海底管道SSIV设置研究

余建星，周宝勇，周清基，晋文超，李智博，杨 源

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

海底管道SSIV设置研究

余建星，周宝勇，周清基，晋文超，李智博，杨 源

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

针对海底管道水下隔离阀系统(SSIV)设置成本过高而存在的设置必要性问题，建立基于定量后果分析的SSIV评估系统．基于历史数据库研究海洋立管和海底管道的泄漏频率，通过实验与经验模型进行对比确定气池直径的计算方法，并运用PHAST软件计算火灾事故后果，用自主开发软件定量计算水下油气泄漏扩散后果；在此基础上对火灾爆炸事故后果升级问题进行研究，实现对设置SSIV带来收益的准确评估．该方法已成功运用到南海深水油气勘探开发示范工程某气田的SSIV设置研究中，可供其他工程借鉴参考．

水下隔离阀；气池直径；火灾爆炸；水下泄漏；定量评估

2010年4月，美国墨西哥湾一座深海钻井平台爆炸沉没，引发巨大环境灾难，举世震惊．随着海洋油气资源开发如火如荼，海上作业安全与风险问题也广受世人关注，已成为目前海洋工程领域发展必须面临的重大挑战．海洋立管和海底管道作为水下产出物与外界联系的枢纽，一旦发生泄漏，就可能引起中心平台处的持续性火灾或者灾难性爆炸，水下隔离阀系统(subsea isolation valve，SSIV)的设置能够实现对平台近端立管和海底管道的隔离以降低因泄漏引发的火灾爆炸后果，但设置SSIV的投入成本高达五千万元，是否值得设置是目前工程所面临的主要问题，而且目前不论是在国外还是国内都缺乏一套专门的SSIV设置定量评估系统．

为此，笔者基于历史数据库对海洋立管和海底管道泄漏频率进行研究，并通过实验与经验模型结果进行对比研究气池直径计算方法，在定量评估火灾爆炸事故后果基础上结合平台上部设施和人员分布等对可能的事故后果升级进行研究，建立SSIV设置评估系统，准确评估设置SSIV所能带来的收益，从技术和经济的角度考虑SSIV设置的必要性．

1 SSIV效益评估流程

SSIV效益评估流程如图1所示．

图1 SSIV效益评估系统流程Fig.1 Flow chart of benefit assessment system of SSIV

首先通过风险辨识分析得出可能引发平台立管与输气管道泄漏的风险事故因素．查找和整理数据库内的相关数据，对特定系统危险事件发生的概率进行分析与判别．针对设置与不设置SSIV两种状况建立海底管道与立管水上、水下泄漏的事故后果模型，进行平台火灾爆炸风险的后果估计，分析特定危险后果对平台、立管和海底管道造成的影响，判断火灾爆炸事故后果是否升级，并进一步得出其对平台运行造成的损失成本，最终完成SSIV效益评估工作．

2 海洋立管和海底管道泄漏频率研究

海洋立管和海底管道泄漏频率主要来源于历史数据库PARLOC 96[1]．PARLOC数据库是英国健康安全委员会(HSE)多年内对北海作业区管道发生泄漏事故统计而得的，适用于常规钢质立管和海底管道的失效频率预测研究，是目前国际上在海底管道泄漏方面较为权威的数据库．该数据库针对不同的条件均给出了统计结果，如从管质材料上可分为钢性管道和柔性管道，从管道位置分布可分为立管、平台安全区、管道中部和水下井口安全区，从泄漏孔径上可分为小孔、中孔、大孔和全径泄漏，从事故诱发原因上可分为锚击、撞击、腐蚀和材料缺陷等．因此在数据的选择上可根据项目研究的需要进行选取．管道泄漏频率主要受到事故诱发原因、泄漏位置、管道直径、长度以及输送物质等影响，根据目前已发生事故的统计结果来看，最主要的影响因素是事故诱发原因和管道泄漏位置．不同泄漏孔径下管道泄漏频率的计算式为

