本發(fā)明涉及石油工業(yè)安全生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其涉及一種海洋油氣平臺(tái)爆炸事故后果量化評(píng)估方法。
背景技術(shù)：
：隨著人類社會(huì)的發(fā)展，全球油氣需求量激增，陸上油氣田先后進(jìn)入高含水、低產(chǎn)能階段，陸上油氣資源日漸枯竭，與此同時(shí)，我們對(duì)海洋油氣資源的開發(fā)利用還是很有限的。為了保證社會(huì)發(fā)展，全球范圍內(nèi)油氣資源開發(fā)重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向海洋。我國從1993年開始出現(xiàn)石油對(duì)外依賴，1996年石油對(duì)外依存度迅速增至11.1%，2002年擴(kuò)大到32.9%，2009年超過50%，達(dá)到51.2%，2015年更是達(dá)到60.6%；天然氣對(duì)外依存度也從2010年的11.3%達(dá)到2015年的38%?？梢灶A(yù)見，未來隨著我國經(jīng)濟(jì)的繼續(xù)發(fā)展，我國油氣對(duì)外依存度將進(jìn)一步提高。因此，加快海洋油氣開發(fā)有利我國能源安全與社會(huì)發(fā)展需求。海上油氣生產(chǎn)始于20世紀(jì)40年代，隨著勘探開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，逐漸向深水領(lǐng)域推進(jìn)，目前已經(jīng)形成美國墨西哥灣、巴西和南非三個(gè)傳統(tǒng)深水油氣區(qū)。我國南海也擁有豐富的油氣資源，必然是我國海洋油氣開發(fā)的發(fā)力點(diǎn)之一。深海油氣開發(fā)是大勢(shì)所趨，但由于深海海洋油氣環(huán)境更加惡劣，同時(shí)由于我國海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平仍有一定差距，因此在未來的一段時(shí)間內(nèi)，水深500m以內(nèi)的淺海油氣開發(fā)，包括邊際油田和小油田仍是我國油氣增產(chǎn)的重要陣地之一。海洋平臺(tái)作為海洋油氣開發(fā)的主要設(shè)施，由于結(jié)構(gòu)緊湊、活動(dòng)空間小、人員密度高，所涉及的物料具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害和連讀存在的特性，淺海海洋環(huán)境復(fù)雜多變等，很容易發(fā)生井噴、火災(zāi)爆炸等事故，往往造成災(zāi)難性后果并引發(fā)多米諾效應(yīng)。近年來國外多次發(fā)生海洋平臺(tái)重大事故，僅2015年第1季度就有3起海上油氣火災(zāi)爆炸事故，造成7人死亡，6人失蹤，16人重傷；以墨西哥灣為例，從2001年開始，墨西哥灣共發(fā)生858起火災(zāi)或爆炸事故，69人在海上作業(yè)時(shí)死亡，1349人受傷。如何更有效的降低事故風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)成為海洋油氣開發(fā)面臨的關(guān)鍵問題。挪威是最早系統(tǒng)應(yīng)用海上油氣開采量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的國家，1981年挪威石油管理部門頒布的海洋平臺(tái)安全評(píng)估規(guī)范要求所有新的海上設(shè)施必須在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，隨后幾年挪威又頒布了新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范和norsok規(guī)范來取代舊的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估規(guī)范和統(tǒng)一石油行業(yè)的規(guī)范；1992年以后，英國為更好的開發(fā)北海油氣資源，規(guī)定所有的海洋石油設(shè)施的設(shè)計(jì)和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性能評(píng)估均應(yīng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，此后10年間，英國海洋石油工業(yè)的事故發(fā)生率減少了50%；近年來，各國都不斷頒布法規(guī)并不斷修正來強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估在海洋油氣開發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防的重要性，現(xiàn)已有英國、加拿大、澳大利亞以及挪威等國立法要求海上設(shè)施的設(shè)計(jì)和作業(yè)中應(yīng)用量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。