FPSO上层模块概率性火灾分析和结构安全评估外文翻译资料

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FPSO上层模块概率性火灾分析和结构安全评估

Jin yanlin、Beom-SeonJang

摘要

海上平台在其操作过程中通常暴露于易燃油和气体中。由于有造成火灾和爆炸的可能性，不受控制的碳氢化合物泄漏或积聚的可燃气体存在非常可怕的威胁。

对于近海平台，火灾事故是所有风险的主要部分。然而，现有的火险风险分析程序用以系统地评估上层结构安全的风险时仍然不够全面。如本文所报道的，一种新的FRA程序被建立起来用以克服现有FRA的缺陷。在介绍新的FRA程序之前，本文回顾了两种现有的FRA程序并指出了一个常见的问题，即设计接入负载（DAL）结构分析难以应用于实际。在这种情况下，新程序延伸加入了结构后续分析结果而非常规意义上的DAL。不仅如此，新的程序提供了一种新的评估上层模块结构安全的累积失效频率理念。这种累积失效频率理念的任务是较可靠地识别出目标结构中失效的构件。新程序主要的优点体现在两个方面上：首先，不需要DAL就可以进行有效的结构后果分析；第二，上层结构的概率性安全性评估使火灾事故场景限制在一定的数量内。实际上，累积失效频率为风险减轻措施的确定提供了有用的信息（例如被动消防（PFP），防火系统等）。本文不仅详细描述了新的FRA程序，也用了一个实际的FPSO分离模块举例说明。

1.引言

在过去几十年中，伴随着经济和基础设施的发展，能源消费稳步上升。随着能源需求的不断扩大，石油和天然气的开采已经深入到深海。在这些恶劣的环境中，海上平台及其船员面临相当大的风险和危险。两个众所周知的事故（Piper Alpha，1988年6月6日;“深水地平线”，2010年4月20日）足以说明，涉及火灾和/或爆炸事故的事故虽然非常罕见，但是具有非常大毁灭性。风险评估对预防事故和平台及其机组在预防失效的情况下的生存是必不可的。 FRA是常规的评估海上平台火灾风险的方法。在离岸项目的早期阶段，FRA聚焦于与火灾升级和损害方面的潜在火灾情况相关的可能后果。代表性的方法是基于火焰尺寸的方法（Kruegerand Smith，2003）;它通过使用从简化的火焰建模和分析获得的设计火焰尺寸来评估关键目标或程序模块的故障。当离岸项目进入详细的工程阶段时，结构后果分析变得至关重要，因为它提供了确定风险控制措施（如被动防火（PFP））所需的数据。然而，基于火焰尺寸的方法在早期阶段采用的简化的火焰模型，不足以进行详细的结构后果分析。相反地，我们需要一种包括更精确的结构后果分析的高级FRA程序。

SCI（2009）发布了用于火灾荷载和结构响应的概率评估的程序。该程序包括应用CFD（例如，Kameleon FireEx）辅助的3D火灾模拟来捕获现实的火灾事故，并且还通过采用常规的热量超过曲线来评估DALs。但是DALs是概率性地确定的，不能直接使用DALs进行完整的结构后果分析和概率安全评估。 Paik et al（2011）、Paik和Czujko（2012）提出了另一个定量程序EFEF JIP，通过输入与个体概率密度函数相关的几个随机变量来随机生成火灾情景。然而，该程序也遵循相同的基于超过曲线的方法来测定DAL，这也导致了与上述相同的困境。

本文提出了一个新的FRA程序，其可以最终实现对受到火灾损害的上层结构的概率性安全评估。该程序修改现有的FRA程序，以适应概率安全评估所需的结构后果分析的需要。它使用指数函数量化每个结构构件的故障，并提出一个新概念，累积故障频率，用于概率评估其安全性。累积故障频率的引入使得新程序能够筛选出高概率暴露于火灾风险的关键结构构件， 通过识别故障频率超过特定风险接受标准,即i.e.10^-4（NORSOK，2001）的结构构件，来识别风险。

除了概率性的结构安全分析，新程序包括用于合理选择可能泄漏位置的近似方法和其概率的计算。为了改善由于计算时间引起的效率问题，它还提出了一个虚拟压缩泄漏剖面进入CFD火灾模拟，以快速收集足够的3D热负荷数据用于结构响应分析。本文的其余部分安排如下：第2节描述了FRA的总体概况，指出了现有程序的缺点。第3节介绍了新提出的FRA和结构安全分析程序。最后，第4节提供了一个示例，演示如何将该过程应用于测试FPSO模块结构的安全评估。

