基于事故场景模拟的平台立管泄漏应急处置方案研究与应用

摘要：本文以我国南海某深水平台为研究对象，基于国内外立管失效事故统计分析，借助三维CFD软件模拟得到该平台立管可能的瞬态泄漏特性曲线以及可燃气体扩散和火灾事故影响范围，并首次采用NORSOK标准，基于精确的量化数据支持，建立了一套完整的平台立管泄漏应急处置方案，不仅为平台人员实施立管泄漏应急响应及救援工作提供指导，也为其他平台立管应急预案编制提供参考。

关键词：平台立管;泄漏;事故场景;CFD模拟;应急处置

一、前言

平台立管是海底管道从海底至海上平台管段的总称。立管作为海洋油气输送系统的重要组成部分，由于长期受到多种环境载荷和内部载荷的联合作用，已成为海底管道系统中最薄弱的构件之一。据英国北海数据统计，海底管道和立管部分发生的泄漏事故中超过60%发生在立管部分，而且立管泄漏往往会造成灾难性事故，甚至导致失去整个平台。

本文以我国南海某深水平台为研究对象，在国内外立管失效事故统计分析的基础上，借助三维CFD软件开展平台立管泄漏、扩散、火灾和爆炸事故场景模拟，确定量化的事故影响范围，并首次采用NORSOK标准，基于精确的量化数据支持，在应急准备分析结果上建立明确的平台立管泄漏应急处置方案，以期最大程度地预防和减少立管泄漏突发事件及其造成的危害，提高现场人员应对平台立管泄漏突发事件的响应和处置能力，保障平台人员生命和财产安全。

二、平台立管介绍

该平台共设计有10条立管，当前阶段已安装5条立管，均分布在导管架的内侧，另有5条立管将在未来的开发过程中安装，分布在导管架的外侧。本次纳入研究的立管主要包括2条22’’立管、1条14’’立管和1条30’’立管。平台立管失效原因及泄漏频率主要参考目前国际上几个公开的数据库（HSE[1]、PARLOC[2]、WOAD[3]、OGP[4]）以及LRC数据源，结合该平台立管设计和运行资料，给出如表1的推荐泄漏频率。

三、平台立管泄漏模拟及事故后果影响分析

1.平台立管泄漏模拟

OLGA是专业瞬态多相流CFD模拟软件，可以精确地模拟和分析流体真实动力学过程[5][6][7]。本次研究采用OLGA软件建模，将立管的相关参数如流量、环境温度、整体传热系统、SSIV和SDV的关闭时间、出入口压力和输送温度、不同水深区域的管道内径作为模型输入，同时考虑SSIV是否关闭以及在平台的放空影响。 依据立管安装位置，考虑四个泄漏位置，分别为立管底部泄漏、立管中部泄漏、立管飞溅区泄漏和立管平台上泄漏。泄漏孔径分为小型泄漏（20mm孔径）、中型泄漏（50mm孔径）、破裂泄漏（全孔径）三种类型。

通过OLGA模拟，得到了不同泄漏孔径、不同泄漏位置在两种输送流量下的泄漏速率特新曲线，作为下一步水上扩散分析及火灾、爆炸分析的输入，以获得可燃气云在平台下和平台上的分布和火灾、爆炸的影响范围。对于SSIV关断后的平台立管泄漏持续时间计算结果见表2。

2.平台立管泄漏事故后果模拟

（1） 模拟场景定义及输入

KFX是用于模拟气体扩散和火灾的三维瞬态模拟软件[8][9]，本文采用KFX对立管泄漏后的可燃气体扩散和火灾情况进行模拟，分析平台周围可燃气体扩散及火灾热辐射影响范围。模拟场景选择上主要考虑两方面因素，一是尽可能地考虑到主要的泄漏类型;二是场景尽量可信、后果保守。下面以30’’立管在飞溅区泄漏后的气体扩散和火灾场景为例进行分析说明。

对于30’’立管，主要考虑3种泄漏情形，即泄漏孔径分别为20mm、50mm和全孔径断裂。由于泄漏速率随着时间逐渐降低，选择泄漏发生后第1分钟的泄漏质量流量作为火灾模拟的输入。对于泄漏位置，选择海平面以上5m高度处。由于飞溅区所处区域几乎无障碍物和填充物，且泄漏速度很高，在相同泄漏方向和风向下，风速对喷射火灾的影响较小，因此选择该平台所处海域的年平均风速5m/s作为参考风速。由于立管位于平台西侧，根据后果不利的原则，假设风向向东，即吹向生活楼。由于立管出海面后为竖直向上，因此对于泄漏孔径20mm和50mm，泄漏方向最大可能为垂直于管壁，即沿水平方向泄漏。而对于断裂情形，泄漏方向最大的可能性为竖直向上。对于未发生点燃的泄漏情形，由于风速会对气体扩散产生影响，因此考虑两种风速，分别为1m/s和5m/s。

（2）立管飞溅区泄漏后果模拟

通過模拟分析，只有断裂泄漏被点燃的概率较大，对于断裂泄漏，需注意高风速天气情况。因为高风速有利于气体的扩散，形成较大的可燃气云，且此情形下救生艇和直升机甲板的可用性均受到影响。对于小型和中型泄漏，由于形成的可燃气云较小，被点燃的可能性较低，其泄漏对救生艇和生活楼的可用性影响也较小。对于飞溅区的立管泄漏，小型和中型泄漏所导致的喷射火不会对平台产生重要威胁，但需要注意喷射火对平台结构的影响。断裂泄漏会导致严重的火灾后果，人员逃生将十分困难.

