海洋平臺(tái)拆解作業(yè)中油氣泄漏與爆炸風(fēng)險(xiǎn)

劉建成，谷家揚(yáng)，董智新，劉為民，徐立新，何 力

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；3.江蘇科技大學(xué) a.海洋裝備研究院;b.船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著新式海洋平臺(tái)的不斷發(fā)展更替，棄置平臺(tái)的拆解市場(chǎng)潛力巨大。平臺(tái)拆解作業(yè)是一項(xiàng)綜合多種技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)性工程，受到多方面風(fēng)險(xiǎn)因素的影響，平臺(tái)拆解過(guò)程中的各類風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)估與管控應(yīng)當(dāng)納入作業(yè)的前期設(shè)計(jì)中。目前，棄置生產(chǎn)平臺(tái)油氣泄漏與爆炸的預(yù)防措施為洗氣，主要以平臺(tái)整體生產(chǎn)流程的清洗方式為主，對(duì)工藝容器及設(shè)備一般不再進(jìn)行單獨(dú)清洗[1]，這使得其內(nèi)部仍有殘留大量可燃?xì)怏w的風(fēng)險(xiǎn)。在海洋復(fù)雜環(huán)境下，設(shè)備、管路老化以及拆解作業(yè)施工引起的腐蝕、疲勞損傷、跌落等因素均易使容器或管路破裂，從而導(dǎo)致發(fā)生油氣泄漏與爆炸事故，因此有必要對(duì)殘存油氣泄漏、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行定量分析，以保證平臺(tái)拆解作業(yè)順利進(jìn)行。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法大體可分為定性分析、定量分析和半定量分析。KHAKZAD等[2]和ABIMBOLA等[3]在風(fēng)險(xiǎn)概率分析中將Bow-Tie模型與貝葉斯網(wǎng)格相結(jié)合，建立某鉆井平臺(tái)井噴事故的概率模型。韓國(guó)釜山大學(xué)與Nowatec AS等研究機(jī)構(gòu)[4-5]在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)上部模塊的油氣火災(zāi)、爆炸事故，提出適用于FPSO碳?xì)浠衔锘馂?zāi)爆炸定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管控的完整系統(tǒng)。MENTES等[6]對(duì)擴(kuò)展式系泊系統(tǒng)中操作故障、人為失誤等不確定的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行模糊分析，提出一種適用于擴(kuò)展式系泊系統(tǒng)的故障診斷及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。LAVASANI等[7]針對(duì)可用數(shù)據(jù)的高度不確定性和模糊性，運(yùn)用層次分析法建立海洋油氣開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并對(duì)淺海油氣泄漏進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。WANG等[8]采用故障樹定性方法分析并識(shí)別了造成原油儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸的潛在因素，并在缺乏事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)下采用模糊理論確定基本事件的發(fā)生概率，驗(yàn)證模糊故障樹法的有效性。李奇等[9]介紹定量風(fēng)險(xiǎn)分析的理論定義、評(píng)估過(guò)程、量化結(jié)果和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)埕北12C平臺(tái)的生產(chǎn)設(shè)施進(jìn)行油氣泄漏定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并提出降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，為平臺(tái)的安全生產(chǎn)提供重要的指導(dǎo)意見。王鵬[10]利用事件樹結(jié)合歷史數(shù)據(jù)庫(kù)確定FPSO中各工藝設(shè)備發(fā)生泄漏事故的歷史頻率，并采用拉丁超立方法抽樣出典型事故場(chǎng)景，提出氣體泄漏及爆炸災(zāi)害的量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架。王彥富等[11]從事故后果和發(fā)生概率兩個(gè)方面探討并構(gòu)建海洋平臺(tái)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程，提出基于人因組織因素分析的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。王起全等[12]針對(duì)重油催化過(guò)程中火災(zāi)爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)分析，提出基于事故樹的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)-保護(hù)層分析(Bayesian Network-Layer of Protection Analysis，BN-LOPA)法。余建星等[13]采用定性與定量結(jié)合的模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立適用于海洋平臺(tái)的人因可靠性半定量分析模型。李玉蓮[14]基于人因分析及分類系統(tǒng)(Human Factors Analysis Classification System，HFACS)模型，結(jié)合海洋平臺(tái)特征和火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用三角模糊函數(shù)和等級(jí)節(jié)點(diǎn)距離公式，確定動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)條件概率，建立適用于海洋平臺(tái)人因失誤分析的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。

