余建星，周寶勇，周清基，晉文超，李智博，楊 源

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津 300072)

海底管道SSIV設(shè)置研究

余建星，周寶勇，周清基，晉文超，李智博，楊 源

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津 300072)

針對海底管道水下隔離閥系統(tǒng)(SSIV)設(shè)置成本過高而存在的設(shè)置必要性問題，建立基于定量后果分析的SSIV評估系統(tǒng)．基于歷史數(shù)據(jù)庫研究海洋立管和海底管道的泄漏頻率，通過實驗與經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對比確定氣池直徑的計算方法，并運(yùn)用PHAST軟件計算火災(zāi)事故后果，用自主開發(fā)軟件定量計算水下油氣泄漏擴(kuò)散后果；在此基礎(chǔ)上對火災(zāi)爆炸事故后果升級問題進(jìn)行研究，實現(xiàn)對設(shè)置SSIV帶來收益的準(zhǔn)確評估．該方法已成功運(yùn)用到南海深水油氣勘探開發(fā)示范工程某氣田的SSIV設(shè)置研究中，可供其他工程借鑒參考．

水下隔離閥；氣池直徑；火災(zāi)爆炸；水下泄漏；定量評估

2010年4月，美國墨西哥灣一座深海鉆井平臺爆炸沉沒，引發(fā)巨大環(huán)境災(zāi)難，舉世震驚．隨著海洋油氣資源開發(fā)如火如荼，海上作業(yè)安全與風(fēng)險問題也廣受世人關(guān)注，已成為目前海洋工程領(lǐng)域發(fā)展必須面臨的重大挑戰(zhàn)．海洋立管和海底管道作為水下產(chǎn)出物與外界聯(lián)系的樞紐，一旦發(fā)生泄漏，就可能引起中心平臺處的持續(xù)性火災(zāi)或者災(zāi)難性爆炸，水下隔離閥系統(tǒng)(subsea isolation valve，SSIV)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)對平臺近端立管和海底管道的隔離以降低因泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸后果，但設(shè)置SSIV的投入成本高達(dá)五千萬元，是否值得設(shè)置是目前工程所面臨的主要問題，而且目前不論是在國外還是國內(nèi)都缺乏一套專門的SSIV設(shè)置定量評估系統(tǒng)．

為此，筆者基于歷史數(shù)據(jù)庫對海洋立管和海底管道泄漏頻率進(jìn)行研究，并通過實驗與經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)果進(jìn)行對比研究氣池直徑計算方法，在定量評估火災(zāi)爆炸事故后果基礎(chǔ)上結(jié)合平臺上部設(shè)施和人員分布等對可能的事故后果升級進(jìn)行研究，建立SSIV設(shè)置評估系統(tǒng)，準(zhǔn)確評估設(shè)置SSIV所能帶來的收益，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度考慮SSIV設(shè)置的必要性．

1 SSIV效益評估流程

SSIV效益評估流程如圖1所示．

圖1 SSIV效益評估系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of benefit assessment system of SSIV

首先通過風(fēng)險辨識分析得出可能引發(fā)平臺立管與輸氣管道泄漏的風(fēng)險事故因素．查找和整理數(shù)據(jù)庫內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對特定系統(tǒng)危險事件發(fā)生的概率進(jìn)行分析與判別．針對設(shè)置與不設(shè)置SSIV兩種狀況建立海底管道與立管水上、水下泄漏的事故后果模型，進(jìn)行平臺火災(zāi)爆炸風(fēng)險的后果估計，分析特定危險后果對平臺、立管和海底管道造成的影響，判斷火災(zāi)爆炸事故后果是否升級，并進(jìn)一步得出其對平臺運(yùn)行造成的損失成本，最終完成SSIV效益評估工作．

