基于多米諾的橇裝天然氣處理廠事故后果研究

劉明明 ，張洪杰，朱琳，李文倩，鄭子龍

1.新疆油田公司克拉美麗采氣一廠，新疆 克拉瑪依 834000；2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500

引言

大型廠站的簡(jiǎn)易預(yù)制模塊化橇裝設(shè)備具有施工建設(shè)速度快、施工建成時(shí)間短、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，但是由于橇裝化天然氣處理廠的平面空間限制，各設(shè)備在橇塊內(nèi)擺放時(shí)，橫向上距離近，縱向上高度延伸，在整個(gè)空間上布置緊密[1]。假如一般處理廠需要在約2 500 m2的平面上擺放設(shè)備，橇裝化處理廠擺放同樣多的設(shè)備只需約1 000 m2的占地面積[2]。但由于設(shè)備間結(jié)構(gòu)緊湊，一旦某設(shè)備發(fā)生泄漏引發(fā)爆炸事故，由于多米諾效應(yīng)導(dǎo)致周?chē)O(shè)備也發(fā)生事故[3]。本文根據(jù)橇裝化處理廠橇塊的緊密性，提出研究橇內(nèi)某一設(shè)備發(fā)生事故后由于多米諾效應(yīng)對(duì)周?chē)O(shè)備以及作業(yè)區(qū)人員產(chǎn)生的影響，聯(lián)合用Probit 法研究二次事故發(fā)生概率和用改進(jìn)Probit法研究三次事故發(fā)生概率，再比較一次事故和二次事故的后果嚴(yán)重度，使嚴(yán)重度評(píng)估更加貼近實(shí)際。

1 橇塊內(nèi)設(shè)備多米諾效應(yīng)分析

1.1 大型天然氣處理廠模塊化建設(shè)

大型天然氣處理廠內(nèi)的橇塊一般在空間上疊加[4]，每層橇塊有許多不同設(shè)備，橇內(nèi)管線經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)整齊緊湊，橇塊內(nèi)設(shè)備比較輕，便于運(yùn)輸（圖1）。

1.2 典型天然氣處理廠橇塊組成和布局

一般天然氣處理廠模塊化裝置設(shè)備布置應(yīng)滿足相關(guān)的安全規(guī)范、行業(yè)規(guī)范、日常操作和檢維修以及吊裝要求等[5]。

設(shè)備的布置遵循工藝流程走向和同類(lèi)設(shè)備集中分布相結(jié)合的原則[6]，流程走向如圖2 所示，同類(lèi)設(shè)備的集中分布結(jié)合如圖3 所示。

圖2 一般天然氣處理廠布置平面圖Fig.2 Layout plan of general natural gas treatment plant

圖3 一般天然氣處理廠橇塊主視圖Fig.3 Main view of skid in general natural gas treatment plant

1.3 多米諾效應(yīng)基本概念及概率模型

滿足下列3 個(gè)條件[7]就可定義為多米諾效應(yīng)：（1）有初始事故；（2）初始事故附近有受影響的其他目標(biāo)；（3）初始事故可以引發(fā)二次乃至N 次事故。

橇內(nèi)設(shè)備火災(zāi)爆炸類(lèi)初始事故常見(jiàn)以沖擊波和熱輻射2 種物理方式影響周?chē)O(shè)備，其Probit 法概率模型[8]為

式中：PE設(shè)備損壞概率，%；

a積分變量，無(wú)因次；

b概率單位，無(wú)因次。

1.3.1 初始事故引發(fā)二次事故的概率單位

一般發(fā)生爆炸后沖擊波超壓的影響范圍要比熱輻射的廣，嚴(yán)重程度也比熱輻射的強(qiáng)[9]，故主要從沖擊波超壓考慮事故后果[10]。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本次概率單位不考慮橇殼對(duì)橇內(nèi)設(shè)備的保護(hù)作用。

可能受到?jīng)_擊波破壞的設(shè)備有4 種類(lèi)型（表1），初始事故對(duì)周?chē)煌?lèi)型的設(shè)備損壞的Probit 法概率單位[11]計(jì)算式如表1 所示。

