海洋平臺含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故后果動態(tài)評估

楊冬冬，陳國明，付建民，師吉浩，戴子良，劉健

（1 中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580；2 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

海洋平臺作業(yè)人員密度大，設(shè)備裝置密集，應急資源緊張[1]，硫化氫毒害載荷與可燃氣體爆炸載荷均可能引發(fā)嚴重的事故后果。例如，1980 年阿拉伯海灣某平臺硫化氫泄漏導致19 人死亡，2007年Kab121 平臺硫化氫泄漏連鎖事故造成21 人死亡，1988 年“Piper Alpha”事故導致167 人死亡，2010 年“Deepwater Horizon”事故造成11 人死亡、17 人受傷[2-3]。不難想象，如果含硫化氫天然氣泄漏后遭遇延遲點火并引發(fā)爆炸，毒害載荷與爆炸載荷先后存在，將會引發(fā)更加災難性的后果。

國內(nèi)外專家學者關(guān)注毒害載荷[3-7]或爆炸載荷[8-12]中的一種，在事故后果預測、影響因素敏感性分析等方面開展了大量研究。Bagheri等[13]、張來斌等[14]、張建文等[15]、朱淵等[16]研究不同因素對泄漏硫化氫擴散行為的影響，結(jié)合危險載荷的蓄積狀態(tài)預測硫化氫泄漏事故后果。Dadashzadeh 等[17]、Azzi 等[18]、羅振敏等[19]、師吉浩等[20]關(guān)注可燃氣體爆炸超壓載荷的發(fā)展規(guī)律，根據(jù)爆炸超壓載荷分布確定危險區(qū)域。相關(guān)研究主要考慮硫化氫毒害載荷與可燃氣體爆炸載荷中的一種，且未考慮事故過程中作業(yè)人員的應急行為，主要依據(jù)危險載荷的蓄積狀態(tài)預測事故后果嚴重程度。

在含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故中，作業(yè)人員可能先后遭受硫化氫毒害載荷與可燃氣體爆炸載荷。鑒于毒害載荷及爆炸載荷共同作用的潛在危害，面向海洋平臺含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故，結(jié)合作業(yè)人員的應急疏散解構(gòu)事故災變演化過程，基于統(tǒng)一的時間維度考慮作業(yè)人員的應急疏散與危險載荷的時空發(fā)展，提出多危險載荷事故后果動態(tài)評估方法，量化評估含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故后果。將所提方法應用于假想的海洋平臺含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故。結(jié)合工程實際考慮緊急關(guān)斷系統(tǒng)（ESD）、放空系統(tǒng)的干預機制，以含硫化氫天然氣動態(tài)泄漏為觸發(fā)事件，結(jié)合作業(yè)人員的應急疏散評估硫化氫毒害影響與可燃氣體爆炸影響。該研究有助于開展多危險載荷事故后果的系統(tǒng)評估，為多危險載荷耦合事故的預防與減緩提供支持。

1 含硫化氫天然氣泄漏連鎖事故分析

過程系統(tǒng)設(shè)備裝置失效引發(fā)含硫化氫天然氣泄漏后，ESD系統(tǒng)和放空系統(tǒng)會相繼啟動，降低失效裝置運行壓力，促使泄漏速率衰減。同時危險氣體監(jiān)測報警儀響應發(fā)出警報，作業(yè)人員在接收到警報后會進行應急疏散。在含硫化氫天然氣泄漏發(fā)生后，硫化氫毒害載荷就隨之存在；因延遲點火引發(fā)油氣爆炸后又會產(chǎn)生爆炸危險載荷。對于初始階段遭受硫化氫毒害載荷的作業(yè)人員，如果在延遲點火前疏散至安全區(qū)域，作業(yè)人員將只承受硫化氫毒害載荷；如果延遲點火發(fā)生于作業(yè)人員抵達安全區(qū)域之前，作業(yè)人員將先后遭受硫化氫毒害載荷與可燃氣體爆炸載荷的影響。其綜合影響可用式(1)表示。