與國際上相關(guān)進(jìn)展相比，我國海洋石油工程領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還處起步階段，目前應(yīng)用大多停留在定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，同時(shí)，國內(nèi)還存在類似于英國在piperalpha災(zāi)害之前對(duì)風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估技術(shù)的懷疑主義思潮，導(dǎo)致我國的量化評(píng)估技術(shù)沒有在海洋石油工程領(lǐng)域得到應(yīng)有的發(fā)展。近年來隨著我國海上勘探開發(fā)規(guī)模和速度的提升，大量新技術(shù)新設(shè)備投入使用，需要分析其對(duì)油氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的影響水平；同時(shí)，現(xiàn)有平臺(tái)設(shè)備由于所處環(huán)境惡劣和自身缺陷等原因，暴露出大量安全隱患(如設(shè)備設(shè)計(jì)不合理、設(shè)備老化和布局不合理引發(fā)的火災(zāi)隱患、井噴隱患等)，增加了海洋油氣開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。然而，由于我國海洋結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作起步較晚，且并不系統(tǒng)，尚未形成具有通用性的海洋結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)，而我國海洋油氣開發(fā)面臨嚴(yán)峻的安全形勢(shì)，因此亟需開展針對(duì)海洋油氣開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)分析工作。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，借鑒國內(nèi)外淺海油氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮勝利淺海平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀，研究適合海洋平臺(tái)重大事故風(fēng)險(xiǎn)分析及事故模擬的關(guān)鍵技術(shù)，而提出的適用于我國海洋環(huán)境的一種海洋油氣平臺(tái)爆炸事故后果量化評(píng)估方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為：依次進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)、爆炸概率計(jì)算、建立幾何模型，并進(jìn)行風(fēng)況確定、泄露單元?jiǎng)澐?、泄漏位置確定、泄露速率計(jì)算、泄露時(shí)間計(jì)算，再進(jìn)行事故模擬和后果分析，對(duì)海洋油氣平臺(tái)火災(zāi)爆炸事故進(jìn)行定量模擬，以便為有效降低事故風(fēng)險(xiǎn)提供數(shù)據(jù)上的支持。具體為，本發(fā)明提供了一種海洋油氣平臺(tái)爆炸事故后果量化評(píng)估方法，包括以下步驟：步驟1：對(duì)海洋油氣平臺(tái)的潛在危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，主要從泄漏源和點(diǎn)火源兩方面展開，海洋平臺(tái)的潛在泄漏源包括但不限于管線、閥門、各類含油氣設(shè)備（如壓縮機(jī)、分離器、熱處理器、撇油器）、各類油氣罐（如污液罐、儲(chǔ)油罐、儲(chǔ)氣罐）、各種泵、套管、工作管柱、立管、放空系統(tǒng)、采油樹，海洋平臺(tái)潛在的點(diǎn)火源包括但不限于設(shè)備熱表面、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪火花、發(fā)電機(jī)排氣熱、焊接熔渣、焊接火花、電氣火花、機(jī)械火花、撞擊火花、靜電火花及雷擊；步驟2：進(jìn)行爆炸頻率計(jì)算，并確定可接受風(fēng)險(xiǎn)下限，如果泄漏單元發(fā)生爆炸的概率小于該下限，則認(rèn)為該泄漏單元的爆炸風(fēng)險(xiǎn)很小，無需開展爆炸定量分析，反