基于本质安全和量化分析的海洋平台总体布置

邵光帅

(中国石化石油工程设计有限公司,山东东营 257061)

海洋平台特别是大型综合处理平台，作为海上油气田开发的关键装备和大型构筑物，具有空间紧凑、设备设施密集程度高等突出特点，一旦出现安全事故，危害严重，影响较大。另外，海洋平台涉及结构、工艺、机械、电气、海管、海缆等多专业，项目的实施包含设计、预制、海上安装、生产运行维护等各阶段，具有明显的交叉性和复杂性，风险防控点多面广，这对安全性提出了更大挑战和要求。尤其是海洋平台设计作为工程项目的源头，提高本质安全对整个工程至关重要，形成一套系统性、理论化、标准化的设计安全管理方法尤为必要和紧迫。

1 海洋平台的本质安全

按照石油行业内对本质安全的定义，本质安全通常是指采用无危险性物料和工艺条件来消除危险，而不是依靠控制系统、联锁、报警和工作程序来终止初始事件。为了确保海洋平台的本质安全，有必要通过设计手段使生产设备或生产系统本身在源头就具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下，也不会造成人员和生产事故。本质安全能够体现“预防为主”、“防控结合”的风险防控和安全管理理念。基于有效风险分析的合理可行的安全设计，从工程项目完整性管理的角度来看，考虑全生命周期也是综合成本最经济的，符合国家和投资者的长期利益。因此基于本质安全的设计，不仅具有安全效益，同样具有良好的经济效益。

海洋平台设计，不仅是指物料和工艺本身，还涉及到平台结构、方位设计、分区布置、重控、干涉分析等总体布置和结构设计相关的内容。海洋平台结构设计按照相关规范，在环境荷载的重现期、设计余量等方面通常都考虑了较大的安全系数。从设计理念和具体操作层面，已经按照本质安全的理念去执行，重点需要结合总体布置做好海上安装、结构重控等高风险因素的把控。本文也将重点针对总体布置、工艺安全等方面进行阐述。

2 总体布置的本质安全设计[1]

由于海洋平台功能不同，上部设施种类不同，会影响到平台布置需要考虑的因素。从布置原则上讲，海洋平台总体布置的安全性设计需要考虑以下几个方面的要素，应在设计过程中严格逐项核实是否满足安全要求。

2.1 钻修井装备的安全性适应评估

海洋平台总体布置时需要根据钻井部门确定的钻修井方案对平台功能定位进行区分，针对不同的钻修井模式，平台整体布局差别很大。这不仅仅是为了满足钻修井作业本身的功能性要求，也是为了满足钻修井作业的安全性要求，并考虑到钻修井与平台建造、生产交叉作业的安全要求。对于钻井平台的就位必须充分考虑到插桩作业对海洋平台桩基稳定性的影响，同时考虑到就位后与桩及上部组块的安全距离，必要时应进行精就位专题分析和模拟推演。在钻井平台实施钻修井作业时，应考虑到电气、柴油、排放等系统的共用和相互影响可能引起的风险。

2.2 立管、护管的安全设计

海洋平台总体布置时需结合所在油气田整体开发，考虑海管、海缆、水下安防、泵护管等功能需要，合理设置立管、护管位置，并结合周边油气田开发规划充分考虑后期预留立管和护管的布置。在设计立管、护管时，尤其是在东海南海等环境较为恶劣的海域，应尽量让其沿主结构桩腿内侧布置，尽量避免沿导管架面布置。这样可以有效规避船舶碰撞的风险，确保立管、护管的本质安全。对于为了满足后期开发要求预留在导管架外侧布置的护管，需要在结构设计上采取额外的保护措施。

根据QRA等量化分析的结果来看，对于海洋平台，立管为重要保护对象。立管一旦出现泄漏将会造成大量烃类物质泄漏，引起环境和安全事故。因此通常将立管区别于其他油气介质管道，单独布置在防火防爆墙的非危险区一侧。经过FEA评价很多时候需要对立管自SDV至飞溅区实施PFP(被动防火保护)，降低因烃类火灾引发立管破裂或SDV无法执行切断动作等引发大规模环境和安全事故的概率。

2.3 分区布置的安全性和隔离设计

由于海洋平台空间非常有限，不同于陆地油气田和厂区装置采用强制性防火距离进行物理上的风险分隔，海洋平台总体布置主要遵循分区布置的原则。井口平台从区域功能上主要分为：井口区、油气生产区、公用设备区、装卸作业区、钻修井区、生活区和预留区等。总的分区原则是按照主要功能进行立面布置，按照危险等级递减原则进行平面布置。