式中，E為作業(yè)人員所遭受危險載荷導致的綜合影響；Ep為作業(yè)人員受到的毒害載荷的影響；Ee為作業(yè)人員受到的爆炸載荷的影響；tl為泄漏發(fā)生時間，s；ti為延遲點火時間，s；t疏散為作業(yè)人員疏散至安全區(qū)所需的時間，s。

2 含硫化氫天然氣泄漏連鎖事故后果評估流程

圖1為含硫化氫天然氣泄漏連鎖事故后果評估方法的主要流程，主要包括：確定含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故場景；建立氣體泄漏數(shù)值模型，開展含硫化氫天然氣泄漏擴散模擬，獲取不同時刻硫化氫空間分布及點火時刻可燃氣體空間分布，基于點火時刻可燃氣體空間分布引入點火源開展爆炸模擬，預測爆炸危險載荷時空發(fā)展過程；確定作業(yè)人員的應急疏散時序及應急疏散軌跡；基于作業(yè)人員應急疏散過程中的實時位置提取暴露硫化氫濃度，評估硫化氫毒害載荷的影響；確定爆炸發(fā)生時作業(yè)人員的實時位置，相應地提取爆炸危險載荷峰值評估爆炸危險載荷的影響；基于風險的可加性，引入風險理念對多種危險載荷導致的后果進行評估。

圖1 含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故后果評估方法

3 含硫化氫天然氣泄漏連鎖事故后果評估原理

3.1 毒害載荷影響動態(tài)評估

開展毒害載荷影響評估時，應兼顧作業(yè)人員應急疏散過程中位置的變化及泄漏硫化氫氣體蓄積狀態(tài)的時空變化?；诖耍瑢νㄓ弥卸颈┞秳┝壳蠼饽Ｐ停凼?2)］[21]進行修正，修正后的求解模型見式(3)。

式中，D為硫化氫暴露劑量；t0和t1分別指暴露于硫化氫的起始時間與終止時間，min；c為有毒氣體濃度，μL/L 或mg/m3；n為常數(shù)，對于硫化氫取1.43；(x0,y0,z0)為受災人員初始位置的坐標；v為受災人員的應急疏散速度，m/s；(xm,ym,zm)為疏散軌跡L上不同位置的坐標。

引入概率模型將硫化氫中毒劑量轉(zhuǎn)化為概率單位Yp，進而求解個體中毒死亡率Pr，見式(4)、式(5)。

3.2 爆炸超壓載荷影響動態(tài)評估

爆炸超壓是爆炸事故后果的主要傷害來源[21]。當前研究普遍將爆炸事故孤立考慮，根據(jù)作業(yè)人員初始位置的爆炸超壓載荷評估其受災程度。本文作者認為，開展爆炸超壓載荷影響評估時同樣應考慮作業(yè)人員的應急疏散。盡管在短暫的爆炸過程中難以進行應急疏散，但是氣體泄漏后作業(yè)人員若接收到危險信號將會進行應急疏散，延遲點火時作業(yè)人員可能已離開初始位置。因此，應基于作業(yè)人員實時位置的爆炸超壓載荷預測作業(yè)人員的受災程度。

參照文獻[22]給出的爆炸超壓傷害概率方程預測爆炸超壓致死概率單位Ye［式(6)］，進而借助式(5)計算爆炸超壓導致的死亡率。

式中，pmax為作業(yè)人員承受的最大超壓，psi（1psi=6895Pa）。

3.3 多危險載荷影響綜合評估

引入風險理念對涉及多種危險載荷的含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故后果進行綜合評估。通過式(3)～式(6)可計算作業(yè)人員中毒致死概率及爆炸超壓致死概率，假設(shè)作業(yè)人員中毒致死及爆炸超壓致死的嚴重程度為S，則不同危險載荷影響的風險指標見式(7)。

式中，R為風險指標；Pr為危險載荷致死概率；S為危險載荷致死的嚴重程度；j為不同傷害模式，包括中毒致死及爆炸超壓致死。為簡化評估流程，假設(shè)中毒致死與爆炸超壓致死的嚴重程度均為10。

