浅水干式沉箱水下生产系统爆炸风险分析

刘国恒, 沈晓鹏, 陈宏举, 安维峥

(中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

0 引 言

渤海重叠海域因海域使用要求，无法应用传统导管架平台开发模式。通航区受限因素主要为通航船舶船流量大，潜在船舶风险高，影响油气设施安全和船舶航行安全，且占用航道、航路必然对海上贸易带来影响和风险。因此，通航区的油气开发需通过沉箱式水下系统开发模式进行开发。渤海浅水相比于深水采用水下生产系统开发的显著不同特点如表1所示，其中，ROV(Remote Operated Vehicle)为遥控无人潜水器。

表1 浅水与深水水下生产系统开发特点

沉箱式水下生产系统需要将水下油气设施布置于沉箱内部，通过外部油气管线，实现油井物流外输和电力、仪控、化学药剂注入等控制。干式沉箱方案是将地面采油设施放置于沉箱内，沉箱位于海底泥面下，沉箱顶盖与泥面齐平。典型的沉箱式开发系统如图1所示。

图1 沉箱示例

沉箱技术在码头、桥梁建设等方面应用较为成熟，具有技术操作性，广泛应用于港口航道项目[1-3]。中铁隧道勘测设计院有限公司和中铁第六勘察设计院集团有限公司[4]设计一种沉箱式水下隧道，可实现隧道内的交通运行。王鑫[5]对港口航道工程沉箱施工技术要点进行分析和研究。杨磊[6]研究港口航道工程建设中沉箱预制施工技术，提出沉箱出移、安装和回填方案，并分析施工过程中潜在的风险，为沉箱施工提出技术参考。朱春丽等[7]研究撞击载荷作用下水下沉箱防护设施损伤分析，通过有限元模型分析，提出沉箱顶盖结构强度设计要求。

关于水下沉箱的研究多为水下施工技术及方案的研究，对于沉箱内设施的风险识别及潜在风险评估的研究几乎空白。通过对潜在的烃类气体泄漏及爆炸风险分析方法介绍，为浅水干式沉箱水下生产系统开发的安全设计提供评估方法和设计依据。

1 浅水干式沉箱水下生产系统风险识别

浅水干式沉箱在海洋油气领域用于受限海域的油气开发研究，宜通过危险源辨识(Hazard Identification，HAZID)对总体设计、工艺方案、总图布置等进行分析，确定可能产生的后果及影响。HAZID广泛应用于物料介质含有易燃易爆的油气和化工行业[8]。

针对浅水干式沉箱的HAZID，通过邀请业界知名专家、国际第三方服务机构专家等开展HAZID分析会，结合渤海海域特点以及浅水干式沉箱水下开发方案，对工艺设计、生产运维等各阶段的风险进行辨识，形成HAZID分析表，如表2所示。根据风险值R的等级划分，R∈[1-4]为可接受风险，即不需要专门或特殊处理的措施；R∈[5-10]为可容忍风险，即严格管控措施下可容忍的风险；R∈[11-16]为中风险，即应在操作前进一步降低风险；R∈[20-25]为高风险，即禁止工作，有可能造成严重损失，必须重新规划或采取更多控制措施，进一步降低风险。从HAZID分析来看，多数风险均处于可容忍风险之下，该风险识别表也可为以后不同类型的沉箱设计提供风险应对的参考措施。

表2 浅水干式沉箱HAZID分析表

浅水干式沉箱平时处于氮气覆盖状态，但在运维工况条件下需进行气体置换，在该阶段若沉箱内部存在泄漏油气，被点燃则可发生爆炸。浅水干式沉箱为密闭空间，设备布置较多，拥塞度高，一旦发生爆炸，其危害后果严重，因此需关注潜在的爆炸事故危害。

2 浅水干式沉箱爆炸风险分析方法

2.1 通用爆炸分析方法

海洋石油设施爆炸主要是由于泄漏油气与空气混合形成爆炸性气云，在接触点火源时发生后果严重的爆炸事故。决定爆炸后果的主要参数包括超压峰值、作用时间等。目前针对爆炸后果的研究分为3种主流方法[9]，如表3所示。

