一種平臺工藝設(shè)施受噴射火的破裂評估方法

趙方生,陳文峰,張春娥,毛偉志,付子文

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

海上無人井口平臺常用于開發(fā)邊際油田或作為衛(wèi)星平臺連接到油田已有的中心平臺，具有以下特點：平臺重量輕、布置緊湊、工藝流程簡單、工藝設(shè)施少(只有計量設(shè)備)、自動化程度高、不設(shè)置固定消防設(shè)施、操維人員固定頻率登平臺巡檢等。無人井口平臺如果不設(shè)置固定消防設(shè)施，應(yīng)盡可能避免火災(zāi)發(fā)生和蔓延。

平臺火災(zāi)一般分為池火和噴射火，池火通常是液體溢出被點燃造成的，其熱通量低且不是局部的，可以采用設(shè)置PSV泄壓、BDV減壓等防止容器破裂。噴射火是高壓流體泄漏被點燃造成的，其熱通量非常高而且是局部的，會導(dǎo)致設(shè)備局部超溫失效，壓力可能還沒有升高至泄壓裝置設(shè)定點時，設(shè)備就已經(jīng)損壞，無法采用PSV泄壓。噴射火需通過恰當(dāng)?shù)木S修保養(yǎng)、外部隔熱、減壓系統(tǒng)等減災(zāi)方案預(yù)防容器破裂。

文章以某海上無人井口平臺為對象，利用HSYSY軟件中的BLOWDOWN模塊和PHAST軟件對噴射火導(dǎo)致的工藝設(shè)施壓力和溫度變化進(jìn)行了研究，對工藝設(shè)施是否超壓破裂提供了一種評估方法。

2 評估方法的判斷流程

(1)劃分壓力段，無人井口平臺自動化程度較高，當(dāng)平臺火氣系統(tǒng)檢測到可燃?xì)怏w時或ESD系統(tǒng)檢測到壓力、溫度異常時，會觸發(fā)SDV關(guān)閉，將平臺工藝系統(tǒng)自動分割為幾段。

(2)采用PHAST軟件模擬泄漏壓力段不同泄漏孔產(chǎn)生的最大熱通量和泄漏時長，參考DNV規(guī)范[6]，將噴射火的泄漏分為小型泄漏、中型泄漏、大型泄漏，泄漏孔分別為5 mm、25 mm、100 mm。

(3)利用HYSYS中的BLOWDOWN模塊模擬受火壓力段的壓力和溫度變化，輸入熱通量和泄漏時長，并將BDV的泄放孔板調(diào)整到盡可能小，以保證模擬過程中幾乎無泄放量。

(4)根據(jù)泄漏時長終點受火壓力段的壓力和壁溫判斷容器是否破裂。

管線破裂判斷標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)ASME 16.5[7]中各種材料的管件在不同溫度下的最大工作壓力進(jìn)行判斷，如果最大工作壓力大于受火后的壓力，管線不破裂，否則認(rèn)為管線破裂。

壓力容器破裂判斷標(biāo)準(zhǔn)：將壓力容器在受火時的總應(yīng)力與GB150[1]中壓力容器材料在不同溫度下的許用應(yīng)力比較，如果壓力容器總應(yīng)力超過了受火溫度下的許用應(yīng)力，則容器失效。

根據(jù)API 521[5]附錄A的介紹，容器的總應(yīng)力來源：內(nèi)部壓力、容器內(nèi)部流體的重量、容器自身的重量、由于邊界約束引起的熱膨脹應(yīng)力等，總應(yīng)力可近似等于只考慮在容器內(nèi)部壓力產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力。公式如下：

(1)

式中:σhoop(t)——環(huán)向應(yīng)力，MPa;p(t)——系統(tǒng)壓力，MPa;OD——外徑，m;wt——壁厚, m。

3 某無人井口平臺受噴射火的工藝設(shè)施破裂評估

目標(biāo)平臺共有6口油井，開采出的井流在生產(chǎn)管匯混合后經(jīng)海管輸往下游的中心平臺，主要的工藝設(shè)備包括生產(chǎn)管匯、測試管匯、測試分離器等，平臺無固定消防設(shè)施。工藝設(shè)施參數(shù)如表1。

根據(jù)目標(biāo)平臺的總體布置，測試分離器和生產(chǎn)管匯、測試管匯相隔較近，文章以測試分離器泄漏引發(fā)噴射火對生產(chǎn)管匯的影響進(jìn)行分析。由于測試分離器的氣相容積占比較大，文章假設(shè)泄漏孔位于氣相空間，考慮高壓氣體泄漏導(dǎo)致的噴射火。

表1 主要工藝設(shè)備參數(shù)表Tab.1 Table of main process equipment parameters

當(dāng)測試分離器發(fā)生泄漏時，進(jìn)出口的SDV關(guān)斷，BDV打開，分離器中的物料通過BDV和泄漏孔泄放，縮短了噴射火噴射時長。當(dāng)測試分離器發(fā)生小型泄漏時，噴射火熱通量隨距離的變化如圖1。

圖1 噴射火熱通量隨距離的變化Fig.1 Variation of heat flux of jet fire with distance

經(jīng)模擬，最大熱通量為6.6 kW/m2；泄漏時長為205 s，生產(chǎn)管匯受噴射火后壓力和壁溫變化見圖2。

圖2 生產(chǎn)管匯壓力和壁溫隨泄漏時間變化Fig.2 Production manifold pressure and wall temperature change with leakage time

不同泄漏孔徑下生產(chǎn)管匯受噴射火后的參數(shù)如表2。

表2 不同泄漏孔徑下生產(chǎn)管匯受噴射火后的參數(shù)Tab.2 Parameters of production manifold under different leakage hole diameter after being shot

4 結(jié)論

文章提出了一種可用于海上無人井口平臺發(fā)生噴射火時工藝設(shè)施受火后壓力、溫度及破裂情況的評估方法，為噴射火的防護(hù)措施的制定提供了一定支持，如壓力源上BDV的設(shè)置及泄放量等。經(jīng)分析目標(biāo)平臺工藝設(shè)施在發(fā)生噴射火時不會發(fā)生破裂。

文章在對目標(biāo)平臺進(jìn)行受火分析時，根據(jù)平臺特點作了一定的假設(shè)，在具體項目應(yīng)用時，需根據(jù)受火設(shè)施的布置、氣液含量等進(jìn)行合理的分析和假設(shè)，如噴射火的泄漏孔位于液相中可能會使噴射火有更高熱通量。