量化风险分析(QRA)在FPSO上的应用*

夏 鑫

(七○八研究所 上海 200011)

量化风险分析(QRA)在FPSO上的应用*

夏 鑫

(七○八研究所 上海 200011)

风险评估;FPSO;油气泄露;QRA;火灾;爆炸

通过对某FPSO可能发生的火灾与爆炸的风险进行量化风险分析(QRA),最终得出了FPSO上各类人员的个体风险值和所有人员的群体风险值。针对风险过高的情况,考虑了两种风险降低措施(加装防火墙,加大模块间安全间距),并对风险进行了重新计算,取得了一定的风险降低效果。

0 引 言

近年来,随着世界海洋油气工业的不断发展,海上油气生产及储运设施的安全问题越来越受到人们的重视,尤其是1988年英国北海Piper Alpha平台的爆炸事故发生后,风险评估成为许多国家主管机关对海上油气工程项目的法定要求,各类风险评估方法越来越多地被用以分析系统存在的各类风险[1,2]。

通过风险评估,对FPSO的设计、建造、运营等过程中存在的事故和事故隐患及其后果进行系统分析,针对事故和事故隐患发生的可能原因和条件,提出消除危险的技术措施方案,特别是从设计角度采取相应措施,设置多重安全屏障,实现生产过程的本质安全化,做到即使发生误操作或设备故障,系统存在的危险因素也不会导致重大事故发生。

1 QRA核心内容

1.1 风险衡量

FPSO油气处理系统发生火灾和爆炸的总体风险最终以两个风险值来表述[3],即:个人风险和群体风险(又称社会风险)。

1.1.1 个人风险

个人风险所用到的指标是“个人年度的风险”(Individual Risk Per Annum,IRPA)。IRPA值按下式计算:

式中 Tj——各类人员在FPSO不同区域出现的时间概率;

p(lossk)——系统第k个节点发生事故后的

人员丧生的风险概率。

p(lossk)按照文献[4]中,Pate-Cornell给出的系统风险计算公式计算:

式中,lossk为系统第k阶水平的损失,在本文中,表示第k个节点发生事故后的损失,{lossk}构成了一个离散的损失分布;ini为第i个顶事件,{ini}构成了所有顶事件的集合;fistm为第m个底事件,{fistm}构成了所有底事件的集合;p为相应的概率;p(lossm｜fistm)为第m种底事件fistm发生时,系统第k阶水平损失的条件概率,在本文中,表示第k个节点在fistm的事故类型下的损失概率。

个人年度风险是一个很好的评价指标,因为它表征的是某一工种的个体风险,而与暴露于危险中的人员数量无关。在本文的QRA分析过程中,IRPA被用来进行评价PFSO上各类工作人员的个体风险,并和相关的风险可接受标准进行比较分析。通过比较,可以清楚看出哪类工种面临着较高的风险。

1.1.2 群体风险

群体风险衡量的是作业对公司、行业或者社会的风险。对于社会风险的表述有许多种,于海上设施来讲最常用的是“潜在的生命损失”(Potential Loss of Life,PLL)。PLL定义为每年死亡人数的长期评价值,数学表达式表示为:

式中 Ni——各类工种的人员总数。

PLL衡量的是作为一个整体的一群人所面临的风险,通常是作业公司的风险管理部门非常关心的指标。在对不同的风险消减措施的有效性进行评价时,最恰当的方法是对它们的PLL值进行比较。

1.2 风险可接受准则

对于风险评估的结果,人们往往认为风险越小越好,这实际上不是一个合理的观点。因为减少风险是要付出代价的,无论是减少事故发生的概率还是采取防范措施使事故造成的损失减小,都要投入资金、技术和劳务,而且往往这些投入是巨大的。风险可接受准则的确定就是要解决“怎样的安全是安全”的问题,解决此问题通常的做法是将风险限定在一个合理的、可接受的水平上,针对影响风险的各种因素,经过优化,寻求最佳的投资方案。