后果不具有可加性，而風險具有可加性[23]。則含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故多種危險載荷累加所致不良影響的風險指標（R）見式(8)。

式中，Rp為中毒致死的風險指標；Re為爆炸超壓致死的風險指標。

需要指出的是，本文主要關(guān)注事故后果評估而非風險評估。在假定含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故已經(jīng)發(fā)生的前提下，引入風險理念對涉及多種危險載荷的事故后果進行量化評估，因此事故的發(fā)生頻率不予討論。此外，爆炸超壓導致的不良影響中主要關(guān)注了爆炸超壓致死這一危害模式，未涉及耳膜破裂、肺損傷等危害模式。可根據(jù)需要分別評估爆炸超壓導致的不同危害模式的風險指標，選擇其中的最大值表征爆炸不良影響的風險指標。

4 應用

4.1 事故場景

以某海洋平臺含硫化氫天然氣泄漏爆炸事故為例進行事故后果評估。泄漏源位于距離海洋平臺的下層甲板高4m處，泄漏方向豎直向下。泄漏氣體組成見表1。泄漏90s后可燃氣體遭遇點火源發(fā)生爆炸事故。事故過程中風向為船艉來風且風速為3m/s。溫度為20℃且大氣穩(wěn)定度為D。圖2給出了海洋平臺下層甲板的布局，泄漏源與點火源的水平位置分別為S和I。1#、2#、3#為不同監(jiān)測點的位置。

圖2 海洋平臺下層甲板布局

表1 泄漏氣體成分

參考API 相關(guān)標準假設(shè)泄漏30s 后ESD 系統(tǒng)啟動，ESD 系統(tǒng)啟動后50s放空系統(tǒng)啟動。受ESD 系統(tǒng)和放空系統(tǒng)啟動時序的影響，泄漏速率被分為3個階段，即ESD 系統(tǒng)啟動前、ESD 系統(tǒng)啟動后且放空系統(tǒng)啟動前、放空系統(tǒng)啟動后。ESD系統(tǒng)啟動前，失效裝置運行壓力穩(wěn)定，泄漏速率處于穩(wěn)態(tài)，見式(9)。

ESD系統(tǒng)通過阻斷物料來源以降低失效裝置運行壓力。泄漏速率也相應地發(fā)生衰減，見式(10)。

放空系統(tǒng)啟動后，失效裝置內(nèi)部分物料將通過放空閥與放空管道輸送至收集裝置或火炬系統(tǒng)。氣體同時從初始泄漏孔與放空閥泄漏，初始泄漏孔處的泄漏速率為式(11)。

式 中，Q1、Q2、Q3分 別 為ESD 系 統(tǒng) 啟 動 前、ESD系統(tǒng)啟動后且放空系統(tǒng)啟動前、放空系統(tǒng)啟動后初始泄漏孔處的泄漏速率，kg/s；Cd為泄漏系數(shù)，取值主要取決于泄漏孔形狀；M為泄漏氣體相對分子質(zhì)量；k為泄漏氣體絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為泄漏氣體溫度，K；Al和Ab分別為初始泄漏孔和放空閥的有效面積，m2；p0為初始時刻失效裝置的運行壓力，Pa；m0為初始時刻和放空系統(tǒng)啟動時失效裝置內(nèi)的氣體質(zhì)量，kg；te和tb分別為ESD系統(tǒng)和放空系統(tǒng)的啟動時間，s。

放空系統(tǒng)啟動后通過初始泄漏孔和放空閥的總泄漏速率Qt計算見式(12)；放空系統(tǒng)啟動后失效裝置內(nèi)的氣體質(zhì)量mb計算見式(13)。