本文考慮拆解平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中眾多不確定風(fēng)險(xiǎn)因素，針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行危險(xiǎn)源及泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素的識(shí)別分析，結(jié)合模糊故障樹法和事故樹法對(duì)拆解作業(yè)過(guò)程中油氣泄漏、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行定量評(píng)估。

1 危險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

平臺(tái)棄置后的設(shè)備容器及管路受密閉高溫環(huán)境的影響，內(nèi)部殘留的高膠質(zhì)原油及其他雜質(zhì)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間沉淀后形成油泥揮發(fā)氣體，與含油清洗污水揮發(fā)氣共同組成泄漏源，構(gòu)成泄漏可燃?xì)怏w的主要成分為甲烷。

可燃?xì)怏w泄漏的底層原因?yàn)樵O(shè)備及管線發(fā)生破裂損傷。導(dǎo)致破裂損傷的因素是多層次的，按照類別可分為平臺(tái)外部因素和平臺(tái)自身因素。

外部因素包含自然環(huán)境、人為操作和機(jī)械故障等，其中自然因素除風(fēng)、浪、流等海洋典型環(huán)境載荷外，還包括冰雹、雷擊、海冰漂流、海洋地震、火山爆發(fā)等極端自然災(zāi)害。自身因素指設(shè)備及管線等鋼結(jié)構(gòu)由自身受到腐蝕、疲勞、應(yīng)力集中及材料缺陷等原因引起的損傷破裂，其中腐蝕作為造成可見損傷的主要因素，包括高鹽、高濕的強(qiáng)腐蝕性海面環(huán)境對(duì)平臺(tái)設(shè)備及管線所造成的外腐蝕、設(shè)備管線內(nèi)部殘留原油或混合污水發(fā)酵形成的微生物所造成的內(nèi)部腐蝕以及殘余應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)共同作用下的應(yīng)力腐蝕。圖1為導(dǎo)致泄漏事故的部分風(fēng)險(xiǎn)因素。

圖1 導(dǎo)致設(shè)備及管線破裂損傷的多種因素

2 基于模糊故障樹的泄漏事故概率

2.1 故障樹建立

按照風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別內(nèi)容，以主要設(shè)備損傷破裂發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏為頂層事件，將引起泄漏事故的主要原因分為外力作用和自身累計(jì)損傷造成的破裂，并以此選用合適的邏輯門將輸入事件與輸出事件連接起來(lái)，對(duì)導(dǎo)致事故發(fā)生的深層次原因進(jìn)行深入推演分析，直至無(wú)需探明其發(fā)生原因的基本事件為止。圖2為某導(dǎo)管架平臺(tái)油氣泄漏的故障樹分析模型。表1為故障樹基本事件列表。表2為故障樹最小割集列表。

表1 實(shí)例平臺(tái)油氣泄漏故障樹基本事件

圖2 實(shí)例平臺(tái)油氣泄漏故障樹模型

如表2所示，該故障樹最小割集共18組，16組最小割集中的基本事件數(shù)量為1，說(shuō)明泄漏事故大部分是由單獨(dú)事件所引發(fā)的。此外，X14×X15和X16×X17的最小割集事件數(shù)量為2，即設(shè)備及管路因內(nèi)腐蝕和外腐蝕事件發(fā)生泄漏，該事故需要2個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，其發(fā)生原因主要為設(shè)備及管線內(nèi)外部的防腐措施可能已經(jīng)失效，多種類腐蝕損傷隨時(shí)間持續(xù)累積。

