过程工业损失预防期刊13（2000）73–79

短讯

BP-ETAP防瓦斯爆炸平台的设计

Ken Paterson ^1,a, Vincent H.Y. Tam ^a,*, Thanos Moros ^a, David Ward-Gittos ^b

^a B英国石油公司阿莫科，泰晤士河上的森伯里，TW167LN，英K

^b英国，KT22 7AB，皮革头，布朗和根工程

摘要

气体爆炸造成人身伤害的风险，以及火灾和烟雾进入，是东部低谷地区项目（ETAP）团队打算尽可能设计的主要危险。本文描述了实现这一目标所遵循的ETAP过程。这个过程包括在概念选择阶段和设计阶段的不同阶段早期应用适当的先进技术和人员，以及一个包括爆炸专家在内的综合团队。

爆炸优化的所有主要设计决策都是在前端工程设计（FEED）的早期阶段做出的，从而形成了相对简单的详细设计阶段。这些早期的设计决策不仅减少了气体爆炸的后果，而且简化了布局，例如减少了管道和结构。最终的结果是，设计为人员和临时避难设施提供了固有的低风险，而不存在考虑高爆炸荷载的后期补救工作成本高以及由此导致的项目延误的不确定性。1999爱思唯尔科学有限公司保留所有权利。

关键词: 气爆；海上平台；设计过程；气爆设计；BT-ETAP项目；不确定性管理；安全案例

介绍

本文介绍了英国石油公司东槽区项目（ETAP）的爆炸分析工作。过去的经验表明，无论是对人员还是对海上平台上的临时避难所而言，瓦斯爆炸危险源都是总风险的重要组成部分。将这种风险降低到可容忍水平的成本被认为是潜在的高成本，特别是在后期设计变更的情况下，例如在防爆墙的回顾性升级中。英国石油公司Amoco在该项目上的做法是在早期将天然气爆炸风险降到最低，并尽可能地进行设计。在Andrew项目（Tamamp;amp;Langford，1994）中获得的经验的基础上，ETAP开发了一个设计过程，该过程在满足项目目标方面是成功的。本文描述了所进行的设计过程，并包括一些未来设施的一般准则。虽然文中给出的具体例子可能并不普遍

适用，我们相信所描述的理念和过程具有更广泛的适用性。

。

• 1. ETAP项目说明

英国石油公司ETAP由一个联盟管理，该联盟负责平台上部设施，其中包括运营商英国石油公司Amoco、设计和项目管理承包商布朗和罗茨有限公司、制造承包商AMEC工艺和能源有限公司、英国科瓦纳石油天然气公司和康萨菲工程公司以及安装Heere-mac。

T东部低谷区由7个储层组成，预计总储量为4亿桶石油和1.1万亿立方英尺的销售天然气。ETAP开发的中央处理设施（CPF）位于Marnock油田最大的水库上方。CPF为五个海底生产管汇（服务于Skua、Egret、Heron、Machar和Monan）和一个通常无人值守的生产平台（服务于Mungo水库）提供中央处理设施。

CPF工艺流程包括分离、加压、注气、脱水、注水。石油通过40年代的管道出口，天然气通过中部地区的输送系统出口。

CPF由两个通过桥梁连接的平台组成：一个7000t甲板（用于宿舍平台）和一个处理钻井立管（PdR）平台，由两个模块组成，重量约14000t，见图1。本文研究了PdR平台的爆炸危险性。Mungo油田正常无人值守平台上的爆炸风险是另一篇论文的主题（Moros，Tam，Webbamp;Pater-son，1995）。

总体设计过程

上部结构设施项目涉及多个阶段。它从“概念选择”开始，在此期间研究了许多设计选项。当一个首选的选择已经到达饲料发生。FEED的目的是将设计发展到足够的水平，以提供特定收费的成本估算（通常在15%的范围内）。随后的详细设计开发了细节，允许fabri-cators构建平台。.

我们的经验表明，最有效的贡献，从安全专家和应用先进的爆炸建模工具，在概念选择和早期饲料。这与在早期设计阶段使用粗糙和现成方法的传统方法形成对比；安全专家和先进的建模工具倾向于在FEED的后期或更可能在详细设计阶段使用.

爆炸设计过程

在本节中，将描述ETAP遵循的过程。

流程从概念阶段开始

概念定义了平台的一般形状

最初，评估了许多概念方案的爆炸风险潜力，以及修改设计以使风险潜力达到项目目标的容易程度。

选择的概念方案基于一个四层工艺模块，其中一个单独的住宿模块由两座桥连接。对于大型工艺模块，爆炸超压荷载是其布局的主要驱动力，进而影响整体结构的形状。每个工艺甲板通过防爆墙进一步分成三个隔间（图1）。

这些隔室的尺寸和尺寸是根据最小宽度概念确定的，以便于火焰传播。宽高比参数被用来确定甲板的高度。Andrew项目（Tamamp;amp;Langford，1994）发现，为了使气体爆炸压力保持可控，三个开口体积区域的长宽比应小于3。在ETAP上，最大长宽比为2.5。

图1 从南部看，ETAP PdR平台的立面图，显示了四个工艺平台。.