式中：cP为不分管径的管道泄漏统计频率，详见表1；hδ为泄漏孔径尺寸比例因子，详见表2．

表1 钢质管道泄漏频率最优值Tab.1 Best estimate leak frequency of steel catenary riser

表2 泄漏孔径尺寸比例因子Tab.2 Scale factor of leak size

表1和表2的数据是通过PARLOC 96提供的一些事故统计资料进行归纳整理得出的，可为定量预测工程中立管和海底管道发生泄漏提供参考．从结果也可以看出立管是发生泄漏频率最高的地方，这主要是因平台周围的作业比较频繁所导致，如吊机坠物、船舶锚击等，所以应加强对立管周围的保护．另外对数据库的统计结果显示海洋立管的泄漏分布约30%发生在水上，70%发生在水下．而平台安全区范围的管道泄漏统计结果显示，大约68%的事件发生在距离平台100,m以内，而约32%的事件发生在距离平台100,m以外的安全区域内．

3 水下泄漏气池扩散实验

实验的目的是模拟测量水下气体扩散在液面生成的气池直径，并将结果与经验模型进行对比，实现气池直径的准确计算．实验仪器包括气体压缩设备、流量计量仪、管材、刻度尺、支架和摄像机等，管路的尺寸见图2，实验过程的气泡羽流现象如图3所示．实验过程中，对不同水深、不同泄漏孔径和不同泄漏率进行测量．

图2 管路尺寸Fig.2 Size of pipeline

图3 气泡羽流现象Fig.3 Phenomenon of bubble plume

扩散阶段分为重力-惯性扩展和重力-黏滞性扩展两阶段．液池直径经验计算模型[2]为

式中：1r(t)为重力-惯性扩展阶段的液池半径；2r(t)为重力-黏滞性扩展阶段的液池半径；0t为从第1阶段转变到第2阶段的时间；poolm为液池质量；1ρ为泄漏液体密度；wρ为外界水体密度；1K和2K的取值分别为1.24和1.09[2]；wμ为水的动力黏度，其值取1.021,mPa·s．

图4～图7给出了实验水深为0.8,m时，不同泄漏孔径下实验和经验模型关于气池直径随着泄漏率变化的计算结果，其中管道内泄漏气体为空气，外界为水体．

图4 泄漏孔径为1.0,mm的气池直径对比Fig.4 Contrast of pool’s diameter under 1.0,mm leak hole

图5 泄漏孔径为1.2,mm的气池直径对比Fig.5 Contrast of pool’s diameter under 1.2,mm leak hole

图6 泄漏孔径为1.5,mm的气池直径对比Fig.6 Contrast of pool’s diameter under 1.5,mm leak hole

从图4～图7可以看出，实验测出的气池直径比液池经验模型的计算结果要大，但两者的误差在10%以内．采用经验模型评估气池直径使事故后果升级产生的影响比实际情况小，在评估设置水下隔离阀系统所带来的效益时，其结果会相对偏小，使得评估结果相对保守，这是工程可以接受的，因此可以采用液池经验模型来近似计算气池扩展直径．

图7 泄漏孔径为1.8,mm的气池直径对比Fig.7 Contrast of pool’s diameter under 1.8,mm leak hole

4 火灾爆炸后果模型计算

海洋立管和海底管道可能发生立管水上泄漏或水下泄漏，立管顶侧的泄漏立即点燃会产生喷射火焰，未燃烧的顶侧泄漏可能产生蒸汽云扩散．而水下泄漏可能引起平台附近海面产生海洋油池火，未燃烧的海底泄漏引起可燃性气体云在海平面的扩散，可能引起聚集型燃烧，从而损伤平台结构或破坏临时避难所和逃生通道等．

PHAST软件是DNV公司开发的商业型后果模型软件，在安全管理和评价领域具有权威地位，可预测火灾、爆炸和毒物泄漏的后果，运用该软件的相应模型可计算管道泄漏造成的火灾及水上气体扩散的后果[3]，唯一的不足是PHAST软件无法考虑水下泄漏扩散的后果．为此，开发相应的计算模块计算水下泄漏扩散后果，其计算流程如图8所示．

图8 水下泄漏扩散后果计算流程Fig.8 Flow chart of calculation of consequences of dispersion from subsea release

对水深大于500,m的泄漏情况，由于高压低温作用，泄漏气体与海水形成水合物，致使泄漏气体无法达到海面，从而不发生气体在大气中扩散的情况；而对水深小于500,m的情况，因为不满足水合物形成条件，可认为泄漏气体全部从水中上浮至水面，形成气池．假定气池上的气体浓度为均匀分布，泄漏气体无溶解，全部从水面排出．此时，气池中单位面积的气体泄放率为

