劉明明 ，張洪杰，朱琳，李文倩，鄭子龍

1.新疆油田公司克拉美麗采氣一廠，新疆 克拉瑪依 834000；2.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500

引言

大型廠站的簡易預制模塊化橇裝設備具有施工建設速度快、施工建成時間短、占地面積小等優(yōu)點，但是由于橇裝化天然氣處理廠的平面空間限制，各設備在橇塊內擺放時，橫向上距離近，縱向上高度延伸，在整個空間上布置緊密[1]。假如一般處理廠需要在約2 500 m2的平面上擺放設備，橇裝化處理廠擺放同樣多的設備只需約1 000 m2的占地面積[2]。但由于設備間結構緊湊，一旦某設備發(fā)生泄漏引發(fā)爆炸事故，由于多米諾效應導致周圍設備也發(fā)生事故[3]。本文根據橇裝化處理廠橇塊的緊密性，提出研究橇內某一設備發(fā)生事故后由于多米諾效應對周圍設備以及作業(yè)區(qū)人員產生的影響，聯(lián)合用Probit 法研究二次事故發(fā)生概率和用改進Probit法研究三次事故發(fā)生概率，再比較一次事故和二次事故的后果嚴重度，使嚴重度評估更加貼近實際。

1 橇塊內設備多米諾效應分析

1.1 大型天然氣處理廠模塊化建設

大型天然氣處理廠內的橇塊一般在空間上疊加[4]，每層橇塊有許多不同設備，橇內管線經過設計整齊緊湊，橇塊內設備比較輕，便于運輸（圖1）。

1.2 典型天然氣處理廠橇塊組成和布局

一般天然氣處理廠模塊化裝置設備布置應滿足相關的安全規(guī)范、行業(yè)規(guī)范、日常操作和檢維修以及吊裝要求等[5]。

設備的布置遵循工藝流程走向和同類設備集中分布相結合的原則[6]，流程走向如圖2 所示，同類設備的集中分布結合如圖3 所示。

圖2 一般天然氣處理廠布置平面圖Fig.2 Layout plan of general natural gas treatment plant

圖3 一般天然氣處理廠橇塊主視圖Fig.3 Main view of skid in general natural gas treatment plant

1.3 多米諾效應基本概念及概率模型

滿足下列3 個條件[7]就可定義為多米諾效應：（1）有初始事故；（2）初始事故附近有受影響的其他目標；（3）初始事故可以引發(fā)二次乃至N 次事故。

橇內設備火災爆炸類初始事故常見以沖擊波和熱輻射2 種物理方式影響周圍設備，其Probit 法概率模型[8]為

式中：PE設備損壞概率，%；

a積分變量，無因次；

b概率單位，無因次。

1.3.1 初始事故引發(fā)二次事故的概率單位

一般發(fā)生爆炸后沖擊波超壓的影響范圍要比熱輻射的廣，嚴重程度也比熱輻射的強[9]，故主要從沖擊波超壓考慮事故后果[10]。為了簡化計算過程，本次概率單位不考慮橇殼對橇內設備的保護作用。

可能受到沖擊波破壞的設備有4 種類型（表1），初始事故對周圍不同類型的設備損壞的Probit 法概率單位[11]計算式如表1 所示。

表1 沖擊波概率單位Tab.1 Probability unit of shock wave

1.3.2 N 次事故引發(fā)N+1 次事故條件和概率單位

一次事故發(fā)生后，若根據式（1）計算出的二次事故發(fā)生概率為100%，則認為二次事故一定會發(fā)生，同理，N-1 次事故發(fā)生后算的N 次事故發(fā)生概率為100%則N 次事故必然會發(fā)生[12]。

在考慮沖擊波作用于設備的情況下，每次事故的發(fā)生概率都會受到前面多次事故的影響[13]，發(fā)生三次事故的概率單位會由于受到一次事故和二次事故的影響而發(fā)生變化。張明光提出了在僅考慮沖擊波超壓的二次事故引發(fā)三次事故改進的Probit法[14]，概率單位如表2 所示。