結(jié)合失效裝置運行參數(shù)及泄漏源參數(shù)計算得到動態(tài)泄漏速率時程曲線（圖3）。需要特別說明的是，研究假定泄漏硫化氫氣體在爆炸過程中全部被消耗或被爆炸沖擊波驅(qū)散。爆炸事故發(fā)生后最大泄漏速率約為2.91kg/s，氣體泄漏后將快速被稀釋[24]。不考慮爆炸產(chǎn)物（二氧化硫等）的毒害影響，則可以認為爆炸發(fā)生后作業(yè)人員不再遭受毒害載荷的影響。

圖3 動態(tài)泄漏速率時程曲線

4.2 CFD模擬

海洋平臺上部模塊主要包括工藝區(qū)和生活區(qū)。工藝區(qū)共有3層甲板，其中設(shè)備裝置主要集中于工藝區(qū)的中層甲板和下層甲板。海洋平臺的緊急集合區(qū)域為船艏救生艇所在的位置，意外事故發(fā)生時作業(yè)人員在此處集合，隨后根據(jù)事故嚴重程度決定是否需要通過救生艇等撤離平臺。依據(jù)海洋平臺設(shè)計參數(shù)與設(shè)備布局，運用FLACS前處理器計算機輔助場景設(shè)計（computer aided scenario design，CASD）構(gòu)造海洋平臺的幾何模型（圖4）。

圖4 海洋平臺幾何模型

通風擴散模擬時，設(shè)置由核心區(qū)域和拓展區(qū)域組成的網(wǎng)格模型，基于網(wǎng)格敏感性分析設(shè)置核心區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1m，拓展區(qū)域以1.2倍比例進行網(wǎng)格延伸。對泄漏孔附近網(wǎng)格進行局部加密以提高計算的穩(wěn)定性與準確性。圖5展示了動態(tài)泄漏場景下等效劑量氣云體積（Q9）[3]的變化。由圖可知，受ESD系統(tǒng)與放空系統(tǒng)的影響，Q9氣云體積呈先上升后下降的趨勢，然而Q9氣云體積衰減的時間明顯滯后于ESD 系統(tǒng)的啟動時間。這是因為ESD 系統(tǒng)啟動初期，泄漏速率較大，風場的稀釋能力不足，隨著泄漏速率的進一步衰減，風場的稀釋效應強于氣體的補充，Q9氣云體積隨之減小。圖6為工藝區(qū)不同時刻距離下層甲板1.5m平面硫化氫濃度分布。由圖可知，受到ESD 系統(tǒng)與放空系統(tǒng)的影響，該平面泄漏硫化氫氣體分布范圍同樣呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。因此，ESD系統(tǒng)、放空系統(tǒng)對泄漏氣體的擴散行為與蓄積狀態(tài)有很大影響，考慮過程工業(yè)危險氣體泄漏后果時應予以關(guān)注。

圖5 Q9動態(tài)變化曲線

圖6 距離下層甲板1.5m工藝區(qū)硫化氫濃度分布

爆炸模擬采用和通風擴散模擬相同規(guī)模的計算域，基于網(wǎng)格敏感性分析確定在爆炸模擬中采用均勻的1m網(wǎng)格。為提高數(shù)值計算的連續(xù)性與準確性，借助“data-dump”技術(shù)[25]開展可燃氣云爆炸模擬。通過“data-dump”技術(shù)可以將點火時刻可燃氣云空間分布狀態(tài)映射到爆炸模擬所采用的全新網(wǎng)格模型中，考慮了非均相可燃氣云的湍流長度尺度等因素，有效提高了爆炸超壓預測的準確性。

以圖2中3個監(jiān)測點（1#、2#、3#）為例，提取其爆炸超壓時程曲線，如圖7 所示。爆炸反應初期，燃燒速度小，爆炸超壓緩慢上升。隨著爆炸反應的進行，火焰燃燒速度增大，不同監(jiān)測點爆炸超壓相繼達到第1個波峰。隨后，由于反射效應或負壓效應，不同監(jiān)測點爆炸超壓產(chǎn)生幅值較小的第2個波峰。隨后經(jīng)過短暫的振蕩，爆炸超壓趨近于零。不難發(fā)現(xiàn)，盡管爆炸過程持續(xù)時間很短，但是不同位置爆炸超壓達到峰值的時間是不同的。因此，基于某一時刻爆炸超壓載荷分布評估爆炸事故后果是不合理的，應該結(jié)合不同位置最大爆炸超壓載荷開展事故后果評估。