式中：Q为水下泄漏点的泄放率；S为水面气池面积．

对非重气气体，可采用经典的高斯模型进行模拟[4]，其表达简单，实验数据多，方便采用．对于空间中一点(,,)x y z处的浓度，为面源上各点对该处浓度贡献之和，采用对点源积分的方法计算．当水面气池的法线与水平面垂直时，对此面源的计算公式为

式中：c(x，y，z，H)为任意点的浓度；u为平均风速；σy为水平方向扩散系数为垂直方向扩散系数x为下风距离，且x＞D/2；a、b、m、n为取决于大气稳定度和地面粗糙度的系数，可按文献[5]取其值．

5 事故后果定量评估

海洋立管和海底管道发生油气泄漏导致的火灾爆炸会引起事故后果的升级，包括威胁平台整体结构安全及平台上的设施、毗邻的立管或流线的破坏引起新一轮的后果升级问题、损坏生活模块和紧急疏散逃生通道进而引起人员损伤．设置SSIV能够有效控制管道泄漏引起的严重后果，但SSIV的投入成本太高，因此对事故后果的准确量化、评估设置水下隔离阀系统所能够带来的收益具有极其重要的意义．

采用平均个人风险(AIR)来对人员风险进行量化[6]，个人风险是社会可接受风险的最小单元，其计算式为

式中：PLL为潜在生命损失；m为人员暴露值；POB为浅水中心平台上的人员配备数．

潜在生命损失(PLL)是指某种范围内的全部人员在特定周期内可能蒙受某种风险的频率，某种范围内的全部人员是指海洋平台上的全部工作人员，风险指死亡风险，特定周期指1 a，则PLL为

式中fP为某平台发生倒塌的事故年发生概率．

为进行成本收益分析的对比，需要将人员风险值转化为资金的形式以便与设置SSIV系统所需的投资成本进行对比．人员风险的潜在生命损失(PLL)可进行资金形式的转换，其转换式为

人员风险值＝平台寿命×ICAF×PLL (10)

式中ICAF为避免人员伤亡所需成本，又称设备安全成本．ICAF越低，表明风险越小，措施越符合低成本高效益的原则，即所花费的单位货币可以挽救更多人的生命．对于海洋工程ICAF值可取3.1×106,美元，约合人民币0.21×108元[7]．

6 工程实例

南海深水油气勘探开发示范工程某气田位于中国南海珠江口盆地，水深约1 350～1 500,m，水下井口产出物通过1条约275,km、管径76.2,cm浅水海底管道输往陆上终端气体处理厂，针对该76.2,cm输气管道是否设置SSIV进行研究．

76.2 ,cm输气管道的设计压力为23.9,MPa，操作温度50,℃，输送气体分子摩尔质量18.82,g/mol，气体密度163.13,kg/m3．平台寿命假定为30,a，平台造价约80×108元，天然气产量80,m3/a，单价取2.6元/m3．

海洋立管和海底管道的泄漏孔径尺寸取为4种情况：小孔尺寸7,mm；中孔尺寸25 mm；大孔尺寸70,mm；全径泄漏尺寸为管道内径．另外点火概率模型采用Cox等[8]提出的基于岸上及海上点火数据统计得出的点火概率模型．SSIV设置成本约为0.5×108元．依据图1的流程对该项目是否设置SSIV进行评估，水下泄漏火灾后果及事故后果升级影响结果见表3～表5．

表3 水下泄漏火灾模型计算结果Tab.3 Results of fire from subsea release

表4 水下泄漏扩散模型计算结果Tab.4 Results of dispersion from subsea release

表5 定量风险评估计算结果Tab.5 Results of quantitative risk assessment

采用英国健康安全委员会(HSE)提出的已建设施的可接受风险和可忽略风险分别为1.0×10-4/a和1.0×10-5/a，对应的可靠指标分别为3.7和4.2．根据表5的计算结果可知，火灾作用下导管架平台的可靠指标并未达到4.2，处于最低合理可行区域，可适当采取相应的措施来提高火灾作用下平台的可靠性；而在海底管道近平台处设置SSIV会使平台可靠指标上升到4.322，处于可忽略区．同样对于人员风险设置SSIV能够将风险降至可忽略区．设置SSIV所带来的收益为1.447×108-0.119×108＝1.328×108(元)，投入成本约为0.5×108元，带来的收益大于投入成本．所以不论从技术还是经济角度上考虑，该工程项目都必须设置SSIV．