表2 改進的沖擊波概率單位Tab.2 improved probability units of shock wave

1.3.3 設備超壓閾值

取設備輕微損失狀態(tài)的沖擊波超壓值作為其超壓閾值，4 種設備的推薦超壓閾值[14]如表3 所示。

表3 設備超壓閾值Tab.3 Equipment overpressure threshold

2 橇塊內設備的失效概率

2.1 橇塊基本特征

處理廠內模塊由橇塊組成。設備、管道、閥門和儀表等部件安裝在鋼結構基礎上，運輸到現(xiàn)場后多層拼接組裝，節(jié)約了處理廠用地面積[16]。

圖4 模塊拆分為橇塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of module split into skid

2.2 橇內設備失效概率

API 581 中基于風險的檢測方法（RBI）可以根據設備的損壞因素和管理因素，修正橇裝處理廠設備長期運行后可能發(fā)生故障的頻率，設備的失效概率計算公式為[17]

3 撬裝化設備重大事故后果定量分析

3.1 人員傷亡概率分析

橇內設備發(fā)生爆炸后的沖擊波對周圍作業(yè)區(qū)人體的傷害，可用人員傷亡概率模型[18]計算

由沖擊波所引起的人員受傷概率單位，如表4所示[19]。

表4 人員受傷概率單位Tab.4 Personal injury probability unit

作業(yè)區(qū)有遮蔽物場所人員受到沖擊波超壓的傷害程度和傷害半徑需要根據表5 中人員傷亡超壓閾值[20]確定。

表5 人員傷亡超壓閾值Tab.5 Casualty threshold

3.2 事故影響范圍確定

利用PHAST 軟件對橇內設備發(fā)生一次事故的現(xiàn)場進行模擬，從模擬結果得到沖擊波超壓與距離的曲線。

通過周圍設備與起爆點的距離和超壓值可以計算出周圍設備發(fā)生二次事故的概率，根據沖擊波超壓引起的設備損壞閾值和人員受傷閾值可以得到一次事故的影響范圍。

若得出某設備發(fā)生二次事故的概率為100%，則用同樣方法模擬出二次事故的影響范圍和周圍設備發(fā)生三次事故的概率。

4 應用舉例

某橇裝化處理廠內有脫水工程和深冷工程2 個模塊，其中設備的三維設計圖如圖5 所示，尺寸標記圖如圖6 所示。模塊內的橇塊及設備位號代表的意思如表6 所示。

圖5 三維設計圖Fig.5 3D design drawing

圖6 尺寸圖(單位m)Fig.6 Dimension drawing(unit:m)

表6 子模塊及橇塊設備位號表Tab.6 tag number of sub module and skid equipment

4.1 設備固有失效概率

以子模塊7 的第二層橇塊7-2 脫乙烷塔底重沸器作為例子進行評價。脫乙烷塔底重沸器長1.50 m、寬0.95 m、高0.75 m，設計壓力7.8 MPa，運行壓力3.0 MPa，設備平均腐蝕速率為0.88 mm/a。

脫乙烷塔底重沸器各項損傷因素如表7 所示，具體過程可參見規(guī)范API 581[21]。

表7 設備各項損傷因素Tab.7 damage factors of equipment

根據該處理廠的情況得管理修正因素為0.372，查同類設備失效頻率數據庫[21]可知，脫乙烷塔底重沸器的一般失效頻率gff為3.06×10-5。通過式(1)得該脫乙烷塔底重沸器失效概率Pf為9.48×10-5。同理可以算出其它設備的失效概率，如表8 所示。

表8 各橇塊內設備失效概率Tab.8 failure probability of equipment in each skid

以上可以知道重沸器的失效概率較高，本次模擬以脫乙烷塔底重沸器失效為例計算事故后果。

4.2 初始事故過程分析

由于脫乙烷塔底重沸器內部腐蝕發(fā)生破裂，裂孔當量直徑為16.80 mm，由于爆炸超壓對橇塊周圍的設備都有影響，故假設泄漏時大氣穩(wěn)定，無風，大氣濕度0.85，大氣穩(wěn)定度為較穩(wěn)定，溫度20°C，處理廠的響應截斷時間為20 min，人員暴露時間為10 s。輸入參數后，模擬條件下的泄漏速率qm為1.74 kg/s。

4.3 設備損壞與人員傷亡概率分析

模擬的初始事故類型為蒸汽云爆炸，模擬出爆炸超壓與距離的關系曲線見圖7，以起爆點為原點。

圖7 沖擊波超壓與距離關系圖Fig.7 Relationship between shock wave overpressure and distance

將脫乙烷塔重沸器周圍設備所對應的沖擊波超壓值分別代入表1 的概率單位公式，得到沖擊波超壓引發(fā)的設備損壞概率單位（b 值），利用Probit 模型計算出周圍設備發(fā)生二次事故的概率。