之則開展爆炸定量分析；步驟3：幾何模型建立及網(wǎng)格劃分，以要分析的海洋平臺(tái)基本外形尺寸為基礎(chǔ)，進(jìn)行三維外形幾何模型的建立；步驟4：根據(jù)氣體擴(kuò)散模擬得到對(duì)應(yīng)云團(tuán)尺寸：步驟4-1：風(fēng)況確定，具體的風(fēng)速、風(fēng)向等風(fēng)況參數(shù)應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象所處地區(qū)氣象資料確定；步驟4-2：泄漏單元?jiǎng)澐郑孤﹩卧獎(jiǎng)澐种饕罁?jù)設(shè)備的自然布置、esd閥門或具有切斷功能的閥門進(jìn)行劃分；步驟4-3：泄漏位置確定，根據(jù)分析對(duì)象的工藝流程和危險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果，確定可能發(fā)生泄漏的工藝設(shè)施，采用無損探傷、fmea及參考?xì)v史事故數(shù)據(jù)等方法確定設(shè)備的具體泄漏位置；步驟4-4：泄漏速率計(jì)算，根據(jù)泄漏單元設(shè)備壓力、泄漏孔形狀、物料密度等，可以確定不同尺寸泄漏孔徑的液體和氣體泄漏初始速率；步驟4-5：泄漏時(shí)間計(jì)算，泄漏持續(xù)時(shí)間主要由初始泄漏、探測(cè)到泄漏、esd啟動(dòng)、閥門關(guān)斷和放空啟動(dòng)等時(shí)間確定；步驟5：爆炸模擬，引入點(diǎn)火源，在爆炸事故中，點(diǎn)火源的位置及點(diǎn)火時(shí)間直接影響事故后果的嚴(yán)重程度；步驟6：爆炸后果分析。本方案的有益效果可根據(jù)對(duì)上述方案的敘述得知，借鑒國內(nèi)外淺海油氣開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)分析的理論研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮勝利淺海平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀，研究適合海洋平臺(tái)重大事故風(fēng)險(xiǎn)分析及事故模擬的關(guān)鍵技術(shù)，提出適用于我國海洋環(huán)境的火災(zāi)爆炸事故定量模擬分析方法，為“十三五”期間海上油氣持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)提供安全技術(shù)支持，使未來的海洋油氣開發(fā)更加安全經(jīng)濟(jì)。附圖說明圖1為海洋平臺(tái)爆炸事故定量模擬方法分析流程；圖2為油氣以外泄露發(fā)展事件樹；圖3為泄露時(shí)間組成；具體實(shí)施方式為能清楚說明本方案的技術(shù)特點(diǎn)，下面通過具體實(shí)施方式，對(duì)本方案進(jìn)行闡述。本實(shí)施例是一種海洋油氣平臺(tái)火災(zāi)事故模擬方法，如圖1所示，包括以下步驟：步驟1：危險(xiǎn)源辨識(shí)在進(jìn)行海洋平臺(tái)爆炸定量分析前，首先要對(duì)海洋平臺(tái)的潛在危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，主要從泄漏源和點(diǎn)火源兩方面展開，主要方法有hazid、hazop、fmea、bow-tie、事件樹、事故樹等方法。海洋平臺(tái)根據(jù)功能不同分為鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)、生活平臺(tái)、儲(chǔ)油平臺(tái)、近海平臺(tái)等，有不同的功能模塊系統(tǒng)，主要包括鉆井系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、舾裝系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)及外輸系統(tǒng)等?；跉v史事故數(shù)據(jù)（如美國安全與環(huán)境執(zhí)行局(bsee)公布的爆炸事故數(shù)據(jù)），海洋平臺(tái)的潛在泄漏源包括但不限于管線、閥門、各類含油氣設(shè)備（如壓縮機(jī)、分離器、熱處理器、撇油器）、各類油氣罐（如污液罐、儲(chǔ)油罐、儲(chǔ)氣罐）、各種泵、套管、工作管柱、立管、放空系統(tǒng)、采油樹等。具體泄漏設(shè)備應(yīng)根據(jù)相應(yīng)平臺(tái)利用危險(xiǎn)源辨識(shí)方法進(jìn)行具體辨識(shí)。