7 结 论

针对SSIV成本过高而存在的是否设置问题，基于历史数据库研究海洋立管和海底管道的泄漏频率，通过定量分析火灾爆炸后果，建立SSIV效益评估系统，实现对设置SSIV带来收益的准确评估，并得到如下结论．

(1) 通过水下泄漏气池扩散模型实验，并与经验模型计算结果进行相互对比，结果表明经验模型能够用于水下气体扩散在液面生成的气池直径的评估，且其对设置SSIV带来效益的评估结果要相对保守．

(2) 在对火灾爆炸后果模型计算时，通过自行开发水下泄漏扩散后果计算模块，并与PHAST软件结合，相互补充，实现对水上和水下泄漏火灾爆炸后果的完整评估．

(3) 成功将该方法运用到南海深水油气勘探开发示范工程中，实现理论与实际的结合，填补了我国在该领域的空白，对未来20年国家重点发展的南海深水油气勘探开发示范工程具有很好的指导作用，也可供其他工程借鉴参考．

［1］ Health and Safety Executive. The Update Loss of Containment Data for Offshore Pipelines[M]. London：AME Ltd，1998.

［2］ 于桂峰，张 彬，吴宛青. LNG船舶泄漏水面液池扩展的数值分析研究[J]. 大连海事大学学报，2008，34(2)：170-172.

Yu Guifeng，Zhang Bin，Wu Wanqing. Numerical analysis of the dispersion for LNG vessel release on water[J]. Journal of Dalian Maritime University，2008，34(2)：170-172(in Chinese).

［3］ 童遂放，李竹霞. PHAST在LPG储存条件分析中的应用[J]. 中国安全生产科学技术，2007，3(4)：87-90.

Tong Suifang，Li Zhuxia. Analysis and application for PHAST in LPG storage condition[J]. Journal of Safety Science and Technology，2007，3(4)：87-90(in Chinese).

［4］ FEMA，DOT，EPA. Handbook of Chemical Hazard Analysis Procedures[M]. Washington：Federal Emergency Management Agency，1989.

［5］ 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院. 石化装置定量风险评估指南[M]. 北京：中国石化出版社，2007.

SINOPEC Qingdao Safety Engineering Institute. A Guidance for Quantitative Risk Assessment in the Petrochemical Plant[M]. Beijing：China Petrochemical Press，2007(in Chinese).

［6］ 余建星. 工程风险评估与控制[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.

Yu Jianxing. Engineering Risk Assessment and Control [M]. Beijing：China Building Industry Press，2009(in Chinese).

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［8］ Cox A W，Lee F P，Ang M L. Classification of Hazardous Locations-IchemE[M]. Oxford：Butterworth-Heine-mann，1991.

Research of Installing SSIV on Subsea Pipeline

YU Jian-xing，ZHOU Bao-yong，ZHOU Qing-ji，JIN Wen-chao，LI Zhi-bo，YANG Yuan
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To address the issues whether the use of SSIV on subsea pipeline is a worthwhile investment or not，due to the high input costs，the evaluation system based on quantitative analysis of the consequences was established. Loss of containment frequencies of riser and pipeline were investigated based on historical database，and the calculation of pool’s diameter was established by the comparison of results between experiment and empirical model. The potential for escalation was examined for both fire and explosion scenarios，based on the calculation of consequences of fire and explosion using PHAST software and dispersion from subsea release using self-developed software；accurate costs assessment of SSIV installation was achieved. The work has been successfully applied to determine the need of an SSIV system in the South China Sea deepwater gas development，and can be used in other engineering projects.

SSIV；pool’s diameter；fire and explosion；subsea release；quantitative assessment

P756.2

A

0493-2137(2011)07-0565-06

2010-12-13；

2011-03-07.

国家科技重大专项资助项目(2008ZX05026-005，2008ZX05026-006)；国家自然科学基金资助项目(51021004)；上海交通大学海洋工程国家重点实验室研究基金资助项目．

余建星（1958— ），男，教授．

周宝勇，abao_zhou1986@163.com.