圖7 下層甲板工藝區(qū)爆炸超壓峰值分布

4.3 應急疏散軌跡與時序

假設(shè)泄漏事故發(fā)生時作業(yè)人員（年齡介于30歲到50 歲）在下甲板工藝區(qū)的A點進行巡檢作業(yè)。根據(jù)海洋平臺的布局，其在下層甲板的疏散路徑為A-B（圖8）。作業(yè)人員移動逃生前首先要經(jīng)過危險感知和疏散響應兩個環(huán)節(jié)。作業(yè)人員依靠危險氣體監(jiān)測報警儀感知危險，且《含硫化氫油氣井安全鉆井推薦作法》指出危險氣體報警儀檢測到危險氣體后的最大響應時間為30s[26]。根據(jù)海洋平臺的應急演練假設(shè)作業(yè)人員的疏散響應時間為30s。假設(shè)氣體泄漏后立刻被檢測到，則作業(yè)人員進行移動逃生前最多耗時60s。

圖8 應急疏散軌跡

作業(yè)人員移動后的實時位置需要結(jié)合其移動速度獲取。參考國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）等相關(guān)標準[27-28]確定作業(yè)人員的平均移動速度（表2）。則爆炸事故發(fā)生時作業(yè)人員的實時位置為C。

表2 海洋平臺作業(yè)人員移動速度

4.4 硫化氫泄漏爆炸連鎖事故后果

泄漏發(fā)生后的應急疏散過程中，作業(yè)人員的位置和泄漏氣體的空間蓄積狀態(tài)都是隨時間變化的。面向整個氣體泄漏擴散過程，根據(jù)作業(yè)人員位置提取實時暴露硫化氫濃度（圖9）。結(jié)合式(3)～式(5)計算作業(yè)人員的硫化氫毒害致死率及對應的風險指標（表3）。點火時作業(yè)人員已抵達C，圖10為爆炸過程中C點超壓變化曲線。C點的爆炸超壓載荷不是初始位置為C的作業(yè)人員遭受的爆炸超壓載荷，而應是爆炸發(fā)生時位于C點的作業(yè)人員遭受的爆炸超壓載荷。C點爆炸超壓在點火后大約0.52s 達到最大，在爆炸超壓達到最大值的短暫時間內(nèi)認為作業(yè)人員位置不發(fā)生變化，則作業(yè)人員承受的最大爆炸超壓載荷為1.669×105Pa。根據(jù)作業(yè)人員承受的最大爆炸超壓載荷，結(jié)合式(5)～式(7)可獲得爆炸超壓致死的可能性及對應的風險指標（表3）?；陲L險的可加性，作業(yè)人員在連鎖事故中承受多種危險載荷的總風險指標為8.93（表3）。需要指出的是，由于缺乏描述中毒劑量與人員運動能力、抗爆能力關(guān)系的模型，因此認為事故過程中作業(yè)人員的運動能力與抗爆能力保持不變。

圖9 初始位置為A作業(yè)人員暴露硫化氫濃度(應急疏散)

圖10 C點爆炸超壓曲線

表3 事故后果關(guān)鍵參數(shù)