海洋平臺(tái)潛在的點(diǎn)火源包括但不限于設(shè)備熱表面、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱、發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪火花、發(fā)電機(jī)排氣熱、焊接熔渣、焊接火花、電氣火花、機(jī)械火花、撞擊火花、靜電火花及雷擊等。具體點(diǎn)火源應(yīng)根據(jù)相應(yīng)平臺(tái)利用危險(xiǎn)源辨識(shí)方法進(jìn)行具體辨識(shí)。步驟2：爆炸頻率計(jì)算采用(1)事故樹、事件樹、貝葉斯分析等方法，(2)hse、dnv等的歷史事故數(shù)據(jù)庫，(3)leak等軟件的計(jì)算，這三種方法可以計(jì)算得到潛在泄漏單元發(fā)生爆炸的概率。根據(jù)alarp原則，確定可接受風(fēng)險(xiǎn)下限，如果泄漏單元發(fā)生爆炸的概率小于該下限，則認(rèn)為該泄漏單元的爆炸風(fēng)險(xiǎn)很小，無需開展爆炸定量分析，反之則開展爆炸定量分析。步驟3：幾何模型建立及網(wǎng)格劃分以要分析的海洋平臺(tái)基本外形尺寸為基礎(chǔ)，采用flacs前處理器casd進(jìn)行三維外形幾何模型的建立。主要遵守以下原則：(1)以海洋平臺(tái)外部空間外形為目標(biāo)，忽略研究對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)重要設(shè)備設(shè)施進(jìn)行模型構(gòu)建。(2)由于平臺(tái)擁塞度對(duì)爆炸超壓影響很大，所以建模時(shí)應(yīng)保證平臺(tái)擁塞度。保證平臺(tái)擁塞度的方法有兩個(gè)：①對(duì)主要結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線建立1:1模型；②采用等效的方法，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)備等等效為相應(yīng)擁塞度的管線，一般為1㎡布置3m管線。(3)在cfd事故后果模擬中，計(jì)算網(wǎng)格的劃分是非常重要的組成部分，直接決定計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確度，在網(wǎng)格一致性分析的基礎(chǔ)上，核心區(qū)域采用較小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，擴(kuò)展區(qū)域采用相對(duì)較大的網(wǎng)格，以便減少計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。步驟4：云團(tuán)分析的主要目的是根據(jù)氣體擴(kuò)散模擬得到對(duì)應(yīng)云團(tuán)尺寸。如圖2所示，結(jié)合平臺(tái)所處海域環(huán)境狀況（風(fēng)頻、風(fēng)速等）進(jìn)行不同風(fēng)況、泄漏速率、泄漏位置、泄漏時(shí)間等組合工況下的擴(kuò)散模擬，步驟4-1：風(fēng)況確定具體的風(fēng)速、風(fēng)向等風(fēng)況參數(shù)應(yīng)根據(jù)研究對(duì)象所處地區(qū)氣象資料確定。步驟4-2：泄漏單元?jiǎng)澐中孤﹩卧獎(jiǎng)澐种饕罁?jù)設(shè)備的自然布置、esd閥門或具有切斷功能的閥門進(jìn)行劃分，泄漏單元?jiǎng)澐謺r(shí)做以下規(guī)定：（1）氣相泄漏單元導(dǎo)致的火災(zāi)類型為噴射火，液相發(fā)生泄漏后導(dǎo)致的火災(zāi)類型主要為噴霧火和池火，通常情況下，壓力泄漏單元發(fā)生泄漏形成的噴霧火在熱輻射通量、火焰尺寸和形狀上與噴射火相似，因此，假設(shè)泄漏單元形成的火災(zāi)類型主要為噴射火和池火。（2）同一泄漏單元應(yīng)保證工藝操作參數(shù)（物料組成、溫度、壓力等）一致，不一致的應(yīng)繼續(xù)劃分為一系列泄漏子單元，同時(shí)對(duì)可燃物料存量低于100kg的泄漏單元，認(rèn)為其火災(zāi)后果有限，無需進(jìn)行進(jìn)一步火災(zāi)定量分析。步驟4-3：泄漏位置確定泄漏位置對(duì)事故后果規(guī)模和影響范圍有一定影響，根據(jù)分析對(duì)象的工藝流程和危險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果，確定可能發(fā)生泄漏的工藝設(shè)施，采用無損探傷、fmea及參考?xì)v史事故數(shù)據(jù)等方法確定設(shè)備的具體泄漏位置。步驟4-4：泄漏速率計(jì)算泄漏速率是影響事故后果嚴(yán)重性的主要因素，對(duì)泄漏速率的研究有助于事故的有效控制，可為泄漏后擴(kuò)散、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。