深水浮式结构火灾爆炸风险评价方法及软件开发

王亚琼，余建星，梁 静，卢贺帅，李 骁

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240）

深水浮式结构火灾爆炸风险评价方法及软件开发

王亚琼1,2，余建星1,2，梁 静1,2，卢贺帅1,2，李 骁1,2

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240）

在美国石油学会基于风险的检验技术（APIRP 581 RISK-BASED INSPECTION TECHNOLOGY）规范的基础上，结合我国南海深海石油开发实际，编写了一套功能较全、计算模型更加符合中国南海可能引发的火灾爆炸风险评价软件．软件首先在内核上结合火灾爆炸指数法评价，对待评估对象有整体的危险性认识；为简化API 581规范中对喷射火和池火危害半径循环迭代的计算，对公式进行变形，采用MATLAB画出曲线，导出危害半径和热辐射通量直接的关系，可以得到任意热辐射通量下对应的目标距离．其次在概率和风险评价设计中，实现了事件树和风险矩阵的输出．最后在输出结果上结合ACCESS数据库，实现了存储和输出计算数据，方便后期的分析使用．通过和PHAST计算算例的结果比较，软件可靠、有效，并且在概率计算和风险分析上具有优势．

火灾爆炸；风险评价；API581规范；软件开发

近年来，随着经济的高速增长，我国对油气等燃料的需求日益上升[1]．我国南海蕴藏着丰富的石油天然气和其他矿产资源，南海油气资源是我国经济与社会可持续发展的强大支持和保障因素．近年对南海油气的开采、运输日益增多．在可燃性油气的开采以及储运的过程中，经常会发生油气泄漏．可燃性油气在点火的情况下，会发生各种火灾爆炸，例如：喷射火，池火，蒸气云爆炸等[2]．火灾爆炸会对油气造成损失，对开采、储运油气设备、财产以及人员造成伤害．海洋工程界通常认为300 m以上为深水，1 500 m以上为超深水[3]．深水海域，如南海群岛，距离大陆较远，一旦发生油气泄漏造成火灾爆炸，扑救比较困难，因而造成的人员、设备损失更加严重．因此，对深水浮式结构的火灾爆炸风险评估显得尤为重要．

随着计算机技术的发展，运用计算机计算油气的泄漏以及引发的事故后果成为可能[4]．目前，国内外风险评价、分析的方法非常之多，各种定量分析的软件也较多[5-6]．挪威船级社（DNV）在安全管理与技术评价领域内具有权威的地位．最常用的火灾爆炸风险评价软件是挪威DNV公司开发的PHAST量化风险评估计算软件．PHAST软件包实施事故后果、风险计算，根据泄漏介质的特性、当地气温、风速、点火源位置及人员分布等条件，结合事故发生的频率计算得到各种可能的燃烧性、爆炸性和毒性的后果及风险[7]．

但是在现有的风险评价软件中，池火灾的计算模型一般采用的是点火源模型，精确程度不如API581规范中介绍的Mudan模型，缺乏对管道或者设备的整体风险程度评价，在事故发生概率的计算和事件树的输出方面不完善，用户在分析火灾爆炸计算后果的概率和风险等级时不直观．

为了编写一套功能较全、计算模型更加合理的火灾爆炸风险评价软件，本文以API581规范和《安全评价方法应用指南》为理论算法，针对油气的火灾爆炸特性，对规范的计算公式进行变形，加入了《安全评价方法应用指南》中的指数法评价方法，采用VisualBasic.NET开发了一套火灾爆炸风险评估软件，对火灾爆炸的危险等级进行划分，对各类事故发生的可能性、后果以及风险等级进行计算评估．

1 算法改进

API 581规范中对喷射火和池火的后果计算部分，采取的是公式中参数循环迭代的方法，来计算火灾的影响区域．计算复杂，并且计算量大，不直观．因此，本文对火灾的后果区域的计算公式进行变形，用在编写的程序中，理论算法更加简单．