从立面来看，各层甲板的功能尽量独立，但也需要考虑部分系统的设备上下布置更合理的需要。从平面来看，除了按照不同功能分区、危险性顺序布置，有效分隔生活区域与生产区域、点火源与可燃介质储存区域外，还通常使用分隔墙、防火墙或防火防爆墙将危险区和非危险区进行物理分隔，并同时考虑设备和功能定位的互相影响和发生事故时的危害程度进行功能区域的非物理分隔。通常使用防火或防爆墙对危险区和非危险区进行分隔，如井口区与油气生产区的分隔，油气生产区与公用设备区的分隔。图1为某海洋平台采用防火防爆墙的情况。

图1 某海洋平台防火防爆墙设置

该平台底层甲板井口区东侧、中层甲板生产区与公用区之间、生活楼靠近井口区的一侧三处设置了防火防爆墙。对于天然气生产平台，通常采用H60级防爆墙，防爆墙的防爆耐压等级则需通过FEA进行量化安全分析得出。

2.4 人员逃救生安全设计

人员安全是本质安全最重要的考虑内容，在海洋平台设计时应优先确保人员安全。逃救生设计作为直接关系到人员安全的方面，是海洋平台总体布置考虑的重要因素。对于常规的设计因素笔者不再赘述，只就较为特殊和容易疏忽的因素进行阐述。

除必须满足标准规范对逃生通道宽度高度、逃救生设备配备数量的要求外，特别需要注意的是逃生集合区的设计，面积、位置应满足逃生时人员集合和有序逃离需要。另外在平台逃生路线设计上，应尽量考虑风向对火灾扩散的影响，平台各层梯道的布置方位在满足结构设计要求的同时，尽量使人员逃生方向沿最小风频的上风向。同时结合FEA分析对爆炸和火灾模拟的情况，逃生通道的设计应尽量远离受直接影响的区域，为人员逃生创造更多时间和可能，因此通常防火防爆墙的危险区一侧逃生通道应尽可能短、直且必须充分考虑人员实际逃生时的便利和快捷，附近设备的人孔、加热设备抽芯等应尽量避免布置在该侧，防止在设备检修时人员逃生受阻。对于从生活模块通向靠船排和直升机甲板的梯道，则需要考虑担架的通行宽度和转弯要求。

2.5 检修设备设施的安全设计

在海洋平台上为了满足操作维护要求，通常需要设置包括吊机、小车葫芦、吊点等检修设备设施。在总体布置时，吊机的安全设计是非常重要的一项工作内容。一方面要满足吊机的覆盖范围和吊重能力等功能性要求，另一方面必须考虑到吊机对结构施加的动荷载引起平台受力和重控的要求，通常把吊机设计在主立柱上或通过斜撑与主立柱相连。

还特别需要注意吊机在立面设计上与直升机甲板的关系，吊机立柱和休息臂的高度应考虑直升机抵离扇形区域的高度要求。通常为了确保安全，吊机臂放置在休息臂上的最远端不应超过直升机甲板中心。另外，吊钩必须要进行妥善的固定，它的位置也不宜位于常用通道尤其是逃生通道的上方。

2.6 物流能流走向的安全设计

在设备布置时，应同时兼顾后期管网布置走向要求，避免危险介质系统的管线穿过无关的非危险区，减少危险源扩散范围对人员和公用系统设备安全的影响。在前期进行总体布置时，有必要根据设备位置和工艺介质走向对主管网进行初步规划，在规划的同时进一步检查危险工艺介质的物流走向是否符合安全要求。对于平台群的总体布置更要特别注意，除了危险介质管道尽量避免穿过生活平台、动力平台等，还要注意避免消防管道穿过油气生产平台。

为了优化后期管系布置，减少压力和温度损失，便于现场管理，应使设备布置位置与工艺流程物流走向尽量统一。有时候为了集中布置同一类型设备，也会引起局部管系布置的往返，这时候就需要综合考虑如何取舍。对于大负荷用电设备也需要结合桥架大致走向考虑设备位置是否有优化空间。

另外，对于仪表控制系统的控制电缆和动力电缆的布置走向也需要格外注意，尽量远离烃类物质和点火源等危险源，从根源上减少控制系统失效的可能性，有利于提高相应紧急切断和仪表安全系统的本质安全。

2.7 重心控制的安全设计

对于海洋平台，上部荷载分布是否合理直接影响到在位状态和吊装分析，并直接影响到导管架的稳性，因此重心控制的设计对于海洋平台的本质安全非常重要。按照行业内的统计数据，在位平台结构坍塌造成的事故影响非常大，但出现概率极低，大部分是在安装作业过程中出现的事故。

