基于事故場景模擬的平臺立管泄漏應(yīng)急處置方案研究與應(yīng)用

摘要：本文以我國南海某深水平臺為研究對象，基于國內(nèi)外立管失效事故統(tǒng)計分析，借助三維CFD軟件模擬得到該平臺立管可能的瞬態(tài)泄漏特性曲線以及可燃?xì)怏w擴(kuò)散和火災(zāi)事故影響范圍，并首次采用NORSOK標(biāo)準(zhǔn)，基于精確的量化數(shù)據(jù)支持，建立了一套完整的平臺立管泄漏應(yīng)急處置方案，不僅為平臺人員實施立管泄漏應(yīng)急響應(yīng)及救援工作提供指導(dǎo)，也為其他平臺立管應(yīng)急預(yù)案編制提供參考。

關(guān)鍵詞：平臺立管;泄漏;事故場景;CFD模擬;應(yīng)急處置

一、前言

平臺立管是海底管道從海底至海上平臺管段的總稱。立管作為海洋油氣輸送系統(tǒng)的重要組成部分，由于長期受到多種環(huán)境載荷和內(nèi)部載荷的聯(lián)合作用，已成為海底管道系統(tǒng)中最薄弱的構(gòu)件之一。據(jù)英國北海數(shù)據(jù)統(tǒng)計，海底管道和立管部分發(fā)生的泄漏事故中超過60%發(fā)生在立管部分，而且立管泄漏往往會造成災(zāi)難性事故，甚至導(dǎo)致失去整個平臺。

本文以我國南海某深水平臺為研究對象，在國內(nèi)外立管失效事故統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，借助三維CFD軟件開展平臺立管泄漏、擴(kuò)散、火災(zāi)和爆炸事故場景模擬，確定量化的事故影響范圍，并首次采用NORSOK標(biāo)準(zhǔn)，基于精確的量化數(shù)據(jù)支持，在應(yīng)急準(zhǔn)備分析結(jié)果上建立明確的平臺立管泄漏應(yīng)急處置方案，以期最大程度地預(yù)防和減少立管泄漏突發(fā)事件及其造成的危害，提高現(xiàn)場人員應(yīng)對平臺立管泄漏突發(fā)事件的響應(yīng)和處置能力，保障平臺人員生命和財產(chǎn)安全。

二、平臺立管介紹

該平臺共設(shè)計有10條立管，當(dāng)前階段已安裝5條立管，均分布在導(dǎo)管架的內(nèi)側(cè)，另有5條立管將在未來的開發(fā)過程中安裝，分布在導(dǎo)管架的外側(cè)。本次納入研究的立管主要包括2條22’’立管、1條14’’立管和1條30’’立管。平臺立管失效原因及泄漏頻率主要參考目前國際上幾個公開的數(shù)據(jù)庫（HSE[1]、PARLOC[2]、WOAD[3]、OGP[4]）以及LRC數(shù)據(jù)源，結(jié)合該平臺立管設(shè)計和運(yùn)行資料，給出如表1的推薦泄漏頻率。

三、平臺立管泄漏模擬及事故后果影響分析

1.平臺立管泄漏模擬

OLGA是專業(yè)瞬態(tài)多相流CFD模擬軟件，可以精確地模擬和分析流體真實動力學(xué)過程[5][6][7]。本次研究采用OLGA軟件建模，將立管的相關(guān)參數(shù)如流量、環(huán)境溫度、整體傳熱系統(tǒng)、SSIV和SDV的關(guān)閉時間、出入口壓力和輸送溫度、不同水深區(qū)域的管道內(nèi)徑作為模型輸入，同時考慮SSIV是否關(guān)閉以及在平臺的放空影響。 依據(jù)立管安裝位置，考慮四個泄漏位置，分別為立管底部泄漏、立管中部泄漏、立管飛濺區(qū)泄漏和立管平臺上泄漏。泄漏孔徑分為小型泄漏（20mm孔徑）、中型泄漏（50mm孔徑）、破裂泄漏（全孔徑）三種類型。