表1 沖擊波概率單位Tab.1 Probability unit of shock wave

1.3.2 N 次事故引發(fā)N+1 次事故條件和概率單位

一次事故發(fā)生后，若根據(jù)式（1）計(jì)算出的二次事故發(fā)生概率為100%，則認(rèn)為二次事故一定會(huì)發(fā)生，同理，N-1 次事故發(fā)生后算的N 次事故發(fā)生概率為100%則N 次事故必然會(huì)發(fā)生[12]。

在考慮沖擊波作用于設(shè)備的情況下，每次事故的發(fā)生概率都會(huì)受到前面多次事故的影響[13]，發(fā)生三次事故的概率單位會(huì)由于受到一次事故和二次事故的影響而發(fā)生變化。張明光提出了在僅考慮沖擊波超壓的二次事故引發(fā)三次事故改進(jìn)的Probit法[14]，概率單位如表2 所示。

表2 改進(jìn)的沖擊波概率單位Tab.2 improved probability units of shock wave

1.3.3 設(shè)備超壓閾值

取設(shè)備輕微損失狀態(tài)的沖擊波超壓值作為其超壓閾值，4 種設(shè)備的推薦超壓閾值[14]如表3 所示。

表3 設(shè)備超壓閾值Tab.3 Equipment overpressure threshold

2 橇塊內(nèi)設(shè)備的失效概率

2.1 橇塊基本特征

處理廠內(nèi)模塊由橇塊組成。設(shè)備、管道、閥門(mén)和儀表等部件安裝在鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后多層拼接組裝，節(jié)約了處理廠用地面積[16]。

圖4 模塊拆分為橇塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of module split into skid

2.2 橇內(nèi)設(shè)備失效概率

API 581 中基于風(fēng)險(xiǎn)的檢測(cè)方法（RBI）可以根據(jù)設(shè)備的損壞因素和管理因素，修正橇裝處理廠設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行后可能發(fā)生故障的頻率，設(shè)備的失效概率計(jì)算公式為[17]

3 撬裝化設(shè)備重大事故后果定量分析

3.1 人員傷亡概率分析

橇內(nèi)設(shè)備發(fā)生爆炸后的沖擊波對(duì)周?chē)鳂I(yè)區(qū)人體的傷害，可用人員傷亡概率模型[18]計(jì)算

由沖擊波所引起的人員受傷概率單位，如表4所示[19]。

表4 人員受傷概率單位Tab.4 Personal injury probability unit

作業(yè)區(qū)有遮蔽物場(chǎng)所人員受到?jīng)_擊波超壓的傷害程度和傷害半徑需要根據(jù)表5 中人員傷亡超壓閾值[20]確定。

表5 人員傷亡超壓閾值Tab.5 Casualty threshold

3.2 事故影響范圍確定

利用PHAST 軟件對(duì)橇內(nèi)設(shè)備發(fā)生一次事故的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果得到?jīng)_擊波超壓與距離的曲線。

通過(guò)周?chē)O(shè)備與起爆點(diǎn)的距離和超壓值可以計(jì)算出周?chē)O(shè)備發(fā)生二次事故的概率，根據(jù)沖擊波超壓引起的設(shè)備損壞閾值和人員受傷閾值可以得到一次事故的影響范圍。

若得出某設(shè)備發(fā)生二次事故的概率為100%，則用同樣方法模擬出二次事故的影響范圍和周?chē)O(shè)備發(fā)生三次事故的概率。

4 應(yīng)用舉例

某橇裝化處理廠內(nèi)有脫水工程和深冷工程2 個(gè)模塊，其中設(shè)備的三維設(shè)計(jì)圖如圖5 所示，尺寸標(biāo)記圖如圖6 所示。模塊內(nèi)的橇塊及設(shè)備位號(hào)代表的意思如表6 所示。

圖5 三維設(shè)計(jì)圖Fig.5 3D design drawing

圖6 尺寸圖(單位m)Fig.6 Dimension drawing(unit:m)