通常要结合上部组块设施布局，通过合理分配设备重量分布来满足重心控制要求。因此有时候为了满足重控要求不得不在满足工艺流程合理的情况下，临时调整部分设备的位置，尽量减少上部组块的偏心。在设计过程中，需要结合设备资料情况定期进行重控梳理和计算，保证重心偏离在可控范围内。要设置重控工程师对重控数据进行实时的跟踪计算和监控，对设备重量、总体布置引起的平台的重量、重心等关键参数变化进行分析，必要时应根据结构重控的要求对上部载荷提出不可超越重量重心的要求，确保重控这一重大风险可以得到有效控制。

2.8 方位的安全设计

海洋平台方位设计非常关键，体现了设计与所在海域环境条件的适应性和契合性，是本质安全的重要内容。这其中主要包括靠船侧方位、艇阀布置方位、吊机布置方位、钻井船就位方位、直升机甲板方位、生活楼方位、火炬臂方位、冷放空管方位、发电机组烟管方位等大量与方位设计相关的内容。与方位相关的布置通常与平台所处的海洋环境密切相关，如风、浪、流等。

应根据主导流向确定平台靠船侧方位，以尽量减少船舶受到海流影响，同时防止船舶靠泊时撞击平台。大型综合处理平台因定员较多、功能较全、工作船只来往频繁，靠船侧通常设计为两处对称布置；对于定员较少、功能较少、工作船只来往较少的小型井口平台则设计为一处靠船侧即可。通常要求设计为船头方向与海流方向平行，根据靠船方式确定靠船排的方位。

吊机通常与靠船侧同侧布置，或布置在除靠船侧、对侧外的另外两侧。如果设置两台吊机，通常对角布置，确保在控制吊机作业半径的同时做到最大化的平台面积覆盖。如果使用外来钻井船进行钻井作业，则钻井船就位方位通常布置在远离立管和护管的位置，并考虑与吊机、生活楼、修井模块等较高设备设施的干涉。

根据主导风向考虑飞机甲板、生活楼、火炬和冷放空管的布置。飞机甲板和生活楼需要布置在平台尤其是危险区的上风向，火炬和冷放空管需要布置在主导风向的下风向。根据行业内统计数据和QRA分析显示，直升机起落事故占据海洋平台各类事故的一定比例，且事故后果严重，因此有必要作为重大风险项进行管理，关注平台各类设备设施对直升机起落操作安全的影响。除了满足民航对直升机甲板设计的要求外，还需要关注发电机组排烟对直升机的影响。大型发电机组排烟管布置需要尽量远离直升机甲板，并应布置在其下风向，防止热湍流对直升机起降安全造成影响，这也是近年来大型海洋平台的一个研究热点。

2.9 海上安装作业的安全设计

除了导管架就位、上部组块和生活楼就位、打桩、拖航、滑移下水等常规海上安装作业需要考虑到各项风险因素，并进行JSA等安全分析以外，对于海洋平台海上安装作业特别需要注意的是安装作业过程中对井口的安全保护。井口为海洋平台结构的首要保护对象，为了提高风浪较大的中深水海域海上安装作业期间的可控性，提高安装安全等级，有条件的情况下可将井口设计在底层甲板，可减少套井口作业时立面作业位移。目前井口平台布置设计方面最大的热点问题就是套井口作业的安全性。由于井口平台通常先就位导管架，带有钻井小平台，钻完井后安装完采油(采气)树，再实施套井口安装上部组块的海上安装作业。因此必须对井口小平台的尺寸进行严格控制，确保上部组块井口区留洞尺寸与井口小平台的间距安全。另外对于在顶层甲板布置的设备，还需要注意与吊耳的距离不能太近，在渤海需要保持净距1.5 m以上，在东海和南海通常需要保持净距2 m以上才能确保吊装作业时不会对设备造成影响，必要时应进行安装操作模拟确定安全距离。

在海洋平台总体布置安全设计时，导管架的吊装设计外部关联因素较少，主要是考虑上部组块海上吊装就位的主要因素。

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a) 上部组块在套井口吊装作业与固定平台上井口区已经安装的采油(气)树、井口操作平台、隔水套管周围之间需要的安全吊装间距。

b) 上部组块海上吊装就位时与其它已经安装的模块(如动力模块、生活楼、泥浆模块、塔式基座吊机等)之间需要的安全吊装间距。

c) 上部组块海上吊装就位时，起重船舶的吊臂与被吊装就位时与上部组块板悬臂甲板或与甲板上安装的设施之间需要的安全吊装间距。

d) 布置设计中应使上部组块结构承受的荷载均衡，避免较大的偏心产生，有效地利用起重船舶的能力。

e) 避免在上部组块吊点上或者影响吊装作业的吊点附近布置设施。

f) 设计中应考虑在吊装作业时吊索与吊索下的设施合理的空间，避免模块在吊装作业时，因吊装张紧吊索过程与吊索下的设施产生干涉。

2.10 设备设施的干涉碰撞分析

目前海洋平台设计已经完全实现了全三维设计，各类设备设施实现了所见即所得的实景化设计。三维设计不仅仅是按照总体布置去建模，还有一个重要功能是进行总体布置的干涉研究。特别对于在立面空间上与海洋平台存在复杂相对关系的钻井平台和钻机模块等大型装备和模块，在平面内已经无法去衡量是否存在干涉问题，必须通过三维模型进行仿真模拟。某海洋平台生活楼、吊机与钻井平台的干涉分析情况见图2。