通過OLGA模擬，得到了不同泄漏孔徑、不同泄漏位置在兩種輸送流量下的泄漏速率特新曲線，作為下一步水上擴(kuò)散分析及火災(zāi)、爆炸分析的輸入，以獲得可燃?xì)庠圃谄脚_下和平臺上的分布和火災(zāi)、爆炸的影響范圍。對于SSIV關(guān)斷后的平臺立管泄漏持續(xù)時間計算結(jié)果見表2。

2.平臺立管泄漏事故后果模擬

（1） 模擬場景定義及輸入

KFX是用于模擬氣體擴(kuò)散和火災(zāi)的三維瞬態(tài)模擬軟件[8][9]，本文采用KFX對立管泄漏后的可燃?xì)怏w擴(kuò)散和火災(zāi)情況進(jìn)行模擬，分析平臺周圍可燃?xì)怏w擴(kuò)散及火災(zāi)熱輻射影響范圍。模擬場景選擇上主要考慮兩方面因素，一是盡可能地考慮到主要的泄漏類型;二是場景盡量可信、后果保守。下面以30’’立管在飛濺區(qū)泄漏后的氣體擴(kuò)散和火災(zāi)場景為例進(jìn)行分析說明。

對于30’’立管，主要考慮3種泄漏情形，即泄漏孔徑分別為20mm、50mm和全孔徑斷裂。由于泄漏速率隨著時間逐漸降低，選擇泄漏發(fā)生后第1分鐘的泄漏質(zhì)量流量作為火災(zāi)模擬的輸入。對于泄漏位置，選擇海平面以上5m高度處。由于飛濺區(qū)所處區(qū)域幾乎無障礙物和填充物，且泄漏速度很高，在相同泄漏方向和風(fēng)向下，風(fēng)速對噴射火災(zāi)的影響較小，因此選擇該平臺所處海域的年平均風(fēng)速5m/s作為參考風(fēng)速。由于立管位于平臺西側(cè)，根據(jù)后果不利的原則，假設(shè)風(fēng)向向東，即吹向生活樓。由于立管出海面后為豎直向上，因此對于泄漏孔徑20mm和50mm，泄漏方向最大可能為垂直于管壁，即沿水平方向泄漏。而對于斷裂情形，泄漏方向最大的可能性為豎直向上。對于未發(fā)生點燃的泄漏情形，由于風(fēng)速會對氣體擴(kuò)散產(chǎn)生影響，因此考慮兩種風(fēng)速，分別為1m/s和5m/s。

（2）立管飛濺區(qū)泄漏后果模擬

通過模擬分析，只有斷裂泄漏被點燃的概率較大，對于斷裂泄漏，需注意高風(fēng)速天氣情況。因為高風(fēng)速有利于氣體的擴(kuò)散，形成較大的可燃?xì)庠疲掖饲樾蜗戮壬Ш椭鄙龣C(jī)甲板的可用性均受到影響。對于小型和中型泄漏，由于形成的可燃?xì)庠戚^小，被點燃的可能性較低，其泄漏對救生艇和生活樓的可用性影響也較小。對于飛濺區(qū)的立管泄漏，小型和中型泄漏所導(dǎo)致的噴射火不會對平臺產(chǎn)生重要威脅，但需要注意噴射火對平臺結(jié)構(gòu)的影響。斷裂泄漏會導(dǎo)致嚴(yán)重的火災(zāi)后果，人員逃生將十分困難.

（3）立管飛濺區(qū)泄漏影響分析

根據(jù)ISO17776風(fēng)險矩陣[10]，對30’’立管飛濺區(qū)泄漏后氣體擴(kuò)散和火災(zāi)后果對平臺影響及事故升級可能性進(jìn)行分析[11]，分析結(jié)果見表3和表4。

四、平臺立管泄漏應(yīng)急處置方案制定

基于以上事故場景模擬結(jié)果，依照NORSOK Z-013[12]和GL0282[13]標(biāo)準(zhǔn)要求開展應(yīng)急準(zhǔn)備分析，從水下、飛濺區(qū)和下層甲板三個不同位置對可能發(fā)生的危害和事故情形進(jìn)行識別和定義，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對各DHSA的相關(guān)性能要求和必要措施進(jìn)行匯總，根據(jù)該平臺現(xiàn)有應(yīng)急管理流程資源，通過組織現(xiàn)場人員和陸地相關(guān)應(yīng)急管理人員開展頭腦風(fēng)暴討論，整理形成各DHSA的應(yīng)急準(zhǔn)備措施及建議，為下一步應(yīng)急處置方案編制提供基礎(chǔ)。