表3 爆炸后果主流分析方法

2.2 爆炸物理模型

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)爆炸方法一般采用有限体积法，湍流模型采用k-ε方程。气相爆炸的基本控制方程由质量守恒、动量守恒、能量守恒及组分守恒方程构成，可通过通用守恒方程[10]表示：

(1)

式中：t为时间；ρ为密度；Ø为通用变量；u为速度矢量；Γ为广义扩散项；SØ为通用源项。

爆炸的基础是可燃气云在爆炸极限范围内接触点火源，在一定受限空间形成。因此，CFD进行爆炸分析前需通过泄漏扩散分析，确定可燃气体的体积分数分布，用于换算为等量的爆炸气云[11]。目前，应用较多的用于计算等效爆炸气云当量的方法通过下式计算：

Q9=

(2)

式中：Q9为当量可燃气云体积；vi为控制网格内气体体积；ve为体积膨胀比；φER为燃料与氧气相对体积分数比，对于φER=φER，LFL或φER=φER，UFL，φERfac(φER，i)取值为0；对于φER=φER，top，φERfac(φER，i)取值为1。

φERfac(φER，i)取值为0～1，取决于φER的值：

φERfac(φER，i)=

(3)

式中：SL为层流燃烧速度，m/s。

该方法充分考虑最大火焰速度和最大膨胀等因素，通常来说φER，top与max{[ve(φER)-1]·φERfac(φER)：φER，LFL≤φER≤φER，UFL}可接近1，但不会等于1，这与燃烧速度剖面和体积膨胀率有关。

2.3 爆炸风险分析建模

2.3.1 可燃介质泄漏频率

针对海洋工程单一设施的失效频率，目前主要依靠国外数据库，如OREDA、WOAD、HCRD及HSE等[12]。国内针对化工设备也可参考《石化装置定量风险评估指南》[13]，其中给出部分类型设施的失效频率。在业界应用较为广泛的主要为HCRD数据库，根据HCRD数据库的数据建模原理，其泄漏频率与设施类型、尺寸、工艺压力及介质参数有关，在确定基础泄漏频率后，其他尺寸的泄漏可通过下式[14]进行计算：

Fd=Cdm(1+aDn)+Frup

(4)

式中：Fd为当量直径大于d的泄漏频率；d为泄漏孔当量直径；D为设备直径；m为斜率参数；Frup为额外破裂频率；C、a、n为拟合常数。

2.3.2 计算当量爆炸气云的参数

在一个泄漏单元内，通过CFD模拟当量爆炸气云Q9的数值，需确定泄漏的相关参数。通过对泄漏单元内物料存量的计算，可计算泄漏速率[15]：

(5)

式中：Q0为初始泄漏质量流率；A为泄漏孔径；Cd为泄漏系数；γ为热容比；p0为大气压力；T为温度；R为气体常数；M为气体的相对分子质量。

(6)

式中：p1为环境压力；P2为容器剩余压力。

在浅水干式沉箱内，若考虑工艺关断工况，则可通过下式计算泄漏时间：

(7)

式中：Q为t时刻泄漏质量流率；mG为泄漏量。

2.3.3 点火概率

泄漏形成爆炸性可燃气云，延迟点火造成爆炸事故。针对烃类物质的点火概率，目前通用的主要理论如下：

(1)基于时间发展的点火概率模型TDIIM[16]，包括立即、延迟点火以及离散点火。该模型综合考虑烃类物质泄漏速率、气云扩散体积分数分布以及可燃气体探测等因素，其原理是基于响应面法的蒙特卡洛抽样模拟进行计算，从而确定不同点火类型的点火概率。

(2)COX Lees点火模型，是挪威船级社(DNV)研发的一种快速计算点火模型。该模型规定的点火概率仅与泄漏速率相关，计算相对简单。该技术方法也被《石化装置定量风险评估指南》采用并推荐。

气相延迟点火概率可通过下式进行计算：

P=(e-4.16m0.642)(e-2.995m0.38)

(8)