图2 钻井平台与吊机、生活楼干涉研究

2.11 总体布置其他本质安全设计

根据平台功能需要，经常需要在甲板上预留部分区域为后期新建设备或作业留出空间。常见的预留区域有以下几种情况：预留后期新建机械设备区域、预留钻修井临时作业区域、预留后期施工预留的海缆的操作空间等。需要特别注意的是，预留设备区域应考虑后期的可实施性，兼顾到船舶靠泊的方位，尽量靠近舷边，如果需要使用平台吊机，则需要考虑吊机的工作半径等因素。

3 总体布置的量化安全分析

要确保海洋平台设计的本质安全，必须通过科学的安全分析措施去进行相关风险识别和评估，并对现有安全保障措施进行分析，确定是否达到本质安全的要求，如果无法实现本质安全，则要对设计的安全等级进行提升或通过其他保护措施提高安全性。从分析方法上来细分，安全分析可以分为定性安全分析、半定量安全分析、定量安全分析3大类[2]。定性分析通常使用头脑风暴、Checklist、JSA等方法，半定量分析是指HAZOP为主的分析方法，定量分析则是LOPA、QRA、FEA等通过使用基于数学模型的模拟软件对识别出的危险源进行仿真模拟分析，得出更为逼近现实场景的分析结果。因此更具有科学性和对设计的现实指导意义。尤其是QRA和FEA分析，对海洋平台设计的实际指导意义非常大，以下重点阐述。

3.1 FEA分析

通过FEA分析可以计算出需要实施被动防火保护的区域位置，图3为某海洋平台进行火焰热辐射分析时的CFD模型。

图3 FEA分析CFD模型

该分析对于每一层甲板的平面和立面烃类物质储存设备发生火灾和爆炸时都进行了仿真模拟，依托该模型可以很直观地观察出防火防爆墙在防止火焰扩散和爆炸危害中发挥的作用，从而进一步优化总体布置中该墙的位置和尺寸等。通过对火灾爆炸的影响区域及相关量化数据，可以科学评估总体布置的合理性，特别是含有烃类物质的油气生产区设备对非危险区、逃生通道、生活区的影响，一方面可以确定防火防爆墙的合理设计耐压值，另一方面可以优化调整逃生通道的走向等。

3.2 QRA分析

QRA分析是通过将风险进行识别、量化，计算得出各项风险出现的概率和在本平台生产过程中的占比分布。这样可以明确需要关注的风险防控重点，更好地指导包括总体布置在内的海洋平台各项设计。表1为某海洋平台采用QRA分析后得出的风险概率分布。

表1 风险概率分布

针对以上概率分布，可以清晰地看到需要在设计过程中特别关注的几大风险项：意外事故、运输危害、船舶撞击、工艺火灾、其它火灾、结构失效、直升机撞击、立管泄漏等，并清楚地得到了它们对海洋平台总体风险的贡献比例，这将有助于明确关注重点，结合设计情况对相关内容进行有针对性的考量。通过QRA分析同样得到了这些重大风险因素产生的可能原因，如消防泵布置在了危险区域内，吊机休息臂距离直升机甲板较近等。设计可以据此有针对性地分析总体布置是否可以优化，以减少该风险出现的概率，从而有效进行重大风险源头防控。

4 结语

海洋平台各类风险在空间密度上高度集中，总体布置对于整体风险防控非常关键。总体布置与工艺系统、平台结构一并构成了海洋平台的本质安全三要素，且其对工艺系统安全性的物理实现和平台结构安全的主要内容都有重要的直接影响，因此它也直接决定了海洋平台的本质安全。从安全管理的角度来看，对海洋平台总体布置的考量应该跳出原有的简单堆砌式思路，以安全为视角去审视和验证，但目前国内缺少基于本质安全的海洋平台总体布置的指导性理论和规范做法。结合多年来在实际工程中积累的相关经验，基于本质安全的理念，辅以量化分析工具，对海洋平台总体布置的安全设计进行探索，以期提高海洋平台本质安全水平。