泄漏速率主要與泄漏孔徑和泄漏孔形狀有關(guān)。根據(jù)apirp581標(biāo)準(zhǔn)，按照泄漏孔徑的大小不同，將工藝泄漏分為小、中、大和破裂四種類型，如表1所示。表1不同泄漏孔徑泄漏類型范圍(in)典型泄漏孔徑(in)小孔泄漏0~1/41/4中孔泄漏1/4~21大孔泄漏2~64破裂>6部件整個(gè)直徑，最大16in根據(jù)泄漏單元設(shè)備壓力、泄漏孔形狀、物料密度等，依據(jù)aqt3046標(biāo)準(zhǔn)，可以確定不同尺寸泄漏孔徑的液體和氣體泄漏初始速率，具體公式及適用條件見《aqt3046-2013化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》。步驟4-5：泄漏時(shí)間計(jì)算泄漏持續(xù)時(shí)間主要由初始泄漏、探測(cè)到泄漏、esd啟動(dòng)、閥門關(guān)斷和放空啟動(dòng)等時(shí)間確定，參見圖3。t1：從泄漏發(fā)生到該泄漏被探測(cè)到的時(shí)間。泄漏類型不同時(shí)間也不同、泄漏位置、探測(cè)器密度等也會(huì)影響該參數(shù)；t2：從探測(cè)到泄漏至esd啟動(dòng)的時(shí)間；t3：關(guān)斷啟動(dòng)至閥門完全關(guān)閉的時(shí)間；t4：esd閥門完全關(guān)斷至放空開始啟動(dòng)的時(shí)間。根據(jù)各泄漏單元小型泄漏、中型泄漏、大型泄漏和破裂場(chǎng)景下的泄漏速率和泄漏持續(xù)時(shí)間，排除掉泄漏時(shí)間小于1min的泄漏類型。步驟4-6：在完成氣體擴(kuò)散模擬之后，即可根據(jù)模擬得到的氣體分布情況進(jìn)行爆炸模擬，但在多種泄漏場(chǎng)景下計(jì)算量會(huì)非常大，基于時(shí)間和經(jīng)濟(jì)性，可以采用化學(xué)當(dāng)量比氣云體積估算法來減少模擬數(shù)量?；瘜W(xué)當(dāng)量比氣云體積估算法將模擬得到的大尺度、非均質(zhì)的真實(shí)氣云轉(zhuǎn)換為小尺度、均質(zhì)的化學(xué)當(dāng)量比氣云，該數(shù)據(jù)可通過flacs軟件直接提取q9得到，其形狀為長(zhǎng)方體，尺寸應(yīng)遵循以下原則：(1)在非受限空間，化學(xué)當(dāng)量比氣云長(zhǎng)寬高比例為1:1:1。(2)對(duì)于只存在頂部空間受限，四周不受限的空間，化學(xué)當(dāng)量比氣云長(zhǎng)寬高比例為2:1:1。(3)對(duì)于頂部受限，同時(shí)四周有一邊受限的空間，化學(xué)當(dāng)量比氣云長(zhǎng)寬高比例為2:2:1。步驟5：爆炸模擬引入點(diǎn)火源，在爆炸事故中，點(diǎn)火源的位置及點(diǎn)火時(shí)間直接影響事故后果的嚴(yán)重程度。點(diǎn)火源的位置會(huì)影響爆炸超壓分布，根據(jù)危險(xiǎn)源辨識(shí)結(jié)果確定點(diǎn)火源位置。點(diǎn)火源引入的時(shí)間影響氣體云體積，從而影響爆炸超壓。當(dāng)出現(xiàn)以下其中一種情況時(shí)，引入點(diǎn)火源：(1)物料泄漏結(jié)束；(2)當(dāng)可燃?xì)庠企w積達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。步驟6：爆炸后果分析爆炸是后果十分嚴(yán)重的事故，爆炸發(fā)生時(shí)，氣體云在極短時(shí)間內(nèi)迅速點(diǎn)燃，體積急劇膨脹并對(duì)外做功，引起周圍環(huán)境壓力顯著升高，壓力沖擊波向外傳播遇到障礙物后由爆燃轉(zhuǎn)變成爆轟，從而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的破壞。爆炸會(huì)產(chǎn)生多種破壞效應(yīng)，如熱輻射、沖擊波、一次破片效應(yīng)、容器殘余變形能量和有毒氣體產(chǎn)物等，其中沖擊波最危險(xiǎn)、破壞力最強(qiáng)。沖擊波的傷害與破壞作用主要是由超壓引起的。根據(jù)不同事故類型選擇判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行后果分析，超壓對(duì)人和建筑物的危險(xiǎn)性判別標(biāo)準(zhǔn)見表2和表3。表2爆炸超壓對(duì)人的傷害表3爆炸超壓對(duì)建筑物的破壞本發(fā)明未經(jīng)描述的技術(shù)特征能夠通過或采用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在此不再贅述，當(dāng)然，上述說明并非是對(duì)本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12