基于多米诺效应的海洋平台火灾保护层定量分析

0 引言

随着石油能源行业的发展，我国油气钻采工业由陆地逐渐转向海洋，而海洋平台作为海洋油气开采的基础设施，其安全平稳运行是保证海洋油气生产的重要前提。海洋平台设备高度集中，含有大量的易燃易爆等危险物质，极易发生事故或形成连锁效应，从而演变为灾难性的火灾爆炸事故。

根据以往资料显示，1980年-1988年，北海地区发生了数十起海洋平台倾覆事故，其中因为火灾和爆炸所引起的平台失效事故占一半以上[1]，如英国Piper Alpha平台火灾爆炸事故、印度Mumai油田海洋平台倾覆事故、巴西龙卡多P-36号移动生产平台火灾爆炸事故和墨西哥湾South Pass Block 60海洋平台火灾爆炸事故等。这些海洋平台大部分配备先进的设备，且都设计有诸多保护层，但是在事故发生时，这些保护层却失效或未能达到预期效果。所以，对保护层进行评估，发现保护层薄弱环节，并预测、预防多米诺事故的发生越来越成为人们关注的焦点。本文对火灾多米诺效应影响下的保护层进行量化分析与计算。

1 基于多米诺效应的LOPA分析模型

Gabriele和Cozzani等人在传统LOPA分析的基础上提出了针对火灾多米诺效应的保护层分析模型，如图1所示。为了考虑保护屏障的阻止或减弱多米诺扩散作用，模型参考了APPENDIX[2]和DIANOUS等[3]的保护层划分方法，将安全屏障划分为3个不同层次。(1)主动保护系统(active protection system)。在阻止火灾扩散作用中，主动保护系统被划分为2类：(a) 灭火设施输送系统(如：消防水、消防泡沫等)，分为固定式系统、半固定式系统和移动式系统；(b) 应急切断系统(ESD)和应急泄压系统(EDS)。(2)被动保护系统(passive protection system)。一般的被动保护设备是指一个无能量供给即可触发动作的系统或屏障，典型的如防火层和压力安全阀(PSV)，在阻止火灾多米诺扩散中，主要起到2个作用：(a) 降低容器壁温度(防火层作用)；(b) 通过控制液体温度和蒸气压力来限制容器内部压力(PSV作用)。(3)程序和应急保护措施(procedural and emergency measure)，主要涉及企业应急救援程序和资源调度等措施。

图1 LOPA分析模型

该模型以火灾事故为触发事件建立事件树，经过各个保护层减弱后得到离散化结果：火灾事故扩散、部分扩散和未扩散等。其中，分析模型根据各保护层所起到的作用通过设定“a，b，c门”的形式集合相关影响因素，诸如可靠度、失效概率(PFD)、多米诺连锁效应实际危险指数(DCA)和无故障工作时间等。在多米诺扩散概率评估中，考虑安全屏障性能的主要分析方法和步骤如图2所示。

图2 考虑安全屏障性能的主要分析方法和步骤流程图

2 安全屏障性能评估

2.1 相关目标设备和装置的数据库

参照现行的一些标准，如API-RP-14C[4],API-RP-14G[5],API-RP-14J[6],DNV-OS-D301[7],ISO 13702[8]，确定相关设备(RI)和一些重点设备的数据信息和操作、使用信息等。

引入多米诺连锁效应实际危险指数(Domino Chain Actual Hazard Index，DCA)用以确定设备产生多米诺效应的危险指数[9]。海洋油气装置的DCA最大值见表1，涉及的目标单元即为最大DCA数值大于10的设备所在单元[10]。

表1 海洋油气装置多米诺连锁效应实际危险指数(DCA)最大值表

海洋油气装置可能涉及到的部分目标设备的主动、被动保护系统和应急措施见表2。

表2 海洋油气装备目标部分设备的主动、被动保护系统和应急措施

2.2 安全屏障性能评估

2.2.1 主动保护措施性能评估

火灾主动防护是一个复杂的系统，可通过建立事故树的方法求解系统的失效概率。图3为水喷淋系统失效的事故树。

图3 水喷淋系统失效事故树

通过事故树的定量计算方法，对部分火灾主动防护系统的失效概率进行了计算与统计，并与文献[2]的数据进行对比。此外，根据不同系统的响应特点对图3中不同的“门”类型进行计算，如紧急关断系统ESD的影响度取决于其最大响应时间，而图3中的“a门”计算式即将此考虑在内。同理，水喷淋系统WDS则适用于“b门”。计算结果见表3。