表2 實(shí)例平臺(tái)油氣泄漏故障樹最小割集列表

2.2 模糊概率計(jì)算

為計(jì)算某導(dǎo)管架平臺(tái)在拆解過(guò)程中發(fā)生油氣泄漏事故的模糊概率，邀請(qǐng)5名海工領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)所有基本事件發(fā)生的可能性使用自然語(yǔ)言進(jìn)行打分，并結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論[15]定量轉(zhuǎn)化為該事件發(fā)生的模糊概率。圖3所示為自然語(yǔ)言的模糊數(shù)。

圖3 自然語(yǔ)言的模糊數(shù)

模糊數(shù)形式和λ截集如表3所示，其中模糊語(yǔ)言“很小、小、較小、中等、較大、大、很大”分別使用“VL、L、FL、M、FH、H、VH”進(jìn)行表示。

表3 模糊數(shù)形式和λ截集

以基本事件X1為例說(shuō)明計(jì)算過(guò)程，考慮導(dǎo)管架平臺(tái)拆解作業(yè)過(guò)程中發(fā)生油氣泄漏的事故背景，5名專家給出基本事件X1“切割樁腿導(dǎo)致垮塌”發(fā)生可能性的打分結(jié)果為“小、小、較小、很小、很小”，認(rèn)為各專家的權(quán)值相等，因此截集λ下5名專家的平均模糊集為

Wλ=[z1,z2]=[0.08+0.06λ,0.3-0.1λ]

(1)

則基本事件X1的平均模糊函數(shù)關(guān)系式為

(2)

根據(jù)左右模糊排序法將基本事件X1的平均模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰的可能性值PFS，則平均模糊函數(shù)的左右模糊可能性值分別為

μL=0.868;μR=0.273

(3)

(4)

基本事件的模糊可能性值PFS轉(zhuǎn)化為模糊概率值，公式為

(5)

基本事件X1“切割樁腿導(dǎo)致垮塌”的模糊概率為P(X1)=2.320×10-4。

其他基本事件下的平均模糊數(shù)及發(fā)生概率如表4所示。

表4 基本事件發(fā)生概率

續(xù)表4 基本事件發(fā)生概率

根據(jù)圖2，利用不交布爾代數(shù)運(yùn)算法則，得出某導(dǎo)管架平臺(tái)發(fā)生油氣泄漏事故的模糊概率Pleak=1.706×10-2。

3 基于事件樹的爆炸事故概率

3.1 事件樹建立

在建立某導(dǎo)管架平臺(tái)爆炸事件樹時(shí)，采用頂層事件(設(shè)備油氣泄漏)為初始事件，按照事件的自然發(fā)展歷程構(gòu)建事件樹，并根據(jù)邏輯運(yùn)算法則定量計(jì)算平臺(tái)爆炸事故的發(fā)生概率。拆解過(guò)程中的主要關(guān)注點(diǎn)在于圍繞棄置平臺(tái)作業(yè)的工作人員安全，因此僅考慮油氣泄漏后延遲點(diǎn)燃形成的氣體云爆炸事故。圖4為爆炸事故的事件樹模型。

圖4 爆炸事故的事件樹模型

3.2 概率計(jì)算

可燃物、助燃物(氧氣)、點(diǎn)火源是爆炸發(fā)生的3個(gè)基本條件。點(diǎn)火源的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，可由點(diǎn)燃概率表示，即指可燃物質(zhì)泄漏后被點(diǎn)燃的可能性，按照點(diǎn)燃的時(shí)間順序分為立即點(diǎn)燃與延遲點(diǎn)燃。MOOSEMILLER[16]基于美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì)的公開數(shù)據(jù)及相關(guān)專家意見，在API 572、API 580/581等指南中關(guān)于油氣泄漏點(diǎn)燃概率推薦方法的基礎(chǔ)上提出一種基于事故場(chǎng)景，考慮設(shè)計(jì)、操作和環(huán)境等因素的油氣泄漏點(diǎn)燃概率計(jì)算方法。

