圆筒型FPSO防爆墙设计研究

2018-03-24赵志坚

船舶标准化工程师 2018年2期

赵志坚

（中远海运重工有限公司技术研发中心，辽宁大连 116600）

0 引言

浮式生产储卸油装置（floating production storage and offloading，FPSO），兼具生产、储油和卸油功能，是海洋工程生产装备中的高技术产品。作为海洋石油开发系统的重要组成部分，FPSO与水下采油装置和穿梭油轮组成一整套海洋油气开采、生产和运输系统。“希望6号”是中远海运重工有限公司设计建造的圆筒型 FPSO，是我国海洋工程装备制造企业承接的首个涵盖设计、采购、建造的FPSO总包项目。由于圆筒型平台结构紧凑，各向刚度相当，几乎没有整体变形，结构总体强度和疲劳强度与船型FPSO相比优势明显。但是这带来一个设计难题，由于甲板面积限制，上部模块间距离过近，难以满足安全要求。因此，如何设置防爆墙，以保护工艺生产模块安全运行是圆筒型平台设计必须面临的挑战。

1 上部模块布置特点

“希望6号”圆筒型FPSO的甲板面积在4 800 m2左右，约为相同规模船型FPSO甲板面积的60%。居住区与生产模块之间，生产模块与辅助模块之间，天然气处理设备与原油生产设备之间的距离很近，潜在的安全风险不容忽视。

基于上述原因，圆筒型FPSO设计中取消了常规FPSO独立的冷源和热站等日用辅助模块，将冷热源系统分散布置在各个生产模块中，尽最大可能整合处于上下游流程的生产模块，将注水、脱氧与化学品注入功能整合为一个注水加药模块。但是这样的设计导致模块层数的增加造成超高、超重等问题。在平台的五个大模块中，干重超过1 000 t以上有三个，平均高度达20 m左右，不仅增加了吊装的难度，降低了平台稳性，也导致了生产模块之间的安全距离不足，需要通过增加防爆墙来实现风险控制的目标。而大量设置隔爆墙会导致平台无法满足危险气体的扩散要求，一旦发生可燃性气体泄漏导致火灾、中毒气体扩散和爆炸等，将直接危及操作人员的生命安全和设备的安全运行。

因此，合理确定防爆墙位置、正确识别判定泄漏概率、有效评估爆炸的灾害，既能满足有效隔离安全区和危险区的要求，又能保证有毒可燃气体及时扩散，对爆炸产生的影响进行科学合理的分析，并采取有效的应对措施，是设计“希望6号”圆筒型FPSO的主要设计任务之一。

2 防爆墙设计

防爆墙是具有抗爆炸冲击波的能力、能将爆炸的破坏作用限制在一定范围内的墙体。通常，陆上的化工建筑结构设计中经常需要设置防爆墙，有钢筋混凝土防爆墙、钢板防爆墙、型钢防爆墙和砖砌防爆墙。而常规船型FPSO可以满足最小安全距离的要求，不需要设置防爆墙，导致圆筒型FPSO的防爆墙设计没有先例可循。同时，针对爆炸风险分析通常缺少准确的定义和合理的描述，增加了防爆墙设计的难度。“希望6号”的防爆墙采用加强筋水平均布、强梁垂向均布支撑的板架结构，材料为AH36高强度钢。为满足模板布置需求而采用的折角型结构形式、与墙体两端相连接的吊柱、以及与上建相连的水平桁共同构成了防爆墙的水平支撑，承受爆炸产生的冲击载荷。防爆墙沿甲板加强筋方向布置，防爆墙的垂向强框结构与甲板强框结构对应相连，以保证载荷的有效传递，提高防爆墙底部的刚度和结构强度。在防爆墙表面涂有以环氧树脂为原料的环氧防火涂料。环氧树脂粘接力强、机械强度高，具有优良的耐化学腐蚀性、耐热性、耐酸碱性、良好的电绝缘性和极佳的封闭性，阻燃成分不会迁移到涂层面，因此其防火性能受时间和环境的影响较小。环氧涂料的厚度为9 mm，满足H-60级耐火分隔要求，并满足全盐潮湿环境的腐蚀要求。

经研究，导致爆炸发生的主要原因包括：通气性差、生产模块相对集中、有处理重烃的工艺、弯曲布边（dog-legged）的防爆墙设置等，需要在设计中予以充分考虑。

如图1所示，“希望6号”圆筒型FPSO的工艺甲板位于水平面36.5 m以上，为了预防由于可燃气体爆炸导致的风险，初期的防爆墙设计将生产模块区和生活模块区隔离，P20和P30模块之间隔离。由于工艺处理模块相对集中地布置在靠近尾部区域，通过采用敏感性分析方法，初步确定该区域为“高”爆炸载荷区域。