表3 保护层系统的PFD、影响度及“门”类型

由表3可知，不同系统使用不同的触发方式，但是这些方式的成功触发并不意味着火灾防护系统能够确保阻止扩散效应的发生，于是引入影响度，即图3和表3中的η(由文献资料[10～12] 中获取)，用以定义成功控制初始火灾的概率。

2.2.2 被动保护措施性能评估

被动保护措施主要表现为一个减弱多米诺扩散效应的过程：通过减弱火焰作用于目标设备的物理影响达到缓解的目的，比如防火层减弱热辐射对设备材料的影响、泄压设备通过控制容器内液体温度以及蒸汽量来弱化压力对容器的影响。这些系统/设备均与设备的无故障工作时间有关，即延长无故障工作时间，可提高设备/系统的可靠度，因此对于此类被动防火措施，适用于图3中的“a门”提及的计算式。

在防火保护系统失效的情况下，无故障工作时间Tf作为评价容器/设备完整性的重要表述，可按式(1)进行估算：

式中：QHL为接受热辐射量；V为容器的容量；c，d，e，f的取值见表4。

表4 c，d，e，f取值表

结合多米诺效应分析计算得到容器的失效概率，即多米诺效应的扩展概率值[13]为

2.2.3 应急保护措施性能评估

在火灾事故场景下，应急响应可以分为内部应急救援团队和外部应急救援团队。这些团队包括专家、消防员以及受过专业训练的志愿者或工人。因此，应急救援团队的失效概率取决于救援队的技术水平和准备情况，其适用于图3中“c门”计算式。在针对减弱多米诺效应的LOPA分析中，评价应急响应的重要参数为一个时间段，以目标设备无故障工作时间为主，此外有其他3个重要参数：

(1) 报警时间Ta：即采取应急行动的最长时间，也指由探测到火灾到救援团队报警的时间；

(2) 现场救援时间Ts：指应急救援人员和救援物资按照预先计划到达事故现场所用时间；

(3) 最终救援时间Tm：指外部应急救援团队提供的持续应急供给，能够有效抑制或冷却目标设备的时间。

应急救援保护措施的Pd(即“c门”中的失效概率)值按式(3)进行计算：

海洋油气装置的相关系数a，b和相关时间Ta，Ts，Tm的取值见表5。

表5 海洋油气装置应急保护参数取值表

按照图3中“c门”的计算方式得到3种离散化输出结果：OUT 1，OUT 2，OUT 3。

(1) OUT 1：如果应急响应没有触发或不可用，那么多米诺扩散效应会发生；

(2) OUT 2：如果应急响应触发但是Tm值高于Tf，即应急团队没有如期到达(η=0)，那么一个弱化的多米诺扩散效应就会发生；

(3) OUT 3：如果应急响应成功触发且Tm值低于Tf，那么应急响应成功抑制了火灾多米诺效应的扩散(η=1)。

3 实例分析

本文对“恩平”海上油气田DPP平台下层甲板上的生产分离器可能发生的火灾多米诺事故进行保护层性能定量分析，由工程资料可知，对生产分离器的保护措施主要有：应急切断系统ESD，消防系统WDS，应急救援系统和压力安全阀PSV。

通过资料数据统计，生产分离器发生池火灾事故频率为f1=1×10-5y-1。由表3中的数据，建立消防系统WDS事故树并计算得出WDS失效概率，结合相关文献及数据统计资料得到各系统失效概率见表6。

表6 相关保护层的失效概率、影响度、门类型

根据表6中的信息，建立如图4所示的以生产分离器池火灾为初始事故的事件树。

图4 生产分离器池火灾情景下保护层性能分析事件树

生产分离器池火灾影响的二级事故单元为生产管汇，根据在多米诺效应分析计算得到的失效概率和无故障工作概率，可计算最终离散化结果。表7给出了“c门”引出的各离散化结果的发生频次。