目前确定的风险接受准则主要有:ALARP原则、F/N曲线、风险矩阵等。ALARP(As Low As Reasonable Practicable,ALARP)原则又称最低合理可行原则。在海洋工程事故风险分析中被广泛采用的是ALARP原则。在本文的QRA分析中,对风险的评价即采用ALARP原则,并采用在海洋工程风险评估领域被广泛接受的风险限值[5],即个体年度风险值的最大可容忍水平为每千年一次(即1×10-3次/年)死亡,就个体风险而言,当其风险值在此风险限值之上时,就认为此风险是不可容忍的,必须考虑并采取风险降低措施。

个体年度风险值“被广泛接受”的最高水平为十万年一次(1×10-5次/年)死亡,当个体风险值在此风险限值之下时,只需要保证风险能够维持在此等级水平内,而不需要进一步采取预防和风险降低措施。

在高低限值之间的值域即为ALARP区。处于ALARP区的风险,应在满足使其“尽可能低”的要求下,来尽可能地降低风险水平。但是系统的风险水平越低,要进一步降低就越困难,其成本往往呈指数级上升。所以,必须在系统的风险水平和成本之间作出折衷。风险等级示意图如图1所示。

图1 风险等级示意图

1.3 QRA计算主要程序[6]

QRA流程如图2所示。

1.3.1 系统分析

对一个系统进行QRA分析,必须首先要了解该系统的功能、系统的组成以及操作、检测、维修的程序。此外,还应确定该系统与其他关联系统及物理环境之间的关系,也就是要确定物理和功能的边界条件。在此基础上明确我们要分析的系统及其面对的问题。对于大型的复杂的系统,为使风险分析易于进行,有必要将大系统分成若干节点,对每个节点单独进行分析,并最终加以综合,以形成对全部风险的整体描述。

图2 量化风险分析(QRA)流程

1.3.2 危害识别

这一步的目的在于找出所有可能的危险源,这些潜在的危险源往往是导致系统发生严重事故的触发事件。在本文第二章中给出的几种方法,如安全检查表分析、HAZOP分析、FMEA法等都是进行危害识别的有效方法,但是没有一种方法可以确保做到一个完全的、无疏漏的危害识别,而只能依赖于良好的工程判断力和丰富的经验相结合。

1.3.3 频率分析

频率分析是对危险源发生事故频率的估算。这可以从历史的统计资料中得到;也可以通过故障树分析来建立危险产生的逻辑模型,进而找出详细的原因和计算发生的概率;还可以用可靠性方法估计构件的失效概率。对于一些特殊情况,如:动态的过程或人的行为,则需要用到一些特殊的方法,如人因模式故障、影响与关键性分析等。

1.3.4 后果分析

后果分析是假定事故发生后,对其严重程度以及造成损失的一种评估。同一危险源引发的事故,由于子事件的不同,可能导致多种事故类型。在描述事故类型方面,事件树分析是常用的有效方法,事件树的源头为顶事件,它的每一分支代表一种事故类型。后果分析中需要参考的内容往往很多。针对油气处理系统的事故后果分析,需要参考的内容包括:可燃液体/气体泄漏后的扩散范围、喷火火焰长度,热辐射范围,爆炸压力分布及超压的半径等等。

1.3.5 风险的计算

对于系统的总体风险计算是综合频率分析和后果分析的结果,按照公式(1)、(2)、(3)的方法计算各类员工的个体风险和群体风险值。

1.3.6 风险评价

风险结果以图表、报告等形式清楚地给出,风险评价的结果应该提供:

(1)设计方案是否满足一定的风险可接受准则;

(2)找出影响系统风险的主要因素,并且提出风险降低措施;

(3)对系统的某种改进措施作出风险评估,确定风险减低的效果。

2 FPSO油气处理系统风险计算

2.1 频率分析

在进行频率分析之前,首先将各个节点内的工艺装置(或设备)可能发生的泄漏情况根据物料流速的大小划分为三种类型,即小泄漏、中泄漏和大泄漏,见表1。这种划分既能够基本上代表所有类型的泄漏特点,又可使分析得以简化。泄漏类型分级同样会在后面的后果模拟分析中得到应用,根据代表性流速来计算不同类型的泄漏所产生的油气泄漏量,这是在PHAST中进行后果模拟建模的基本输入量。