2 海洋立管和海底管道泄漏頻率研究

海洋立管和海底管道泄漏頻率主要來源于歷史數(shù)據(jù)庫PARLOC 96[1]．PARLOC數(shù)據(jù)庫是英國健康安全委員會(HSE)多年內(nèi)對北海作業(yè)區(qū)管道發(fā)生泄漏事故統(tǒng)計而得的，適用于常規(guī)鋼質(zhì)立管和海底管道的失效頻率預(yù)測研究，是目前國際上在海底管道泄漏方面較為權(quán)威的數(shù)據(jù)庫．該數(shù)據(jù)庫針對不同的條件均給出了統(tǒng)計結(jié)果，如從管質(zhì)材料上可分為鋼性管道和柔性管道，從管道位置分布可分為立管、平臺安全區(qū)、管道中部和水下井口安全區(qū)，從泄漏孔徑上可分為小孔、中孔、大孔和全徑泄漏，從事故誘發(fā)原因上可分為錨擊、撞擊、腐蝕和材料缺陷等．因此在數(shù)據(jù)的選擇上可根據(jù)項目研究的需要進(jìn)行選?。艿佬孤╊l率主要受到事故誘發(fā)原因、泄漏位置、管道直徑、長度以及輸送物質(zhì)等影響，根據(jù)目前已發(fā)生事故的統(tǒng)計結(jié)果來看，最主要的影響因素是事故誘發(fā)原因和管道泄漏位置．不同泄漏孔徑下管道泄漏頻率的計算式為

式中：cP為不分管徑的管道泄漏統(tǒng)計頻率，詳見表1；hδ為泄漏孔徑尺寸比例因子，詳見表2．

表1 鋼質(zhì)管道泄漏頻率最優(yōu)值Tab.1 Best estimate leak frequency of steel catenary riser

表2 泄漏孔徑尺寸比例因子Tab.2 Scale factor of leak size

表1和表2的數(shù)據(jù)是通過PARLOC 96提供的一些事故統(tǒng)計資料進(jìn)行歸納整理得出的，可為定量預(yù)測工程中立管和海底管道發(fā)生泄漏提供參考．從結(jié)果也可以看出立管是發(fā)生泄漏頻率最高的地方，這主要是因平臺周圍的作業(yè)比較頻繁所導(dǎo)致，如吊機(jī)墜物、船舶錨擊等，所以應(yīng)加強(qiáng)對立管周圍的保護(hù)．另外對數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計結(jié)果顯示海洋立管的泄漏分布約30%發(fā)生在水上，70%發(fā)生在水下．而平臺安全區(qū)范圍的管道泄漏統(tǒng)計結(jié)果顯示，大約68%的事件發(fā)生在距離平臺100,m以內(nèi)，而約32%的事件發(fā)生在距離平臺100,m以外的安全區(qū)域內(nèi)．

3 水下泄漏氣池擴(kuò)散實驗

實驗的目的是模擬測量水下氣體擴(kuò)散在液面生成的氣池直徑，并將結(jié)果與經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行對比，實現(xiàn)氣池直徑的準(zhǔn)確計算．實驗儀器包括氣體壓縮設(shè)備、流量計量儀、管材、刻度尺、支架和攝像機(jī)等，管路的尺寸見圖2，實驗過程的氣泡羽流現(xiàn)象如圖3所示．實驗過程中，對不同水深、不同泄漏孔徑和不同泄漏率進(jìn)行測量．

圖2 管路尺寸Fig.2 Size of pipeline

圖3 氣泡羽流現(xiàn)象Fig.3 Phenomenon of bubble plume

擴(kuò)散階段分為重力-慣性擴(kuò)展和重力-黏滯性擴(kuò)展兩階段．液池直徑經(jīng)驗計算模型[2]為

式中：1r(t)為重力-慣性擴(kuò)展階段的液池半徑；2r(t)為重力-黏滯性擴(kuò)展階段的液池半徑；0t為從第1階段轉(zhuǎn)變到第2階段的時間；poolm為液池質(zhì)量；1ρ為泄漏液體密度；wρ為外界水體密度；1K和2K的取值分別為1.24和1.09[2]；wμ為水的動力黏度，其值取1.021,mPa·s．

