海洋平台立管关断阀风险分析

张春娥，赵方生，严雪莲，张 虹，张姝妍

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

海洋平台立管是海底管道爬上海上平台管段的总称。立管是海底管道系统中的薄弱环节。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，就可能引起海洋平台的火灾或灾难性爆炸，水下关断阀系统设置可以对平台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。海洋平台立管水下关断阀是否必须设置是目前海洋工程所面临的首要问题。

据统计，在1980年～2005年间，英国大陆架固定式平台设施中，共有48起立管失效事故发生。1990年～2000年间，在北海安装的立管中，共发生立管损坏事故60起，刚性立管泄漏事故12起，柔性立管泄漏事故12起，刚性立管附件泄漏13起。根据泄漏位置划分，发生在飞溅区的泄漏事件占总体泄漏事件的57%，立管在飞溅区的泄漏是最主要的立管泄漏情形。如果立管泄漏后被点燃形成火灾，将对平台人员及财产安全造成严重威胁。因此，研究立管飞溅区由于泄漏所导致的火灾影响，对于海上平台风险分析及应急管理具有实际意义。

2 风险评估流程

2.1 定量风险定义

定量风险分析是一种技术复杂的风险评估方法，不仅要对事故的原因、场景等进行定性分析，还要对事故发生的频率和后果进行定量计算，并将量化的风险指标与可接受标准进行对比，提出降低或减缓风险的措施。

在风险评估过程中，衡量风险通常考虑以下方面：人员风险、环境风险和财产风险等。海洋平台中安全方面评估中对于定量风险评估一般采用人员风险作为衡量指标。

2.2 定量风险评估流程

定量风险评估主要包括：调研、资料收集、风险辨识、频率分析、后果分析、风险计算以及风险评价。风险最终结果用人员风险量化最终的风险值。定量风险评估的流程见图1。

图1 定量风险评价流程Fig.1 Quantitative risk assessment process

2.3 可接受风险准则

量化的风险水平是否在可接受范围之内，是否需要额外的安全系统来将风险降低到一个尽可能低的水平或可承受的程度，需根据可接受准则来确定。

2.4 定量风险理论

(1)个人风险(IRPA)。人员风险用每年个体风险表示。每年个体风险(IRPA)用下列公式计算：

个人风险=死亡率×人员暴露×平台倒塌频率

(2)潜在人命损失(PLL)。潜在生命损失(PLL)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。潜在生命损失(PLL)表示用公式计算：

潜在生命损失=个人风险×平台定员/人员个人暴露概率

3 应用实例

某项目包括两个平台(A和B)，A平台物流通过海底管道输送到B平台。海管入口端关断阀位于A平台。海管出口端有两个关断阀(1个位于B平台组块下甲板；一个位于B平台海管立管水面以下)。目前B平台海管立管水面以下关断阀控制装置失效，无法关闭。

3.1 风险可接受准则

根据国际通用风险标准API752，结合国内实际情况确定此次定量分析个人可接受风险，不可接受风险为1×10-3/a，可忽略风险为1×10-5/a。

如果员工的个人风险高于1×10-3/a，意味着员工的风险不可接受，需要立即降低；如果员工的个人风险低于1×10-5/a，表示员工的风险是普遍可以接受的，无需采取更进一步的风险降低措施；如果员工的个人风险介于1×10-3/a和1×10-5/a之间，其风险水平处于最低合理可行的区域内。

3.2 风险辨识

根据统计数据库，海洋平台立管泄漏主要诱因可分为锚击、撞击、腐蚀和材料缺陷。立管泄漏主要集中顶部、飞溅区与海底位置，基于统计数据，泄漏位置分布及占比见表1。其中飞溅区泄漏占比为50%，是最有可能发生立管泄漏失效的位置。

表1 立管泄漏位置分布占比Tab.1 Location distribution of riser leakage

海洋立管发生的泄漏有水上泄漏或水下泄漏两种形式。水上泄漏点燃会产生喷射火，未燃烧的顶部泄漏可能产生气云扩散，气云附近的点火源可能会导致火灾或爆炸；水下泄漏可能引起平台附近产生海洋油池火，未燃烧的水下泄漏引起可燃性气体云在海平面扩散，可能引起聚集型燃烧。

顶部泄漏为水上泄漏，飞溅区会产生水上或水下泄漏，海底泄漏为水下泄漏。

3.3 泄漏量计算

根据API RP 581(SY/T 6714-2018)规范的推荐，典型泄漏孔径主要有小、中、大以及完全破裂四类。泄漏速度和持续时间取决于管道内储存起来、操作压力和温度、气体组分和泄漏孔径大小。泄漏速率和持续时间见表2。

表2 管道泄漏数据Tab.2 Riser release results

3.4 失效后果分析

基于对飞溅区扩散的模拟，由于受平台环境限制很小，气体在风作用下迅速扩散，立管水下泄漏的天然气形成可燃气云的体积和分部范围也有限，被点燃形成池火概率很低。因此，这次评估主要为立管顶部和立管飞溅区的泄漏后果进行分析。利用通用工程软件FLACS对海洋平台进行三维建模，根据实际情况设定可能的天然气泄漏事故场景，研究不同泄漏尺寸对平台导管架和平台设备的影响。

从表3可知，立管飞溅区泄漏爆燃或喷射火会对平台结构造成威胁，但对于人员无明显影响；但在立管顶部泄漏爆燃或者喷射火对人员及平台结构均造成严重威胁。因此，需要确保泄漏的早期探测和点火源隔离，尽量避免火灾发生。如果火灾发生，需要及时探测报警、确保人员尽快撤离。启动紧急切断和放空，缩短火灾持续时间，使火灾持续时间小于结构或设备失效时间，进而防止事故升级。

表3 燃爆分析与喷射火事故影响统计Tab.3 Statistical data of explosion analysis and jet fire accidents

3.5 定量风险评估结果

基于PARLOC的数据得到海管立管泄漏频率，结合Cox et al.(1990)的通用点火概率得到立管顶部发生火灾频率。立管火灾失效频率结果见表4，立管火灾引起平台失效概率见表5，立管泄漏导致火灾引起的人员风险见表6。

表4 立管火灾失效频率Tab.4 Fire frequency for riser

表5 立管火灾引起平台失效概率Tab.5 Fire risk causing platform failure from riser

表6 立管泄漏导致火灾引起人员风险Tab.6 IRPA and PLL due to fire from riser release

当个人风险为1.39×10-06低于可接受准则的可忽略风险1×10-05，潜在人命损失2.70×10-04也低于可接受准则的容许上限1×10-03，所以平台的风险处在可接受的范围之内。

3.6 结论及建议

1)建议采取在下甲板适当位置增加火气探测装置对立管顶部区域进行监测；

2)考虑到立管水下关断阀为法兰连接，有泄漏可能性，建议对水下关断阀定期检验。