表1 泄漏率分级

如果某一工艺节点在正常操作状态下,其中的物料流速是介于1 kg/s～10 kg/s之间时,则认为此节点没有发生大泄漏的可能,因此对此节点只进行中/小泄漏模拟。

FPSO工艺系统各个节点的泄漏频率的计算是以油气处理系统工艺流程图(P＆ID)为基础,精确统计各节点内各种类型的设备和部件的个数(如压力容器、阀门、法兰、泵,压缩机等)及管线长度,然后将统计数据输入到DNV泄漏频率分析软件LEAK中进行计算。通过统计和计算,各节点的泄漏频率如下表2所示:

表2 FPSO各节点泄漏频率

2.2 后果分析

2.2.1 可燃物质泄漏扩散(参见图3、图4)

根据FPSO油气处理系统各节点的操作状态(如吸收塔的温度、压力,管线中的物料流速等),在PHAST软件中建立各节点的泄漏模型来模拟发生泄漏事故后,可燃气体/液体的扩散情况。

2.2.2 喷火(参见图5、图6)

喷火是气体泄漏燃烧时的一种状态,主要由一些泄漏要素决定,如泄漏孔径和压力。典型的喷火会形成一条狭长的圆锥形燃烧带。可燃气体形成的喷火会释放出大量的辐射热量,因此其可能造成的事故后果严重程度主要决定于泄漏的方向、位置、周围活动作业人员数量等。在一定的喷火辐射等级范围内,如果有人员暴露其中,必将会造成伤亡损失。

2.2.3 闪火(参见图7)

闪火是由可燃气体云团聚集并被点燃而形成的一种火灾形式,由于区域比较空旷,气流不受限制,故闪火通常不会产生超压和热辐射。这些气体云团通常在离开泄漏源后被点燃。由于热浪的影响,燃烧的区域会扩张至可燃气体爆炸下限范围之外。通常闪火持续的时间相对较短。油气泄漏产生的闪火,如果有人员暴露其区域内,将会造成伤亡。

图3 1号节点LPG回收气小泄漏扩散侧视图

图4 15号节点原油中泄漏扩散侧视图

图5 喷火火焰热辐射等高线图

图6 喷射火焰热辐射强度与下风向距离曲线

图7 闪火危害范围曲线

2.2.4 爆炸(参见图8)

爆炸是由可燃气体云团的急剧燃烧,并受限在一定区域内(通风状况不良,气流受限)或遇到阻碍而形成压力激增的一种现象。爆炸所产生能量的迅速释放会产生剧烈的压力冲击波,从而造成人员伤亡和FPSO上某些结构的破坏。通常在分析中,爆炸有别于闪火,其产生能量的迅速释放会产生爆炸碎片,而且气体燃烧的同时会使超压破坏等级加强。

图8 爆炸超压与危害距离曲线

2.3 风险结果

见表3。

3 风险评价

图1中,ALARP区域的上下限值采用的是文献[5]中给出的,海洋工程风险评估领域被广泛接受的个体风险标准,即:上限为1×10-3次/年,下限为1×10-5次/年。值得说明的是,此风险标准被普遍认为是海上工作人员承受所有可能危害的风险值,而本文只对FPSO上油气处理工艺运系统进行了风险分析,而没有计算船舶碰撞、结构失效等危险源的风险。根据海上油气工业风险标准及历史统计数据中油气处理工艺系统风险在海上全部风险中所占的比例,本文将ALARP区域的上下限分别设定为7×10-4次/年和7×10-6次/年。

表3 FPSO上各类人员风险值

图9 FPSO上各类人员个体风险评价

通过风险评价三角形可以看出,FPSO上所有人员的个体风险虽都处于ALARP区域,但可以明显看出生产操作人员的个体风险已经非常接近风险不可容忍区域的下限。维修作业和甲板海上工作人员的个体风险也都处于较高的位置,有必要考虑采取风险降低措施,来降低这几类人员的个体风险。