圖4～圖7給出了實驗水深為0.8,m時，不同泄漏孔徑下實驗和經(jīng)驗?zāi)Ｐ完P(guān)于氣池直徑隨著泄漏率變化的計算結(jié)果，其中管道內(nèi)泄漏氣體為空氣，外界為水體．

圖4 泄漏孔徑為1.0,mm的氣池直徑對比Fig.4 Contrast of pool’s diameter under 1.0,mm leak hole

圖5 泄漏孔徑為1.2,mm的氣池直徑對比Fig.5 Contrast of pool’s diameter under 1.2,mm leak hole

圖6 泄漏孔徑為1.5,mm的氣池直徑對比Fig.6 Contrast of pool’s diameter under 1.5,mm leak hole

從圖4～圖7可以看出，實驗測出的氣池直徑比液池經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷挠嬎憬Y(jié)果要大，但兩者的誤差在10%以內(nèi)．采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ驮u估氣池直徑使事故后果升級產(chǎn)生的影響比實際情況小，在評估設(shè)置水下隔離閥系統(tǒng)所帶來的效益時，其結(jié)果會相對偏小，使得評估結(jié)果相對保守，這是工程可以接受的，因此可以采用液池經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠斫朴嬎銡獬財U(kuò)展直徑．

圖7 泄漏孔徑為1.8,mm的氣池直徑對比Fig.7 Contrast of pool’s diameter under 1.8,mm leak hole

4 火災(zāi)爆炸后果模型計算

海洋立管和海底管道可能發(fā)生立管水上泄漏或水下泄漏，立管頂側(cè)的泄漏立即點(diǎn)燃會產(chǎn)生噴射火焰，未燃燒的頂側(cè)泄漏可能產(chǎn)生蒸汽云擴(kuò)散．而水下泄漏可能引起平臺附近海面產(chǎn)生海洋油池火，未燃燒的海底泄漏引起可燃性氣體云在海平面的擴(kuò)散，可能引起聚集型燃燒，從而損傷平臺結(jié)構(gòu)或破壞臨時避難所和逃生通道等．

PHAST軟件是DNV公司開發(fā)的商業(yè)型后果模型軟件，在安全管理和評價領(lǐng)域具有權(quán)威地位，可預(yù)測火災(zāi)、爆炸和毒物泄漏的后果，運(yùn)用該軟件的相應(yīng)模型可計算管道泄漏造成的火災(zāi)及水上氣體擴(kuò)散的后果[3]，唯一的不足是PHAST軟件無法考慮水下泄漏擴(kuò)散的后果．為此，開發(fā)相應(yīng)的計算模塊計算水下泄漏擴(kuò)散后果，其計算流程如圖8所示．

圖8 水下泄漏擴(kuò)散后果計算流程Fig.8 Flow chart of calculation of consequences of dispersion from subsea release

對水深大于500,m的泄漏情況，由于高壓低溫作用，泄漏氣體與海水形成水合物，致使泄漏氣體無法達(dá)到海面，從而不發(fā)生氣體在大氣中擴(kuò)散的情況；而對水深小于500,m的情況，因為不滿足水合物形成條件，可認(rèn)為泄漏氣體全部從水中上浮至水面，形成氣池．假定氣池上的氣體濃度為均勻分布，泄漏氣體無溶解，全部從水面排出．此時，氣池中單位面積的氣體泄放率為

式中：Q為水下泄漏點(diǎn)的泄放率；S為水面氣池面積．

對非重氣氣體，可采用經(jīng)典的高斯模型進(jìn)行模擬[4]，其表達(dá)簡單，實驗數(shù)據(jù)多，方便采用．對于空間中一點(diǎn)(,,)x y z處的濃度，為面源上各點(diǎn)對該處濃度貢獻(xiàn)之和，采用對點(diǎn)源積分的方法計算．當(dāng)水面氣池的法線與水平面垂直時，對此面源的計算公式為