5 討論與分析

在海洋平臺下層甲板的不同位置，硫化氫毒害影響與爆炸超壓影響均可能起主導作用。如果作業(yè)人員初始位置為P1（圖8），則事故過程中硫化氫毒害載荷導致死亡的可能性與風險指標分別為8.101×10-11和8.101×10-10；爆炸發(fā)生時作業(yè)人員實時位置的最大爆炸超壓為1.657×105Pa，爆炸超壓載荷導致死亡的可能性與風險指標分別為0.797 和7.97。單獨考慮硫化氫毒害載荷的影響時P1幾乎是安全區(qū)域，然而爆炸超壓載荷的存在導致初始位置為P1作業(yè)人員的生命安全仍然受到威脅。如果作業(yè)人員初始位置為P2（圖8），爆炸事故發(fā)生時作業(yè)人員已抵達生活區(qū)模塊，由于防爆墻的阻隔防爆效應，單獨考慮爆炸超壓影響時初始位置為P2作業(yè)人員是安全的，然而初始位置為P2在疏散過程中將遭受嚴重的硫化氫毒害載荷，毒害影響的風險指標為8.26，綜合考慮多種危險載荷后P2是危險區(qū)域。因此，在海洋平臺含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故中，應該深入分析事故的災變演化過程，系統(tǒng)辨識事故中存在的危險載荷，對事故后果進行綜合評估。

應急疏散可以減緩大部分區(qū)域作業(yè)人員的受災程度，尤其是泄漏源下風向區(qū)域，應急疏散可以減少作業(yè)人員暴露于高濃度硫化氫的時間，還有利于作業(yè)人員穿過防爆墻到達爆炸超壓載荷較小的生活區(qū)。然而，作業(yè)人員在疏散過程中并不了解危險載荷的空間分布，因此應急疏散有可能加重作業(yè)人員的受災程度。例如，如果初始位置為A的作業(yè)人員在事故過程中不進行應急疏散，其承受爆炸超壓變化過程如圖11 所示，則作業(yè)人員承受最大爆炸超壓載荷為0.163×105Pa，爆炸超壓載荷導致死亡的可能性與風險指標分別為9.400×10-3和9.400×10-2，明顯小于進行應急疏散時所遭受爆炸超壓載荷導致的不良影響。如果作業(yè)人員初始位置為P3，分別考慮應急疏散和不考慮應急疏散提取作業(yè)人員暴露硫化氫濃度如圖12 所示。進行應急疏散和不進行應急疏散所遭受毒害影響的風險指標分別為0.84 和0.49。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是進行移動逃生前（0～60s），兩種情況下作業(yè)人員均處于初始位置，暴露硫化氫濃度軌跡相同；若不考慮應急疏散，60s 后作業(yè)人員暴露硫化氫濃度逐漸降低至零，然而該事故場景下移動逃生會使初始位置為P3的作業(yè)人員暴露于更高濃度的硫化氫，加重了硫化氫毒害載荷對作業(yè)人員的影響。綜上，作業(yè)人員的應急行為對含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故后果的嚴重程度具有重要影響。所提評估方法在統(tǒng)一的時間維度內(nèi)同步考慮作業(yè)人員的應急疏散行為以及疏散過程中危險載荷的變化，對海洋平臺含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故后果評估具有更好的適用性。

圖11 A點爆炸超壓曲線

圖12 初始位置為P3作業(yè)人員不同應急行為暴露硫化氫濃度

6 結(jié)論

（1）提出了一種含硫化氫天然氣泄漏爆炸連鎖事故后果動態(tài)評估方法。所提方法自泄漏事件考慮了事故的升級演化，評估毒害載荷影響與爆炸超壓影響時兼顧作業(yè)人員的應急疏散以及疏散過程中的危險載荷的變化，進而引入風險理念實現(xiàn)多種危險載荷影響的綜合評估。

（2）將所提動態(tài)評估方法應用于海洋平臺含硫化氫氣體泄漏爆炸連鎖事故后果評估。事故場景中考慮ESD系統(tǒng)與放空系統(tǒng)的影響設(shè)置動態(tài)泄漏速率，結(jié)合疏散時序及應急疏散軌跡確定作業(yè)人員實時位置。將評估結(jié)果與不考慮作業(yè)人員的應急疏散行為所得結(jié)果對比，論證所提方法的準確性與適用性。

（3）應急疏散對作業(yè)人員的受災程度有很大影響。但是應急疏散并不總能減緩硫化氫毒害載荷和爆炸超壓載荷對作業(yè)人員的影響。因為不了解危險載荷的時空發(fā)展，應急疏散可能導致作業(yè)人員暴露于更危險事故載荷。