同理得到作業(yè)區(qū)間對應的沖擊波超壓值和人員受傷概率，由表5 得知人員傷亡的后果半徑，模擬后果如圖8 所示。概率計算結果如表9 所示。

表9 二次事故發(fā)生概率表Tab.9 probability of secondary accidents

圖8 一次事故人員傷亡半徑圖Fig.8 Radius of casualties in primary accident

由表9 可以看出，脫乙烷塔頂回流泵和脫乙烷塔頂回流罐的失效概率都是100%，為了簡化模擬，假設脫乙烷塔頂回流泵和脫乙烷塔頂回流罐的破損程度一樣，而且同時發(fā)生泄漏燃爆，根據處理廠每小時的處理量為18 600 kg，假設緊急截斷時間為20 min，模擬的大氣環(huán)境和脫乙烷塔底重沸器起爆時的一樣。

由于脫乙烷塔頂回流泵和脫乙烷塔頂回流罐分別位于脫乙烷塔底重沸器的正上方和正下方，也就是說脫乙烷塔底重沸器的位置就是兩個起爆點的連線中心位置，為了簡化計算，也把各個設備到起爆點的橫向距離設為到脫乙烷塔底重沸器的距離。設定初始事故類型為蒸汽云爆炸，得到沖擊波超壓與距離的關系如圖9 所示，圖中以起爆點連線的中心點為原點。

圖9 沖擊波超壓與距離關系圖Fig.9 Relationship between shock wave overpressure and distance

用改進的Probit 模型得到周圍設備發(fā)生三次事故的概率。計算作業(yè)區(qū)對應的沖擊波超壓值和人員受傷概率，由表5 得知人員傷亡的后果半徑，模擬后果如圖10 所示。概率計算如表10 所示。

表10 三次事故發(fā)生概率表Tab.10 probability of thirdly accidents

圖10 二次事故人員傷亡半徑圖Fig.10 Radius of casualties in secondary accident

4.4 分析與討論

由表3 可知壓力設備的超壓閾值為0.03 MPa，根據表8 和表9 可知在超壓閾值范圍內，多米諾公式計算的設備損傷概率比RBI 法計算的設備失效概率要高，而且同一距離的不同壓力設備失效概率不同。

以壓力設備的超壓閾值0.03 MPa 為界限，由圖7 和圖9 可以看出一次事故的超壓影響半徑為49.50 m，最遠可以影響到脫固體雜質塔；二次事故的超壓影響半徑為161.20 m，最遠可以達到再生氣分離器，二次事故影響半徑達到一次事故的3.26倍。

由表9 和表10 可以看出，一次事故發(fā)生后，多米諾模型計算出失效概率為1 的設備距離起爆點4.00 m 左右，二次事故發(fā)生后，多米諾模型計算出失效概率為100%的設備距離起爆點達到17.00 m附近，很有可能發(fā)生三次事故。

由表9 和表10 可以看出，不論是一次事故還是二次事故發(fā)生，作業(yè)區(qū)的人員受傷概率都是100%，故要把作業(yè)區(qū)作為重點防護對象，加強防護。

5 結論

（1）一般的天然氣處理廠已經屬于高危場所，橇裝化處理廠比一般的處理廠還要危險，在超壓閾值范圍內，多米諾公式計算的設備損傷概率比RBI法計算的設備失效概率要高，而且同一距離的不同壓力設備失效概率不同。

（2）一次事故的超壓影響半徑為49.50 m，二次事故的超壓影響半徑為161.20 m，由于二次事故影響半徑達到一次事故的3.26 倍，故做防護措施時要著重防護一次事故發(fā)生進而切斷二次事故的可能性。

（3）二次事故不僅比一次事故的影響范圍更廣，引發(fā)三次事故的概率也更加高了，所以站場要做好緊急截斷的防護措施。

（4）不論是一次事故還是二次事故發(fā)生，作業(yè)區(qū)的人員受傷概率都是100%，故要把作業(yè)區(qū)作為重點防護對象，加強防護。

（5）本次多米諾概率的計算未考慮橇殼對橇塊的保護作用，在未來的概率單位計算時可以考慮修正，使計算結果更加精確。