2.火灾风险分析概述

FRA被定义为一个调查程序，通过该程序确定潜在火灾事故对海上平台和其设施的损害。 FRA结果和发现被用作总体定量风险评估（QRA）的一般输入。 FRA可以分为3个阶段，如图1所示。

2.1阶段1: FRA的输入准备阶段，包括2个步骤：

火灾场景识别和频率计算。在FRA之前进行的危险识别（HAZID）通常为火灾场景识别提供重要数据（例如可分离片段，主要库存等）。 在火灾情景识别中，指定了几个变量来定义火灾情况。 下表列出了这些变量以及获得它们的一般过程。

这样，大多数变量都可以计算。 然而，泄漏位置和方向是非常难以确定的，因为它们本身都具有很强的随机性，这种随机性使其不能预测或考虑要FRA中的所有可能的情况。 目前，它们的概率确定仍然没有标准化的程序。 此外，现有FRA程序中使用的最常用的方法只是一些保守的概率模型或专家的确定性判断。 在本研究中，进一步开发了用于确定泄漏位置和方向的方法，在下面的第3.1节中给出。

2.2 阶段2：设计的后果分析和确定意外负载

阶段2主要集中于风险评估，通过将来自阶段1的频率数据和通过火灾仿真或结构分析识别出的火灾情景的后果相结合。正如图一中所阐述，现有FRA中风险评估的目标就是确定设计载荷。传统上用于确定设计负载的最流行的工具是超越曲线，由y轴上的结果值和x轴上的对应频率值组成。

图2中的情况1和情况2分别显示火焰长度和热剂量的样品超过曲线。案例1是在前端工程设计（FEED）中使用基于火焰尺寸法得到的FRA结果，案例2是根据SCI（2009）发布的程序得到的FRA结果。当设计标准（如图中的红色虚线所示）被添加到两个曲线时，就能得到设计负载，例如分别为20m火焰长度和126MJ / m 2。

在FRA研究中，结构后果分析的目的是检查火灾对结构造成的损害程度。损伤可以通过数值传热分析或结构分析进行定量估计。然而不幸的是，这种结构分析难以通过上述设计负载（例如火焰长度或热剂量）来实现，因为这些量只是非空间标量值，而不是进行热传递分析或结构分析所需的3D空间数据。

因此应注意，如果要实现结构后果分析，应该确定真实的有用设计负载即全3D空间热通量数据。作为以前的研究，SCI（2009）提出了一个等效的设计场景概念来克服这个问题。等效的设计场景可以通过热量超量来确定，如图2所示。例如，在案例2中，发现用于形成超越曲线（即案例2的中间状况）的火情之一与设计标准一致。因此，案例2的中间状况可以用作具有其全空间3D热通量分布的结构后果分析的等效设计情景。但是，这样的方法还不适用于图3所示的方法。如果设计标准值放置在案例1和案例2中间状况之间，则没有与设计标准对应的等效场景，并且需要通过内插案例1和案例2中间状况来创建适当的虚拟设计场景。

然而，内插不是容易的工作，因为执行热结构分析所需的3D热通量分布将从非空间量即热量剂量创建。有关该方法的更多详细信息，请参见FABIG技术说明11（SCI，2009）。

为了响应现有程序中的上述问题，在本研究中建立了一个新的FRA程序。新程序主要侧重于顶层结构破坏本身的概率评估，而不是间接的DALs计算。如图1所示，这是通过对整个识别的情况单独执行结构后果分析，然后计算累积故障频率以检查失效的结构构件来完成的。此外，新程序不考虑利用现有FRA中制定的DALs或等效设计场景所需的不可避免的假设;因此，它是一种更直接和准确的方法来评估上层结构的火灾损害。有关新程序的详细信息在第3节中讨论。

2.3 阶段3:降低风险

阶段3主要考虑根据阶段2中进行的风险评估的结果来减轻结构失效。通常，对于海上上层结构有两种类型的有效保护：PFP涂层和喷淋系统。在大多数情况下，与喷淋系统相比，PFP涂层是更优选的; 然而，由于其成本相当大，故有必要对其实际应用进行优化。

关于PFP优化，累积故障频率计算，因为被新提出的程序证实可行，预期上认为是对此很有作用的; 因为它能够确定故障频率大于风险接受标准的所有故障元件，即10^-4（NORSOK，2001）。 有关累积故障频率的更多细节将在第3.6节中讨论。