表7 最终离散化结果及其发生频次

续表7 最终离散化结果及其发生频次

根据事件树分析可知，在生产分离器发生池火灾的场景下，各保护层是否成功触发和导致多米诺效应扩散的概率见表8。

表8 保护层触发情况及离散结果发生概率

由表8可知：

(1) 单一保护层作用情况：仅应急团队保护层作用时不能有效抑制多米诺扩散，其发生概率为5.48×10-8；ESD保护层能够弱化多米诺扩散，其发生概率为1.10×10-3；PSV保护层未能抑制多米诺扩散，其发生概率为5.44×10-6；WDS未能抑制多米诺扩散，其发生概率为2.39×10-6。

(2) 仅有两个保护层作用情况：ESD和应急团队作用时，可成功抑制多米诺扩散且事故扩散概率为1.06×10-4；PSV和应急团队作用时，发生弱化多米诺效应的概率为5.38×10-5；PSV和ESD作用时成功抑制多米诺效应，扩散概率为1.08×10-1；WDS和应急团队作用时，发生弱化多米诺效应，概率为2.37×10-5；WDS和PSV作用时，未能抑制多米诺扩散，发生概率为2.35×10-3。

(3) 仅一个保护层失效情况：仅WDS失效，则能成功抑制多米诺扩散，其概率为1.07×10-2；仅PSV失效，则能成功抑制多米诺扩散，且其概率为4.64×10-3；仅ESD失效，则会发生弱化多米诺扩散，其概率为2.35×10-3；仅应急保护层失效，则可成功抑制多米诺扩散，其概率为4.6×10-2；

(4) 当所有保护层正常触发时，会成功抑制多米诺效应的扩散。

4 结论

构建了基于多米诺效应的LOPA模型，阐述模型中相应逻辑门的计算过程与取值来源。以“恩平”海洋油气田DPP平台为例,对事故设备涉及的紧急切断系统(ESD)、安全阀(PSV)、水喷淋系统(WDS)、紧急泄压系统(EDP)等保护层的表现性能进行定量分析与计算。

从案例计算结果可知：在生产分离器发生火灾时，保证4个保护层中至少3个能够正常触发，即可成功抑制火灾多米诺效应的扩展。采用基于多米诺效应的LOPA分析模型，对海洋平台危险设备的保护层进行量化评估，能够确定有效减弱/抑制多米诺效应扩散的保护层组合形式，可为海洋平台保护层的设置和改进提供数据支持与建议。

[ 1 ] 朱坤.海洋平台爆炸事故风险分析与防护措施[D].青岛：中国石油大学，2011.

[ 2 ] APPENDIX F. Layer of Protection Analysis: Simplified Process Risk Assessment[M].NewYork,2010.

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[ 5 ] American Petroleum Institute .Fire Prevention and Control on Open-Type Offshore Production Platforms：API-RP-14G[S].3rd ed.Washington，2000.

[ 6 ] American Petroleum Institute.Recommended Practice for Design and Hazards Analysis for Offshore Production Facilities：API-RP-14J[S].Washington，2001.

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[12] FINUCANE M , PICKNEY D. Reliability of Fire Protection and Detection Systems[D].Scotland:University of Edinburgh,1985.

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QuantitativeAssessmentofProtectionLayerPerformanceinPrevention
ofDominoEffectTriggeredbyOffshorePlatformFire

ZHANG Wei1,2, WANG Yanfu1, SUN Xiaofei1, XU Haotian1

( 1.Mechanical and Electrical College， China University of Petroleum， Qingdao 266580, Shandong， China； 2.Nanjing Municipal Fire Department, Nanjing 210000， Jiangsu, China)

The Layer of Protection Anlysis(LOPA) model based on Domino effect is developed aimed at the definition and quantification of safety barrier performance in the prevention of escalation. The simulations of the corresponding logic gate and data source are demonstrated. “EN PING” DPP platform is taken as a case study to calculate quantitatively the performance of protection layer, such as Emergency Shutdown Systems (ESD), Pressure Safety Valve (PSV), Water Deluge Systems (WDS), and Emergency Depressurization Systems (EDP). The effective protection layer combinations to mitigate the domino diffusion effect are concluded.

Domino effect; layer of protection analysis(LOPA); offshore platform; fire

1001-4500(2017)06-0044-09

2016-05-23

国家自然科学基金青年基金项目(51409260); 山东省自然基金面上项目(ZR2012EEM023)；2016年安全生产重大事故防治关键技术科技项目;中央高校基本科研业务费-专项资金资助(14CX05035A)

张薇(1984-)，女，工程师

P75