4 风险降低措施

4.1 加装防火墙

在船舶及海洋工程领域,控制火灾对其他区域(或模块)的影响,最常用的措施就是在相邻区域(或模块)间加装防火墙。考虑FPSO上各类人员的分布及危险区域划分情况,为能够有效地降低生产操作及维修作业人员的个体风险值,故在原油处理区和公用工程区之间加装一道H120级防火墙,并对风险进行重新计算,风险结果见表4。

4.2 加大模块间安全间距

由事故后果模拟分析结果可知,在同样的火灾和爆炸事故条件下,即在相同的喷火距离和爆炸超压半径下,加大工艺模块间的安全距离,可以降低火灾和爆炸对邻近模块的影响,即降低火灾和爆炸波及其他区域的后果值。

表4 加装防火墙后FPSO上各类人员风险值

综合考虑FPSO总体布置及各区域的人员分布情况,由于各类工作人员出现在船艏甲板区的时间非常短,故本文在不加大FPSO总船长的情况下,将LPG回收处理模块整体向船艏方向平行移动9m距离,并对风险进行重新计算,风险结果见表5。

表5 加大模块间安全间距后FPSO上各类人员风险值

5 结 语

(1)本文对FPSO油气处理工艺系统由于物料泄漏而导致的火灾和爆炸的事故进行了量化风险分析,风险结果表明,FPSO上全体工作人员的个体风险值都处于风险评判准则的ALARP区域,如果降低风险需要付出的成本过高,那么认为此风险值是可以忍受的;

(2)PHAST软件能够很好地对油气处理系统中发生的各种事故进行后果模拟分析,并能将计算结果以图形和报告的形式直观形象地表达出来。但是要正确合理地使用该软件需要结合工程实际,对模拟过程中每一参数都加以推敲,以确保每一输入项的合理性,从而使模型能够更加准确地反应事故实际情况;

(3)加装防火墙和加大模块安全距离的两种风险降低措施,虽然都取得了一定的效果,但是对于个体风险最高的生产操作工,两种措施的风险减低程度都非常有限,这是因为生产操作工主要在LPG回收区和原油处理区活动,有限的措施很难大幅减低其所承受的风险值。同时再次验证了:若要降低处于ALARP区域的风险值是非常困难的,而且往往要花费很高的成本和代价。所以必须在系统的风险水平和成本之间做出折衷。但是,本文通过采取上述两种措施,并对风险进行重新计算后,很好的证明了在不改变任何工艺装置(或设备)及其操作压力、物流流速等工艺因素的情况下,通过在设计上改变总体布置的方法确实可以达到降低工艺风险的目的。

[1] R.G.Beaetal.Comparative Risk Assessment of Alternative TLP Systems:Structure and Foundation Aspects[J].Offshore Mechanics and Arctic Engineering,1994,May,Vol.116.

[2] Urbankjellen.Adapting the application of risk analysis in offshore platform design to new framework conditions[J].Reliability Engineering and System Safety,1998,60:143～151.

[3] 崔伟珍.量化风险评估(QRA)在海上生产设施风险管理中的应用[J].安全、健康和环境,2003(5).

[4] M.E.Pate-Cornell.Risk Analysis and Management for Offshore Platforms:Lessons from the Piper Alpha Accident.1993.

[5] Nadim F,Gud mestad O T.Reliability of an engineering system under a strong earthquake with application to offshore platforms[J].Structure Safety,1994,(14):203～217.

[6] ABS.Risk Assessment Applications for the Marine and Offshore Oil Gas Industries.June,2000.

Quantitive risk analysis(QRA)on FPSO

Xia Xin

risk assessment;FPSO;oil and gas leak;QRA;fire;explosion

With the quantitative risk analysis(QRA)of potential fires and explosions on a FPSO,the Individual Risk Per Annum(IRPA)and Potential Loss of Life(PLL)for all staffs working in the FPSO are computed,and the FPSO carrier's entire risk value was finally combined.For the situation of very high risk,two measures for reducing the risk(firewall installation and enlargement of safety gap between modules)are considered,the recalculated risk value shows that the two measures are both effective.

U 662.3

A

1001-9855(2010)02-0023-07

2009-12-20

夏 鑫(1982.08-),男,汉族,辽宁人,在读硕士研究生,主要从事船舶总体设计与开发。