表6 子模塊及橇塊設(shè)備位號(hào)表Tab.6 tag number of sub module and skid equipment

4.1 設(shè)備固有失效概率

以子模塊7 的第二層橇塊7-2 脫乙烷塔底重沸器作為例子進(jìn)行評(píng)價(jià)。脫乙烷塔底重沸器長(zhǎng)1.50 m、寬0.95 m、高0.75 m，設(shè)計(jì)壓力7.8 MPa，運(yùn)行壓力3.0 MPa，設(shè)備平均腐蝕速率為0.88 mm/a。

脫乙烷塔底重沸器各項(xiàng)損傷因素如表7 所示，具體過(guò)程可參見(jiàn)規(guī)范API 581[21]。

表7 設(shè)備各項(xiàng)損傷因素Tab.7 damage factors of equipment

根據(jù)該處理廠的情況得管理修正因素為0.372，查同類(lèi)設(shè)備失效頻率數(shù)據(jù)庫(kù)[21]可知，脫乙烷塔底重沸器的一般失效頻率gff為3.06×10-5。通過(guò)式(1)得該脫乙烷塔底重沸器失效概率Pf為9.48×10-5。同理可以算出其它設(shè)備的失效概率，如表8 所示。

表8 各橇塊內(nèi)設(shè)備失效概率Tab.8 failure probability of equipment in each skid

以上可以知道重沸器的失效概率較高，本次模擬以脫乙烷塔底重沸器失效為例計(jì)算事故后果。

4.2 初始事故過(guò)程分析

由于脫乙烷塔底重沸器內(nèi)部腐蝕發(fā)生破裂，裂孔當(dāng)量直徑為16.80 mm，由于爆炸超壓對(duì)橇塊周?chē)脑O(shè)備都有影響，故假設(shè)泄漏時(shí)大氣穩(wěn)定，無(wú)風(fēng)，大氣濕度0.85，大氣穩(wěn)定度為較穩(wěn)定，溫度20°C，處理廠的響應(yīng)截?cái)鄷r(shí)間為20 min，人員暴露時(shí)間為10 s。輸入?yún)?shù)后，模擬條件下的泄漏速率qm為1.74 kg/s。

4.3 設(shè)備損壞與人員傷亡概率分析

模擬的初始事故類(lèi)型為蒸汽云爆炸，模擬出爆炸超壓與距離的關(guān)系曲線見(jiàn)圖7，以起爆點(diǎn)為原點(diǎn)。

圖7 沖擊波超壓與距離關(guān)系圖Fig.7 Relationship between shock wave overpressure and distance

將脫乙烷塔重沸器周?chē)O(shè)備所對(duì)應(yīng)的沖擊波超壓值分別代入表1 的概率單位公式，得到?jīng)_擊波超壓引發(fā)的設(shè)備損壞概率單位（b 值），利用Probit 模型計(jì)算出周?chē)O(shè)備發(fā)生二次事故的概率。

同理得到作業(yè)區(qū)間對(duì)應(yīng)的沖擊波超壓值和人員受傷概率，由表5 得知人員傷亡的后果半徑，模擬后果如圖8 所示。概率計(jì)算結(jié)果如表9 所示。

表9 二次事故發(fā)生概率表Tab.9 probability of secondary accidents

圖8 一次事故人員傷亡半徑圖Fig.8 Radius of casualties in primary accident

由表9 可以看出，脫乙烷塔頂回流泵和脫乙烷塔頂回流罐的失效概率都是100%，為了簡(jiǎn)化模擬，假設(shè)脫乙烷塔頂回流泵和脫乙烷塔頂回流罐的破損程度一樣，而且同時(shí)發(fā)生泄漏燃爆，根據(jù)處理廠每小時(shí)的處理量為18 600 kg，假設(shè)緊急截?cái)鄷r(shí)間為20 min，模擬的大氣環(huán)境和脫乙烷塔底重沸器起爆時(shí)的一樣。