式中：c(x，y，z，H)為任意點(diǎn)的濃度；u為平均風(fēng)速；σy為水平方向擴(kuò)散系數(shù)為垂直方向擴(kuò)散系數(shù)x為下風(fēng)距離，且x＞D/2；a、b、m、n為取決于大氣穩(wěn)定度和地面粗糙度的系數(shù)，可按文獻(xiàn)[5]取其值．

5 事故后果定量評估

海洋立管和海底管道發(fā)生油氣泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)爆炸會引起事故后果的升級，包括威脅平臺整體結(jié)構(gòu)安全及平臺上的設(shè)施、毗鄰的立管或流線的破壞引起新一輪的后果升級問題、損壞生活模塊和緊急疏散逃生通道進(jìn)而引起人員損傷．設(shè)置SSIV能夠有效控制管道泄漏引起的嚴(yán)重后果，但SSIV的投入成本太高，因此對事故后果的準(zhǔn)確量化、評估設(shè)置水下隔離閥系統(tǒng)所能夠帶來的收益具有極其重要的意義．

采用平均個人風(fēng)險(AIR)來對人員風(fēng)險進(jìn)行量化[6]，個人風(fēng)險是社會可接受風(fēng)險的最小單元，其計算式為

式中：PLL為潛在生命損失；m為人員暴露值；POB為淺水中心平臺上的人員配備數(shù)．

潛在生命損失(PLL)是指某種范圍內(nèi)的全部人員在特定周期內(nèi)可能蒙受某種風(fēng)險的頻率，某種范圍內(nèi)的全部人員是指海洋平臺上的全部工作人員，風(fēng)險指死亡風(fēng)險，特定周期指1 a，則PLL為

式中fP為某平臺發(fā)生倒塌的事故年發(fā)生概率．

為進(jìn)行成本收益分析的對比，需要將人員風(fēng)險值轉(zhuǎn)化為資金的形式以便與設(shè)置SSIV系統(tǒng)所需的投資成本進(jìn)行對比．人員風(fēng)險的潛在生命損失(PLL)可進(jìn)行資金形式的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換式為

人員風(fēng)險值＝平臺壽命×ICAF×PLL (10)

式中ICAF為避免人員傷亡所需成本，又稱設(shè)備安全成本．ICAF越低，表明風(fēng)險越小，措施越符合低成本高效益的原則，即所花費(fèi)的單位貨幣可以挽救更多人的生命．對于海洋工程ICAF值可取3.1×106,美元，約合人民幣0.21×108元[7]．

6 工程實例

南海深水油氣勘探開發(fā)示范工程某氣田位于中國南海珠江口盆地，水深約1 350～1 500,m，水下井口產(chǎn)出物通過1條約275,km、管徑76.2,cm淺水海底管道輸往陸上終端氣體處理廠，針對該76.2,cm輸氣管道是否設(shè)置SSIV進(jìn)行研究．

76.2 ,cm輸氣管道的設(shè)計壓力為23.9,MPa，操作溫度50,℃，輸送氣體分子摩爾質(zhì)量18.82,g/mol，氣體密度163.13,kg/m3．平臺壽命假定為30,a，平臺造價約80×108元，天然氣產(chǎn)量80,m3/a，單價取2.6元/m3．

海洋立管和海底管道的泄漏孔徑尺寸取為4種情況：小孔尺寸7,mm；中孔尺寸25 mm；大孔尺寸70,mm；全徑泄漏尺寸為管道內(nèi)徑．另外點(diǎn)火概率模型采用Cox等[8]提出的基于岸上及海上點(diǎn)火數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的點(diǎn)火概率模型．SSIV設(shè)置成本約為0.5×108元．依據(jù)圖1的流程對該項目是否設(shè)置SSIV進(jìn)行評估，水下泄漏火災(zāi)后果及事故后果升級影響結(jié)果見表3～表5．