1.1 喷射火后果区域算法改进

喷射火主要是由于对受压的工艺容器或者管道发生泄漏后的可燃流体进行立即点火产生的．火灾不同的热辐射量对人和物可造成不同程度的损害，如表1所示．

表1 热辐射伤害准则[8]Tab.1 Thermal radiation damage criteria

API中的规定热辐射通量的分界值是人员伤害12.6 kW/m2，设备损坏是37.8 kW/m2[9]．因此，最后计算出来的目标处的热辐射通量要逼近于这两个临界值．

首先取目标距离的大概值，计算出大气辐射系数和视角系数．根据喷射火的总辐射能量和计算出来的大气辐射系数和视角系数带入求解目标处的热辐射通量．将计算值和规定值 （人员伤害12.6 kW/m2，设备损坏是37.8 kW/m2）进行比较，如果接近，则输出目标距离，如果相差较大，则改变目标距离的值，重新带入求解，循环迭代直至目标处的热辐射通量接近规定值．具体公式参照API581规范．计算人员和设备的影响距离步骤如图1所示．

从上面的计算过程可以看出，反复循环迭代计算量增大，最后计算出来的目标处的热辐射通量是在一定的误差范围内接近于规定值，误差范围的大小也直接影响到最后计算出来的目标距离，导致结果不准确．

图1 喷射火安全距离计算步骤Fig.1 Jet fire safety distance calculation steps

为了使计算安全距离更加直接、方便，将API581规范中的公式进行变形，推导出目标处接受的热通量Ithjnet和安全距离xsn的函数表达式如下：

其中：C14为API中给定的系数，可以从附表中查出为1； 为燃烧能量的分数，一般取0.35；Wnjet为喷射火泄露速率；HCV为燃烧热，J/kg；Ithjnet为热通量，W/m2；Pw为大气层的水分压，kPa．

在公式 (1)中，热通量的值，API中的规定分界值是人员伤害12.6 kW/m2，设备损坏是37.8 kW/m2，即可直接求出人员和设备的安全距离，变形后的公式计算方法比之前的迭代计算要简便，大大减小计算量．

1.2 池火灾后果区域算法改进

当易燃液体从设备或者管道泄露出来，就会形成池火．随着池火的形成，一些液体会蒸发，并且如果蒸发的易燃液体遇到高于他的可燃下限（LFL）的点火源时，池火就会形成．对于APIRBI，认为池火是由发生泄漏孔口或者破裂的受压容器或者管道泄露的可燃液体立即点火形成的．

池火灾的计算过程和喷射火大体类似．和喷射火不同的是，池火灾在计算辐射角系数时用到的是Mudan模型．视角系数可以把火焰看做一个垂直的圆柱的倾斜角来计算，运用Mudan提供的公式．为圆柱形的视角系数Fcyln是由圆柱的垂直视角系数Fvn和圆柱的水平视角系数Fhn计算得出[4]．其中圆柱的垂直视角系数和水平视角系数是火焰倾角、火焰长度、火池半径和目标距离的函数．计算公式非常复杂，具体可参照API581规范．由于视角系数的计算过于复杂，导致用上述喷射火的循环迭代计算方法的计算量非常大，在迭代过程中，出现错误的几率也加大．

为了能够直接计算出在一定热辐射通量下的目标距离，本文采用MATLAB对上述公式进行变形，画出距离和热辐射通量的曲线图．从曲线图中可以直观的找到目标距离．

选用可燃液体的代表性物质乙醇进行计算，以火池半径为10m为例，在MATLAB中将上述基本数据以及API581中的池火灾中的计算垂直辐射角系数、水平辐射角系数、辐射角系数、大气透射系数和目标处接收到的热辐射通量公式输入，即可画出曲线如图2．其中横轴为距离泄漏点的距离，纵轴为对应距离的热辐射通量．

图2 安全距离-热辐射通量曲线图Fig.2 Safety distance radiation heat flux curve

在图2中，y轴为对应距离的热辐射通量，从图像上选取y轴上任一点的热辐射通量值，对应到曲线上的点，可以读出点的横坐标即为目标距离的值．即可以得到每一个热辐射通量下对应的距离．