由于脫乙烷塔頂回流泵和脫乙烷塔頂回流罐分別位于脫乙烷塔底重沸器的正上方和正下方，也就是說(shuō)脫乙烷塔底重沸器的位置就是兩個(gè)起爆點(diǎn)的連線中心位置，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，也把各個(gè)設(shè)備到起爆點(diǎn)的橫向距離設(shè)為到脫乙烷塔底重沸器的距離。設(shè)定初始事故類(lèi)型為蒸汽云爆炸，得到?jīng)_擊波超壓與距離的關(guān)系如圖9 所示，圖中以起爆點(diǎn)連線的中心點(diǎn)為原點(diǎn)。

圖9 沖擊波超壓與距離關(guān)系圖Fig.9 Relationship between shock wave overpressure and distance

用改進(jìn)的Probit 模型得到周?chē)O(shè)備發(fā)生三次事故的概率。計(jì)算作業(yè)區(qū)對(duì)應(yīng)的沖擊波超壓值和人員受傷概率，由表5 得知人員傷亡的后果半徑，模擬后果如圖10 所示。概率計(jì)算如表10 所示。

表10 三次事故發(fā)生概率表Tab.10 probability of thirdly accidents

圖10 二次事故人員傷亡半徑圖Fig.10 Radius of casualties in secondary accident

4.4 分析與討論

由表3 可知壓力設(shè)備的超壓閾值為0.03 MPa，根據(jù)表8 和表9 可知在超壓閾值范圍內(nèi)，多米諾公式計(jì)算的設(shè)備損傷概率比RBI 法計(jì)算的設(shè)備失效概率要高，而且同一距離的不同壓力設(shè)備失效概率不同。

以壓力設(shè)備的超壓閾值0.03 MPa 為界限，由圖7 和圖9 可以看出一次事故的超壓影響半徑為49.50 m，最遠(yuǎn)可以影響到脫固體雜質(zhì)塔；二次事故的超壓影響半徑為161.20 m，最遠(yuǎn)可以達(dá)到再生氣分離器，二次事故影響半徑達(dá)到一次事故的3.26倍。

由表9 和表10 可以看出，一次事故發(fā)生后，多米諾模型計(jì)算出失效概率為1 的設(shè)備距離起爆點(diǎn)4.00 m 左右，二次事故發(fā)生后，多米諾模型計(jì)算出失效概率為100%的設(shè)備距離起爆點(diǎn)達(dá)到17.00 m附近，很有可能發(fā)生三次事故。

由表9 和表10 可以看出，不論是一次事故還是二次事故發(fā)生，作業(yè)區(qū)的人員受傷概率都是100%，故要把作業(yè)區(qū)作為重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象，加強(qiáng)防護(hù)。

5 結(jié)論

（1）一般的天然氣處理廠已經(jīng)屬于高危場(chǎng)所，橇裝化處理廠比一般的處理廠還要危險(xiǎn)，在超壓閾值范圍內(nèi)，多米諾公式計(jì)算的設(shè)備損傷概率比RBI法計(jì)算的設(shè)備失效概率要高，而且同一距離的不同壓力設(shè)備失效概率不同。

（2）一次事故的超壓影響半徑為49.50 m，二次事故的超壓影響半徑為161.20 m，由于二次事故影響半徑達(dá)到一次事故的3.26 倍，故做防護(hù)措施時(shí)要著重防護(hù)一次事故發(fā)生進(jìn)而切斷二次事故的可能性。

（3）二次事故不僅比一次事故的影響范圍更廣，引發(fā)三次事故的概率也更加高了，所以站場(chǎng)要做好緊急截?cái)嗟姆雷o(hù)措施。

（4）不論是一次事故還是二次事故發(fā)生，作業(yè)區(qū)的人員受傷概率都是100%，故要把作業(yè)區(qū)作為重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象，加強(qiáng)防護(hù)。

（5）本次多米諾概率的計(jì)算未考慮橇殼對(duì)橇塊的保護(hù)作用，在未來(lái)的概率單位計(jì)算時(shí)可以考慮修正，使計(jì)算結(jié)果更加精確。