表3 水下泄漏火災(zāi)模型計算結(jié)果Tab.3 Results of fire from subsea release

表4 水下泄漏擴(kuò)散模型計算結(jié)果Tab.4 Results of dispersion from subsea release

表5 定量風(fēng)險評估計算結(jié)果Tab.5 Results of quantitative risk assessment

采用英國健康安全委員會(HSE)提出的已建設(shè)施的可接受風(fēng)險和可忽略風(fēng)險分別為1.0×10-4/a和1.0×10-5/a，對應(yīng)的可靠指標(biāo)分別為3.7和4.2．根據(jù)表5的計算結(jié)果可知，火災(zāi)作用下導(dǎo)管架平臺的可靠指標(biāo)并未達(dá)到4.2，處于最低合理可行區(qū)域，可適當(dāng)采取相應(yīng)的措施來提高火災(zāi)作用下平臺的可靠性；而在海底管道近平臺處設(shè)置SSIV會使平臺可靠指標(biāo)上升到4.322，處于可忽略區(qū)．同樣對于人員風(fēng)險設(shè)置SSIV能夠?qū)L(fēng)險降至可忽略區(qū)．設(shè)置SSIV所帶來的收益為1.447×108-0.119×108＝1.328×108(元)，投入成本約為0.5×108元，帶來的收益大于投入成本．所以不論從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)角度上考慮，該工程項目都必須設(shè)置SSIV．

7 結(jié) 論

針對SSIV成本過高而存在的是否設(shè)置問題，基于歷史數(shù)據(jù)庫研究海洋立管和海底管道的泄漏頻率，通過定量分析火災(zāi)爆炸后果，建立SSIV效益評估系統(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)置SSIV帶來收益的準(zhǔn)確評估，并得到如下結(jié)論．

(1) 通過水下泄漏氣池擴(kuò)散模型實驗，并與經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎憬Y(jié)果進(jìn)行相互對比，結(jié)果表明經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍軌蛴糜谒職怏w擴(kuò)散在液面生成的氣池直徑的評估，且其對設(shè)置SSIV帶來效益的評估結(jié)果要相對保守．

(2) 在對火災(zāi)爆炸后果模型計算時，通過自行開發(fā)水下泄漏擴(kuò)散后果計算模塊，并與PHAST軟件結(jié)合，相互補(bǔ)充，實現(xiàn)對水上和水下泄漏火災(zāi)爆炸后果的完整評估．

(3) 成功將該方法運(yùn)用到南海深水油氣勘探開發(fā)示范工程中，實現(xiàn)理論與實際的結(jié)合，填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的空白，對未來20年國家重點(diǎn)發(fā)展的南海深水油氣勘探開發(fā)示范工程具有很好的指導(dǎo)作用，也可供其他工程借鑒參考．

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［2］ 于桂峰，張 彬，吳宛青. LNG船舶泄漏水面液池擴(kuò)展的數(shù)值分析研究[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報，2008，34(2)：170-172.

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Research of Installing SSIV on Subsea Pipeline

YU Jian-xing，ZHOU Bao-yong，ZHOU Qing-ji，JIN Wen-chao，LI Zhi-bo，YANG Yuan
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

To address the issues whether the use of SSIV on subsea pipeline is a worthwhile investment or not，due to the high input costs，the evaluation system based on quantitative analysis of the consequences was established. Loss of containment frequencies of riser and pipeline were investigated based on historical database，and the calculation of pool’s diameter was established by the comparison of results between experiment and empirical model. The potential for escalation was examined for both fire and explosion scenarios，based on the calculation of consequences of fire and explosion using PHAST software and dispersion from subsea release using self-developed software；accurate costs assessment of SSIV installation was achieved. The work has been successfully applied to determine the need of an SSIV system in the South China Sea deepwater gas development，and can be used in other engineering projects.

SSIV；pool’s diameter；fire and explosion；subsea release；quantitative assessment

P756.2

A

0493-2137(2011)07-0565-06

2010-12-13；

2011-03-07.

國家科技重大專項資助項目(2008ZX05026-005，2008ZX05026-006)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51021004)；上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實驗室研究基金資助項目．

余建星（1958— ），男，教授．

周寶勇，abao_zhou1986@163.com.