从上面的分析过程可以看出[10-12]，在计算后果影响距离时，计算不用迭代求解，根据图像的横纵坐标可以直接读出，借助曲线图的方法直观、简便．

2 软件开发

软件的编写主要以API581规范和《安全评价方法应用

指南》为依据，具体模块的算法如下．

软件的第1个模块，火灾爆炸风险程度评价模块，参照《安全评价方法应用指南》中的火灾爆炸危险指数（F&EI）评价方法．该方法从设备或管线内流体危险性出发，评价工艺过程中的一般工艺危险与特殊工艺危险，得到考虑补偿措施之前的火灾爆炸危险指数，再引入诸多补偿措施的折减系数（工艺控制、物质隔离以及防火措施），得到最终的危险指数[13]．

软件的第2、3、4模块，即事件树概率分析模块、火灾爆炸事故预测模块、风险评价模块，参照的是由美国石油学会（API）于2008年发布的基于风险的检验技术（RISK-BASED INSPECTION TECHNOLOGY），即 API 581规范2008版．喷射火和池火的后果计算部分，采用上面改进过的公式和算法，避开循环迭代的求解目标距离，减小了计算量，用在程序中更加简单、直观．

在进行深水结构火灾爆炸事故后果预测之前，先对待评估对象的火灾爆炸危险性进行系统预分析，有的放矢地找出重点评估对象，该过程常用到的方法有火灾爆炸危险指数（F&EI）评价方法．然后可以根据泄漏的判定事件树，计算事件树对应的后果的发生概率．根据对系统的危险程度评价以及不同事故的发生概率大小，有针对性的对火灾爆炸事故后果进行计算．最后通过对事故后果发生的概率和危险区域、人员伤害范围进行量化计算和分级，从而评定风险等级，在风险矩阵中输出风险等级．软件的计算思路如图3．

该系统通过计算火灾爆炸危险指数和危险等级、事件树上对应事故的发生概率、火灾爆炸范围计算，可以实现风险评估，对用户的实际工程进行指导．编写的这套软件主要具有以下特点：

1）软件内核加入《安全评价方法应用指南》中的火灾爆炸风险程度评价，进行设备或管线火灾爆炸事故后果预测之前，根据用户输入的物质系数、工艺危险系数和补偿系数计算系统的危险指数（F&EI），对待评估对象进行整体的危险程度评定；2）在事故的发生概率计算模块，软件可以输出事件树，并对事件树发生事故的对应概率计算，用户使用方便，计算结果一目了然；3）喷射火和池火的后果影响距离的计算，喷射火计算对API中的公式进行变形，池火计算采用API 581中提供的Mudan模型，对火灾后果范围的计算更为直接；4）软件可以通过对事故发生概率和后果范围的计算，实现对待评估对象进行风险评价，并且在风险矩阵中输出风险等级，对于指导用户的生产实践有实际意义；5）软件融合ACCESS数据库，对用户输入的参数和计算的结果进行储存，最后可以输出Word和PDF报告，方便用户的后期使用．

图3 软件的计算思路Fig.3 Method of calculation software

3 算例

本文选取具体的算例，使用编写的火灾爆炸风险评价软件和PHAST软件分别计算分析．并对二者计算结果的进行对比分析．

采用发生池火灾的常见物质乙醇．环境温度为20℃，标准大气压下，风速为4m/s，火池半径为10m．乙醇在此条件下的物性参数如表2所示[14]．

表2 乙醇物性参数表Tab.2 Physicalparametersofethanol table

首先对事故的整体危险性进行火灾爆炸风险程度评价和后果概率的计算，结果如图4、图5所示．图4是对系统的整体危险性进行评价；图5是输出事件树，并且在事件树对应后果后输出计算的后果概率，用户可以清楚的看出发生池火灾的概率为0.34，是所有后果中最大的，因此需要对池火灾进行后果计算．

