 上部組塊海上吊裝就位時與其它已經(jīng)安裝的模塊(如動力模塊、生活樓、泥漿模塊、塔式基座吊機等)之間需要的安全吊裝間距。

c) 上部組塊海上吊裝就位時，起重船舶的吊臂與被吊裝就位時與上部組塊板懸臂甲板或與甲板上安裝的設施之間需要的安全吊裝間距。

d) 布置設計中應使上部組塊結構承受的荷載均衡，避免較大的偏心產(chǎn)生，有效地利用起重船舶的能力。

e) 避免在上部組塊吊點上或者影響吊裝作業(yè)的吊點附近布置設施。

f) 設計中應考慮在吊裝作業(yè)時吊索與吊索下的設施合理的空間，避免模塊在吊裝作業(yè)時，因吊裝張緊吊索過程與吊索下的設施產(chǎn)生干涉。

2.10 設備設施的干涉碰撞分析

目前海洋平臺設計已經(jīng)完全實現(xiàn)了全三維設計，各類設備設施實現(xiàn)了所見即所得的實景化設計。三維設計不僅僅是按照總體布置去建模，還有一個重要功能是進行總體布置的干涉研究。特別對于在立面空間上與海洋平臺存在復雜相對關系的鉆井平臺和鉆機模塊等大型裝備和模塊，在平面內(nèi)已經(jīng)無法去衡量是否存在干涉問題，必須通過三維模型進行仿真模擬。某海洋平臺生活樓、吊機與鉆井平臺的干涉分析情況見圖2。

圖2 鉆井平臺與吊機、生活樓干涉研究

2.11 總體布置其他本質(zhì)安全設計

根據(jù)平臺功能需要，經(jīng)常需要在甲板上預留部分區(qū)域為后期新建設備或作業(yè)留出空間。常見的預留區(qū)域有以下幾種情況：預留后期新建機械設備區(qū)域、預留鉆修井臨時作業(yè)區(qū)域、預留后期施工預留的海纜的操作空間等。需要特別注意的是，預留設備區(qū)域應考慮后期的可實施性，兼顧到船舶靠泊的方位，盡量靠近舷邊，如果需要使用平臺吊機，則需要考慮吊機的工作半徑等因素。

3 總體布置的量化安全分析

要確保海洋平臺設計的本質(zhì)安全，必須通過科學的安全分析措施去進行相關風險識別和評估，并對現(xiàn)有安全保障措施進行分析，確定是否達到本質(zhì)安全的要求，如果無法實現(xiàn)本質(zhì)安全，則要對設計的安全等級進行提升或通過其他保護措施提高安全性。從分析方法上來細分，安全分析可以分為定性安全分析、半定量安全分析、定量安全分析3大類[2]。定性分析通常使用頭腦風暴、Checklist、JSA等方法，半定量分析是指HAZOP為主的分析方法，定量分析則是LOPA、QRA、FEA等通過使用基于數(shù)學模型的模擬軟件對識別出的危險源進行仿真模擬分析，得出更為逼近現(xiàn)實場景的分析結果。因此更具有科學性和對設計的現(xiàn)實指導意義。尤其是QRA和FEA分析，對海洋平臺設計的實際指導意義非常大，以下重點闡述。

3.1 FEA分析

通過FEA分析可以計算出需要實施被動防火保護的區(qū)域位置，圖3為某海洋平臺進行火焰熱輻射分析時的CFD模型。

圖3 FEA分析CFD模型

該分析對于每一層甲板的平面和立面烴類物質(zhì)儲存設備發(fā)生火災和爆炸時都進行了仿真模擬，依托該模型可以很直觀地觀察出防火防爆墻在防止火焰擴散和爆炸危害中發(fā)揮的作用，從而進一步優(yōu)化總體布置中該墻的位置和尺寸等。通過對火災爆炸的影響區(qū)域及相關量化數(shù)據(jù)，可以科學評估總體布置的合理性，特別是含有烴類物質(zhì)的油氣生產(chǎn)區(qū)設備對非危險區(qū)、逃生通道、生活區(qū)的影響，一方面可以確定防火防爆墻的合理設計耐壓值，另一方面可以優(yōu)化調(diào)整逃生通道的走向等。

3.2 QRA分析

QRA分析是通過將風險進行識別、量化，計算得出各項風險出現(xiàn)的概率和在本平臺生產(chǎn)過程中的占比分布。這樣可以明確需要關注的風險防控重點，更好地指導包括總體布置在內(nèi)的海洋平臺各項設計。表1為某海洋平臺采用QRA分析后得出的風險概率分布。

表1 風險概率分布

針對以上概率分布，可以清晰地看到需要在設計過程中特別關注的幾大風險項：意外事故、運輸危害、船舶撞擊、工藝火災、其它火災、結構失效、直升機撞擊、立管泄漏等，并清楚地得到了它們對海洋平臺總體風險的貢獻比例，這將有助于明確關注重點，結合設計情況對相關內(nèi)容進行有針對性的考量。通過QRA分析同樣得到了這些重大風險因素產(chǎn)生的可能原因，如消防泵布置在了危險區(qū)域內(nèi)，吊機休息臂距離直升機甲板較近等。設計可以據(jù)此有針對性地分析總體布置是否可以優(yōu)化，以減少該風險出現(xiàn)的概率，從而有效進行重大風險源頭防控。

4 結語

海洋平臺各類風險在空間密度上高度集中，總體布置對于整體風險防控非常關鍵?？傮w布置與工藝系統(tǒng)、平臺結構一并構成了海洋平臺的本質(zhì)安全三要素，且其對工藝系統(tǒng)安全性的物理實現(xiàn)和平臺結構安全的主要內(nèi)容都有重要的直接影響，因此它也直接決定了海洋平臺的本質(zhì)安全。從安全管理的角度來看，對海洋平臺總體布置的考量應該跳出原有的簡單堆砌式思路，以安全為視角去審視和驗證，但目前國內(nèi)缺少基于本質(zhì)安全的海洋平臺總體布置的指導性理論和規(guī)范做法。結合多年來在實際工程中積累的相關經(jīng)驗，基于本質(zhì)安全的理念，輔以量化分析工具，對海洋平臺總體布置的安全設計進行探索，以期提高海洋平臺本質(zhì)安全水平。