图1 “希望6号”圆筒型FPSO的工艺甲板水平示意图

敏感性分析是指从众多不确定性因素中找出对评价结果有重要影响的敏感性因素，并分析其对结果的影响程度。通过对防火墙的敏感度分析研究表明，增加的P20和P30模块之间的防爆墙，合理有效的通风将被抑制。但移除防火墙，通风效果不仅没有得到明显改善，一旦任意模块发生爆炸，更大的气体云引起的爆炸冲击波将导致爆炸风险的进一步增加，造成其他生产模块失效。如何有效定量地识别“高”爆炸载荷，需要采用定量风险评价方法进行确定。

3 定量风险评价

定量风险评价（QRA，quantitative risk assessment）即概率风险评价，是通过对系统或设备失效概率和失效后果的严重程度进行量化分析，进而准确地描述系统风险。定量风险评价是一种技术复杂的风险评估方法，不仅要对事故的原因、场景等进行定性的分析，还要对事故发生的频率和后果进行定量计算，并将量化的指标与可接受标准进行对比，提出降低或减缓风险的措施，重复计算直至确定采取风险减缓措施可以满足风险标准的要求为止[1]。

QRA方法的核心是对事故发生概率和事故后果的拟合。对于“希望6号”圆筒型FPSO而言，天然气的泄漏是引发相关的重大危险源发生火灾、爆炸、中毒气体扩散等事故的根源。事故发生概率首先取决于工艺装置本身的失效概率，也就是泄露概率[2]。据统计，自2001年～2015年，无作业和人工干预条件下，挪威地区碳氢化合物泄漏事故中，29%是由设备自身原因导致的。因此，泄漏概率的确定对于定量风险评价至关重要。依托原挪威船级社的推荐方法，结合圆筒型FPSO的自身特点，设计中重点探讨了工艺工程装置泄漏概率的估算方法。

“希望6号”圆筒型FPSO的泄漏概率的确定程序如下：首先根据设备设施的实际情况确定典型泄漏尺寸，然后确定基础泄漏概率，最后通过确定典型泄漏尺寸的泄漏概率判断各个工艺模块所在区域的爆炸可能性。

基础泄漏概率主要来源于统计数据，泄漏的部件主要包括但不限于：静设备容器、管道、动设备泵、压缩机以及工艺阀门等。根据英国HSE规范要求公布的泄漏概率多数是按泄漏孔径区间两端给出，区间内的其他孔径泄漏概率需要用差值公式求出。计算采用原挪威船级社 2005年公布的基础泄漏概率的统计数据[3]，如表1所示。

表1 基础泄漏概率

基于上述基础泄漏概率数据，分析得到“希望6号”圆筒型FPSO的爆炸释放频率和事件的风险，见表2和图2。

表2 爆炸释放频率和事件的风险

图2 本地超压事故频率

根据上述分析结果可以看出初始设计的防爆墙存在工艺甲板爆炸载荷加载“高”的问题，为了降低爆炸风险，必须调整防爆墙设计方案。经研究，提出两种解决方案，分别如图3和图4所示。

方案一：维持现有P20和P30之间的防火墙不变，改变现有防爆墙的走向，将P40作为辅助模块和生产模块区进行隔离；方案二：维持现有防爆墙走向不变，将P20和P30之间的防火墙延伸到主防爆墙区。通过对两个方案爆炸模型和基本情况的分析，结合DNV QRA中允许近似量化参考值，得到爆炸超压结果如图5和图6所示。

通过比对分析，采用方案一和方案二均可大幅度的降低“高”爆炸风险的概率，满足设计要求。综合评估两个方案对修改量、成本和交货期的影响，最终采用方案二作为最终设计方案。

4 结论

“希望6号”圆筒型FPSO甲板面积紧凑，防爆墙设计复杂。通过采用定量风险评价方法，确定防爆墙的位置大小以及形状，消除重大安全风险，保障了人员的生命和设备安全。由于圆筒型 FPSO的防爆墙设计无先例可供参考借鉴，设计中需要重点考虑如下因素的影响。首先，防爆墙的位置不仅能够有效隔绝爆炸，保护人员和设备安全，同时需要避免因防爆墙的设置不合理阻碍气体通风扩散的情况发生。其次，要根据防爆墙设置区域的不同提供对应的解决方案，如果防爆墙设置在危险区域内，当爆炸危险发生后，应考虑爆炸冲击波的影响；如果不在此区域内，应判断是否可以按照防火墙进行设计。最后，防爆墙体在设计时应该采用防火材料，并且能够满足海洋工程的全盐潮湿环境的腐蚀要求。