立即點(diǎn)燃概率(Immediate Ignition Probability，IIP)應(yīng)取決于可燃物質(zhì)的自燃可能性Pai和靜態(tài)放電可能性Psd，其中各因素的影響關(guān)系式為

Pi,i=Pai+Psd=
{1-5 000exp[-9.5(T/AIT)]}+
[0.002 4(p)1/3/(MIE)2/3]

(6)

式中：AIT為可燃?xì)怏w泄漏時(shí)的壓力；p為可燃?xì)怏w泄漏時(shí)的溫度；T為泄漏物質(zhì)的自燃點(diǎn)；MIE為泄漏物質(zhì)的最小點(diǎn)火能。

可燃物質(zhì)的自燃可能性Pai可分別取為

(7)

泄漏油氣的延遲點(diǎn)燃概率(Delayed Ignition Probability，DIP)應(yīng)與可燃?xì)怏w性質(zhì)、泄漏速率、泄漏持續(xù)時(shí)間相關(guān)，其中各因素的影響關(guān)系式為

(8)

式中：Mi為Mmat、Mmag和Mdur的替換項(xiàng)，其分別對(duì)應(yīng)可燃?xì)怏w性質(zhì)、泄漏速率和持續(xù)時(shí)間對(duì)預(yù)期點(diǎn)燃概率的影響。

同時(shí)，延遲點(diǎn)火導(dǎo)致爆炸的概率Pe,g,i計(jì)算式為

Pe,g,i=0.024RF0.435A

(9)

式中：RF為可燃?xì)怏w泄漏速率；A為可燃?xì)怏w活躍程度修正系數(shù)。

綜上所述，由式(6)～式(9)得出某導(dǎo)管架平臺(tái)油氣泄漏后發(fā)生爆炸事故的概率為

Pe=Pleak(1-Pi,i)Pd,iPe,g,i=2.732×10-6

(10)

4 結(jié) 論

以棄置平臺(tái)拆解作業(yè)為背景，對(duì)某導(dǎo)管架平臺(tái)在拆解過(guò)程中油氣泄漏與爆炸的風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行定量評(píng)估，得到以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)平臺(tái)拆解作業(yè)過(guò)程中發(fā)生油氣泄漏的故障樹法推演結(jié)論，導(dǎo)致事故發(fā)生共有20種基本事件，其中18種為事故可能發(fā)生的直接誘因，表明在棄置平臺(tái)拆解過(guò)程中，須對(duì)施工操作、海洋環(huán)境等突發(fā)因素進(jìn)行重點(diǎn)管控。

(2) 某導(dǎo)管架平臺(tái)發(fā)生油氣泄漏事故的概率為Pleak=1.706×10-2，考慮事故的拆解背景和可能的小規(guī)模可燃?xì)怏w泄漏量級(jí)，應(yīng)對(duì)拆解對(duì)象布置可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)設(shè)備以應(yīng)對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 在涉及爆炸的多種因素均考慮最危險(xiǎn)場(chǎng)景下，某導(dǎo)管架平臺(tái)氣體泄漏后發(fā)生爆炸的概率為Pe=2.732×10-6，屬于小概率事件；考慮棄置平臺(tái)的拆解背景，爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)關(guān)注因素為作業(yè)人員安全與作業(yè)設(shè)備防護(hù)，應(yīng)對(duì)不同平臺(tái)發(fā)生爆炸事故的影響范圍進(jìn)行界定，保障作業(yè)安全。

(4) 針對(duì)棄置平臺(tái)的拆解作業(yè)，風(fēng)險(xiǎn)因素眾多且缺乏事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，利用故障樹法能夠較為全面地挖掘造成各類事故的底層事件，結(jié)合模糊理論及業(yè)內(nèi)專家評(píng)判能夠較好地對(duì)油氣泄漏與爆炸的風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行定量評(píng)估。