（3）立管飞溅区泄漏影响分析

根据ISO17776风险矩阵[10]，对30’’立管飞溅区泄漏后气体扩散和火灾后果对平台影响及事故升级可能性进行分析[11]，分析结果见表3和表4。

四、平台立管泄漏应急处置方案制定

基于以上事故场景模拟结果，依照NORSOK Z-013[12]和GL0282[13]标准要求开展应急准备分析，从水下、飞溅区和下层甲板三个不同位置对可能发生的危害和事故情形进行识别和定义，参考相关标准对各DHSA的相关性能要求和必要措施进行汇总，根据该平台现有应急管理流程资源，通过组织现场人员和陆地相关应急管理人员开展头脑风暴讨论，整理形成各DHSA的应急准备措施及建议，为下一步应急处置方案编制提供基础。

综合应急准备分析结果，在公司级和平台级应急预案框架下，针对每一类事故场景制定一套详细且量化的平台立管泄漏现场应急处置方案。这里有几点经验供参考：

（1）除常规巡检及压力数据曲线变化识别等手段，可以增加火焰探测器报警这一技术措施来提示异常发生;

（2）明确事故报告内容，包括：泄漏立管、报警探测器所在区域、可视火焰直径、火焰高度、火焰距离平台的距离等;

（3）增加立管泄漏情形的判断依据，如通过火焰直径判断泄漏大小、通过火焰位置判断泄漏位置等。其中泄漏大小的判断依据为：压力曲线骤降，火焰直径较大或火焰直径中等但燃烧较为猛烈，可判断为大型泄漏;火焰直径较小，可判断为中小型泄漏。泄漏位置的判断依据为：火焰距离平台650m范围内，立管泄漏可能性较大，可进一步通过记录SSIV关断后的泄漏持续时间判断是否为立管泄漏。

（4）针对大型泄漏和中小型泄漏，分别建立起相应的应急程序，同时结合泄漏模拟与应急准备分析结果，对各个应急环节给出详细且量化的控制行动要求。如上报与通知环节：划定警戒区域（火焰边缘以外半径1公里范围内），泄漏阶段不使用直升机。处置环节：启动EDS1级关断，并对泄漏立管的SSIV及SDV关断进行确认;启动喷淋系统对受影响的区域水幕保护;如火焰位于平台下方，可视火势情况进行现场灭火;针对大型和中小型泄漏，火焰位于平台附近且距离分别小于700m和300m，可以请求平台守护船对可能受泄漏火灾影响的设施设备进行水幕保护。撤离环节：SSIV无法关闭，火焰移至平台附近或下方，进而平台上发生火灾爆炸，应撤离平台;逃生手段优先考虑救生艇。

（5）建议补充工艺流程图及事故后果模拟三维图，为现场人员的日常培训演练及应急处置作为资料参考。

五、结语

借助三维CFD开展平台立管泄漏模式及应急处置方案研究，确定量化的事故影响范围，在应急准备分析基础上建立明确的平台立管泄漏现场应急处置方案。该方案不仅弥补平台立管泄漏现场应急方案的空白，而且可为其他平台设施立管应急预案编制提供借鉴和参考，更重要的是有效促进了基于事故场景模拟的应急准备、应急响应和应急管理能力的提升，为公司应急能力建设发挥了积极作用。

参考文献：

[1] HSE， Accident statistics for fixed offshore units on UK Continental Shelf 1980-2005， Report NO. RR566， 2007

[2] Mott Macdonald Ltd. PARLOC 2001： The update of Loss of Containment Data for Offshore Pipelines[S]. Croydon UK， 2003.

[3] DNV GL. The Worldwide Offshore Accident Databank， http：//woad.dnv.com/ [Data File]. Norway， 2015.

[4] International Association of Oil & Gas Producers. OGP Report No. 434-7 Vulnerability of plant/structure[S]. London UK， 2010.

[5] T.K. Fanneløp. Fluid Mechanics for Industrial Safety and Environmental Pro¬tection[M]. Elsevier Science B.V.， 1994.

[6] M.S.G. Bettelini， T.K. Fanneløp. Underwater Plume from an Instantaneously Started Source[J]. Applied Ocean Research， 1993， 15： 195-206.

[7] 吴凤林， G.Tsang. 三维气泡羽流建立区流动形态的观察[J]. 力学学报， 1991， 23（1）： 1-7.

[8] ComputIT AS. Kameleon FireEx KFX® 2010 User manual， Report No. R0921[S]. Trondheim Norway， 2010.

[9] ComputIT AS. Kameleon FireEx Validation Handbook， Report No. R0922[S]. Trondheim Norway， 2010.

[10] ISO 17776， Petroleum and natural gas industried – Offshore production installations – Guidelines on tools and techniques for hazard identification and risk assessment， 2000.

[11] 陈欣， 孙旭， 李东芳等. 海上平台直升机甲板受环境影响的安全分析评[J]. 中国海上油气， 2012， 24（1）：60-64.

[12] Statoil. GL0282-2010 Guideline for risk and emergency preparedness analysis[S]. Norway， 2010.

[13] Norwegian petroleum industry. NORSOK Standard S-001-2008 Technical Safety. Lysaker Norway， 2010.

作者簡介：谭珮琮（1985-），女，硕士，工程师，现就职于中海石油（中国）有限公司深圳分公司，主要从事海洋油气田开发工程设计与安全分析评估工作。