綜合應(yīng)急準(zhǔn)備分析結(jié)果，在公司級和平臺級應(yīng)急預(yù)案框架下，針對每一類事故場景制定一套詳細(xì)且量化的平臺立管泄漏現(xiàn)場應(yīng)急處置方案。這里有幾點經(jīng)驗供參考：

（1）除常規(guī)巡檢及壓力數(shù)據(jù)曲線變化識別等手段，可以增加火焰探測器報警這一技術(shù)措施來提示異常發(fā)生;

（2）明確事故報告內(nèi)容，包括：泄漏立管、報警探測器所在區(qū)域、可視火焰直徑、火焰高度、火焰距離平臺的距離等;

（3）增加立管泄漏情形的判斷依據(jù)，如通過火焰直徑判斷泄漏大小、通過火焰位置判斷泄漏位置等。其中泄漏大小的判斷依據(jù)為：壓力曲線驟降，火焰直徑較大或火焰直徑中等但燃燒較為猛烈，可判斷為大型泄漏;火焰直徑較小，可判斷為中小型泄漏。泄漏位置的判斷依據(jù)為：火焰距離平臺650m范圍內(nèi)，立管泄漏可能性較大，可進(jìn)一步通過記錄SSIV關(guān)斷后的泄漏持續(xù)時間判斷是否為立管泄漏。

（4）針對大型泄漏和中小型泄漏，分別建立起相應(yīng)的應(yīng)急程序，同時結(jié)合泄漏模擬與應(yīng)急準(zhǔn)備分析結(jié)果，對各個應(yīng)急環(huán)節(jié)給出詳細(xì)且量化的控制行動要求。如上報與通知環(huán)節(jié)：劃定警戒區(qū)域（火焰邊緣以外半徑1公里范圍內(nèi)），泄漏階段不使用直升機(jī)。處置環(huán)節(jié)：啟動EDS1級關(guān)斷，并對泄漏立管的SSIV及SDV關(guān)斷進(jìn)行確認(rèn);啟動噴淋系統(tǒng)對受影響的區(qū)域水幕保護(hù);如火焰位于平臺下方，可視火勢情況進(jìn)行現(xiàn)場滅火;針對大型和中小型泄漏，火焰位于平臺附近且距離分別小于700m和300m，可以請求平臺守護(hù)船對可能受泄漏火災(zāi)影響的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行水幕保護(hù)。撤離環(huán)節(jié)：SSIV無法關(guān)閉，火焰移至平臺附近或下方，進(jìn)而平臺上發(fā)生火災(zāi)爆炸，應(yīng)撤離平臺;逃生手段優(yōu)先考慮救生艇。

（5）建議補(bǔ)充工藝流程圖及事故后果模擬三維圖，為現(xiàn)場人員的日常培訓(xùn)演練及應(yīng)急處置作為資料參考。

五、結(jié)語

借助三維CFD開展平臺立管泄漏模式及應(yīng)急處置方案研究，確定量化的事故影響范圍，在應(yīng)急準(zhǔn)備分析基礎(chǔ)上建立明確的平臺立管泄漏現(xiàn)場應(yīng)急處置方案。該方案不僅彌補(bǔ)平臺立管泄漏現(xiàn)場應(yīng)急方案的空白，而且可為其他平臺設(shè)施立管應(yīng)急預(yù)案編制提供借鑒和參考，更重要的是有效促進(jìn)了基于事故場景模擬的應(yīng)急準(zhǔn)備、應(yīng)急響應(yīng)和應(yīng)急管理能力的提升，為公司應(yīng)急能力建設(shè)發(fā)揮了積極作用。

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作者簡介：譚珮琮（1985-），女，碩士，工程師，現(xiàn)就職于中海石油（中國）有限公司深圳分公司，主要從事海洋油氣田開發(fā)工程設(shè)計與安全分析評估工作。