式中：P为点火概率；m为气相质量。

(3)《化工企业定量风险评价导则：AQ/T 3046—2013》[17]给出的延迟点火概率计算公式：

P(t)=Ppresent(1-e-mt1)

(9)

式中：P(t)为t1时刻点火概率；Ppresent为立即点火概率；t1为点火时刻。

根据《风险和应急准备评估：NORSOK Z-013》，同时考虑浅水干式沉箱的设计方案，爆炸分析流程如图2所示。

3 实例分析

某干式舱舱体为板带筋形式，结构直径为18.65 m，结构高度为5.5 m。舱体内部整体为密闭空间，划分为油气区域和非油气区域，中间为钢板隔离墙，通过设置的水密门进出。舱内主要设备设施包括干式采油树、多路阀、多相流量计、注水管汇、应急逃生舱、开排、井口控制盘、中控设备间等，模型如图3所示。

图3 几何模型

3.1 设备泄漏计算

根据《风险和应急准备评估：NORSOK Z-013》，可燃气体泄漏速率选取0.1～1.0 kg/s、1.0～8.0 kg/s、8.0～16.0 kg/s以及16.0～64.0 kg/s等4种类型，浅水干式沉箱内泄漏参数如表4所示。

表4 气体泄漏计算

3.2 气体扩散计算

通过气体扩散CFD数值模拟可得到各甲板工艺区不同泄漏条件和通风条件下的气体云团尺寸。在三维几何模型的基础上，使用FLACS软件对模型进行合适的网格划分，网格划分前明确模型的各类边界条件。图4为计算结果示例。

图4 计算结果示例

图5是计算不同工艺泄漏单元在不同泄漏速率下的泄漏气相质量，因浅水干式沉箱与外界环境隔离，因此气相泄漏量除微小泄漏外，在超过1.0 kg/s时，泄漏的烃类物质质量基本相当。在此基础上，结合上述公式以及表4计算结果，不同工艺单元爆炸频率和气云当量体积如图6所示。

图5 气相泄漏数据

图6 不同工艺单元爆炸频率和气云当量体积

图7为计算的化学当量体积。当量体积即为在沉箱内部工艺区域参与爆炸的可燃气云的量，将换算的Q9在FLACS软件中进行模拟爆炸分析。

图7 化学当量体积

3.3 爆炸后果计算

通过有规律地变化几何尺寸、位置、点火点等参数进行爆炸模拟，结合爆炸事件发生频率进行统计，最终得到超压频率曲线。对3个气密门位置进行压力监测，MP1、MP2和MP3为设置的3个监测点，如图8所示。分析结果如图9所示。

图8 监测点位置示例及超压云图

图9 爆炸超压分析结果

图8展示不同体积当量气云下不同点火位置比较后最大爆炸超压工况的分析结果，将最大超压值对应的当量体积对应爆炸频率形成累计概率分析结果。

经分析，MP1处气密门爆炸超压最大为0.004 6 bar(1 bar=0.1 MPa)，对应累计概率为3.03×10-7/a；MP2处气密门爆炸最大超压为0.014 2 bar，对应累计概率为2.78×10-7/a；MP3处气密门爆炸最大超压为0.017 8 bar，对应累计概率为2.78×10-7/a。

4 结 论

(1)某浅水干式沉箱水下生产系统最大爆炸超压为0.017 8 bar，对应累计概率为2.78×10-7/a。从爆炸超压后果看，由于设备操作压力不高，设备发生泄漏后的泄漏流量不高，考虑一般的探测及响应时间远小于3 min，因此泄漏总量不大，可燃气体泄漏后主要聚集在井口区位置。发生爆炸后，各监测点受到的超压值较小且发生的频率不高。

(2)将定量爆炸风险分析方法引入干式水下采油装置爆炸风险分析，可以更为准确地得到发生爆炸事故后干式水下采油装置内部各设施的风险水平，分析研究成果对日常生产与维护管理起到良好的指导作用。

(3)通过泄漏扩散模拟分析，可以优化可燃气体探头布置，可作为发生事故后干式沉箱受限空间潜水作业人员疏散路线和逃生时间的判定依据，为应急预案的制定提供技术支持。