3．提议的火灾风险分析的框架工作

图4示显示了在本文中提出的新FRA过程的示意图。该过程包括7个步骤，每个步骤在以下部分中单独解释。

3.1火灾场景识别

大多数在FRA研究中，所有潜在的火灾情景仅由一个泄漏位置识别，其通常被假定为所识别的可分离段的体积中心。这种方法通常使得场景识别的工作对于分析器来说更加简单。然而，对于一般尺寸的FPSO，这种假设对于全面的上部结构安全性评估而言太粗糙。因此，新的FRA程序在关于确定可能的泄漏位置上考虑得更具体。通常，大多数烃泄漏最开始出现于设备部件，例如上层模块内侧的法兰，阀门和管道连接; 但是考虑到这些组件通常具有非常多的数量，考虑到它们中的每一个可以单独地实现无数的火灾情形。新程序开发了一种近似方法解决这个问题。即选择可能泄漏位置的近似方法。

1确定与在HAZID工作中已识别的主要库存相联系的工艺流程线。

2.将过程模块分成几个块，数量对应于模块的尺寸和设备布局。

3.在每个块中，仅沿着步骤1中识别的流动线，计算泄漏成分的数量（即法兰、阀门、管道连接、管道、工艺设备等）。

4.确定每个块中的泄漏位置，即块的体积中心或最接近体积中心的泄漏分量的位置。

通常，管道和仪表图（P＆ID）以及过程流程图（PFD）为识别上述流线和流程组件提供了重要的数据。因此，可能的泄漏位置的确定不能从这些图中分离。图5中提供了一个例子。根据近似方法，将样本段划分为四个块，并且在每个块中选择满足上述步骤4的可选泄漏位置。

类似于泄漏位置，泄漏方向也在新程序中仔细考虑后决定。如已经强调的，由于其随机性，泄漏方向几乎不可能预测。即使在一些现有的FRA程序中，随机性是一个简单的概率模型，但是对于用这样的模型来描述原来的随机性是否足够可靠仍然有争议，因为它有很高的可能性丢失许多关键情景和低估的风险水平。目前，在确定性方面保守地确定泄漏方向方法比不清楚的概率模型好得多; 因此新程序也采用前一种方法。FRA的原始目的是评估上层结构或相关设施的火灾损害。新程序仅考虑每个泄漏位置处的关键泄漏方向，其指向结构的最有价值的部分（即，局部承载重设施），并且以确定性方式定义。虽然这种方法可能导致发生概率较低但高度危险的火灾情况，但它确实地保证了上层结构的安全性，至少从脆弱部分的角度来看是的，因为它考虑了所有这些。

3.2频率计算

对于海上平台的FRA，从历史泄漏数据库获得的泄漏频率数据通常是最重要的输入之一。目前，最广泛使用的泄漏数据库是HSE（2005）记录的烃释放数据库（HCRD），其中包含世界上发生的几乎所有碳氢化合物泄漏事故的信息。在第4节中演示的示例中的泄漏频率也是使用HCRD计算。通常用于计算泄漏频率的方法称为零件计数（DNV GL，2013），它可以计算出可能发生碳氢化合物泄漏的设备或部件的数量。新提出的程序通过以下公式计算泄漏频率:

其中：识别段的总泄漏频率，种设备的泄漏频率，:设备类型的数量，：段中的第k种设备的数量，从历史数据库和零件计数方法中获得

3.3火灾频率计算

上述泄漏频率仅表示识别的段（或模块）的总泄漏频率。为了获得所识别的火灾事故情景的火灾频率，通常通过某些概率模型来考虑附加条件。根据提出的程序，火灾频率可以通过以下公式计算：

,对于失败的ESD和EDP。 (2)

,对于成功的ESD和EDP。

其中P表示三种类型的概率模型。表示通过应用3.1节中给出的近似方法确定的每个泄漏位置处的碳氢化合物泄漏的概率。可以很直观地看出，根据概率的理论定义，实际上等于与的比率，如下式所示：

因此，公式2中的术语可以被代替，它表示当通过近似方法计算泄漏频率时，划分块本身已经考虑了泄漏位置概率。总之，作为特定火情的最终火灾频率可以通过以下公式计算

,对于失败的ESD和EDP (4)

，对于成功的ESD和EDP

其中个划分块的泄漏频率，中失败的ESD和EDP的失火频率，中成功的ESD和EDP的失火频率，：紧急关闭（ESD）和紧急减压（EDP）的故障概率。此外，表示点火概率的是通过下式表示的Coxetal（1990）模型获得的：

，其中R表示泄露率。

3.4

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