图4 火灾爆炸危险程度评价Fig.4 Fireexplosion hazard degreeevaluation

下面对池火灾的后果进行具体的计算，API中的规定热辐射通量的分界值是人员伤害12.6 kW/m2，设备损坏是37.8 kW/m2．池火灾的相关后果参数如表3所示．

表3 池火灾后果计算值Tab.3 Pool fire consequence calculation

最后进行软件的风险评价模块计算，将前面计算的后果概率和后果半径分别评级，计算出风险等级．界面如图6，其中将风险等级在风险矩阵上输出，用户使用更加直观．

为了和PHAST软件进行对比，分别使用本文编写的软件和PHAST软件计算池火灾的后果．池火灾的相关后果参数对比如表4、表5所示．

表4 池火灾后果计算值对比Tab.4 Comparison of calculated resultsof pool fire

表5 安全距离对比Tab.5 Comparison of safety distance

图5 概率计算和事件树的输出Fig.5 Theoutputof probability calculation and event tree

图6 风险矩阵计算界面Fig.6 Riskmatrix interface

从表4、表5中的后果参数对比可以看出，PHAST计算后果参数值的比较，二者的计算结果基本相近本文编写的火灾爆炸风险评价软件具有合理性、有效性；此外，本软件计算出来的伤害半径和PHAST相比稍大，计算结果偏保守，对实际工程运用更加安全．

4 结语

1）变形后的喷射火和池火安全距离计算公式简便，避开了循环迭代的求解目标距离，减小了计算量，可以观察出热辐射通量和距离之间的关系，直接得到任意热辐射通量对应的安全距离值；

2）软件在API581规范的理论算法上，结合《安全评价方法应用指南》的火灾爆炸指数法评价，对评价模型多了一层在后果评估之前的危险性评价，对待评估对象有整体的危险性认识；软件在概率和风险评价设计中，使用事件树和风险矩阵的输出，用户在使用时对后果认识一目了然；软件可以对用户输入的参数和计算的结果进行储存，最后输出Word和PDF报告，方便用户的后期分析使用；

3）通过和PHAST输出结果的对比，PHAST偏重于后果值的计算，而本软件的优势在于能计算后果发生的概率和风险等级，并且在输出上采取了事件树和风险矩阵，输出界面清晰，利于用户的直观理解和使用，软件更加人性化，功能更加全面．

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[责任编辑 杨 屹]

The fireand explosion risk assessmentmethod of the deepwater floating structureand the software development

WANG Yaqiong1,2，YU Jianxing1,2，LIANG Jing1,2，LU Heshuai1,2，LIXiao1,2

(1.StateKey Laboratory ofHydraulic Engineering Simulationand Safety,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration,Shanghai200240,China)

According to the American Petroleum Institute released of RISK-BASED INSPECTION TECHNOLOGY in 2008,combinedwith theactualoildevelopmentof the South China Sea,asetofwith comprehensive functionsandmore reasonablemodels in linewith the South China Sea fireexplosion risk assessmentsoftwarewasdeveloped.First,the software combined the assessmentof fire and explosion indexmethod to evaluate the risk of object.In order to simplify the iterativecalculation of the jetfireand pool firehazard radiusin API581 specification,formulaswasdeformated and curves was drawn using MATLAB.The function of hazard radius and radiation heat flux was derived.The targetdistance corresponding to any thermal radiation flux can be gotten.Second,in the design of the probability and risk,the software outputevent trees and riskmatrix.Last,combined with ACCESS database in the output,the software for storage and output of data analysis,was convenient for later use.Compared with the PHAST calculation results,this software is reliable and effective,and hasadvantages in calculating the probability and risk analysis.

fire and explosion;risk assessment;API581 specification;software development

TE58

A

1007-2373(2016)01-0096-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.018

2015-05-25

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2014CB046804）；国家自然科学基金（51239008，51379145）；“十二五”国家科技重大专项子课题（2011ZX05030-006-03）

王亚琼（1989-），女（汉族），硕士生．

梁静（1988-），女（汉族），博士生，liangjing_0805@126.com．