在项目概念设计早期确定隔间尺寸的过程有效地确立了上部结构设施的最佳布置。结构纵向桁架构成了这些隔间的周长。每个隔间由不锈钢防爆墙分隔，横向桁架按固定间隔放置，见图2。

最小宽度的概念否定了任何额外的中央脊柱桁架的需要。主桥跨均布间距，施工深度1.5m

20 m确保结构支撑具有足够的强度和延展性，适用于爆炸条件。跨4.8 m、只有一个横向约束的二次桥面修剪梁被证明是桥面施工的最佳方案。

评估现实的超压目标不超过目标

根据以往项目中获得的结果和经验以及一些模拟，确定了“不超过1.5巴”的项目目标。这使得每个学科都能集中精力优化设计。 值得注意的是，利用当时可用的技术，我们的经验表明，在CPF的所有区域，理论上最坏的情况下（填充的体积，化学计量云和爆炸壁顶部中心的点火），最大爆炸超压可控制在1巴以下。 当时正在准备顶部结构第2阶段（Selbyamp;Burgan，1998）的大型试验，即火灾和爆炸，结果将在项目详细设计阶段可用。需要管理“意外”结果的潜在影响。该项目的结论是，在最大超压目标1.5巴、宽高比更严格限制（2.5而不是3）以及库存隔离和控制相结合的情况下第二阶段实验的不利影响将是人类所能承受的

• • 1. 在这一阶段使用适当的专门知识和工具

在方案比较阶段，没有进行任何计算。这一评估是根据爆炸专家的判断和以往项目的经验作出的。但是，进行了计算，以确定上述“不超过”设计目标.

• 1. 前端工程设计（FEED)

优化设备布局和结构定义的主要工作是在FEED的早期阶段进行的。与传统方法相反，我们使用计算流体动力学（CFD）爆炸程序（FLACS）作为设计的一部分。ETAP面临的挑战是在设计过程中不增加额外的时间就可以完成这项工作。实际上，没有拖延。

因此，将压力下爆炸最小化的过程与设计过程密切相关。在布局设计的每个阶段，都进行了建模，以帮助将爆炸超压降至最低。这种逐步的方法允许从隔间形状、主要设备对准和位置、主要管道工程到次要管道工程布局等各个层面进行优化。确保这一阶段成功的关键因素之一是整合团队。爆炸专家作为小组的一部分，参加了项目会议并从中获得了相关信息，建模结果在下一次进度会议上提出，使设计得以高速进行。

图2。ETAP PdR平台3层的主要结构桁架，显示两个主防爆墙的位置。

爆炸分析基于一个充满气体云的模块，点火点位于爆炸的顶部中心

墙。在整个设计过程中使用相同的场景，可以通过直接比较对不同设计方案的有效性进行评估。绝对计算的超压值提供了一些关于所需优化工作水平的指示。

在FEED的早期，布局有很多变化。有些变化很小，例如一件设备的更换，有些变化很大，对爆炸载荷的影响也相应很大。下面给出一些例子。

• • 1. 有效展弦比大的区域

在早期的布局中，存在具有高宽高比（长高比）的局部区域，例如，局部设备室上方的空间没有延伸整个高度。这个空间可能允许潜在的非常高的超压发展，因此，这个和其他类似的空间被删除。

• • 1. 清管器收发区

这一地区的布局完全重新设计了。在最初的设计中，清管器发射器和接收器的方向为平台南北方向。由于主要的排气方向是东西方向，这种情况被发现会导致高压（许多巴）。在最终设计中，发射器和接收器沿东西方向重新对齐，连接管道也得到简化。最终的结果是，最大计算超压降低了10倍。图3显示了为两种布局计算的超压。

连接管道工程

传统上，连接管道工程通过平台不同区域容器之间的内部和外部管架进行布线。我们发现这导致了高密度的管道工程，特别是在外部管架上，这导致了通风区域的严重堵塞。解决办法多种多样。在地下室甲板上，管道工程向上铺设到甲板2上。这导致减少了排气堵塞和所需的管道工程总量，此外，该管道工程被校准，以最大限度地减少正在发生的气体爆炸所产生的湍流，从而最小化该区域内气体爆炸的任何潜在后果。另一个例子是石油出口区（4级）。这里的管道从这个区域连接到上面露天甲板上的压缩机。与传统的管道布置方式不同，管道布置方式是通过露天甲板和底部进入压缩机。再次，减少了管道工程量，降低了瓦斯爆炸强度。

• • 1. 减少泄漏库存

在进料后期，对管道工程的布局和详细的库存隔离进行了努力，并进行了控制分析，以限制每个隔间内可能形成的可燃气体云的潜在大小。例如，通过安装额外的ESDV，生产管理中的峰值库存减少了70%，总释放时间减少了一半。这导致在相同的风条件下，气体云要小得多。图4显示了原始设计和带有额外紧急关闭阀（ESDV）的设计中，气体云的形成是时间的函数。

顶边结构的发展高效利用结构减轻重量

在设计过程中，改进了结构对爆炸荷载响应的预测，降低了结构钢的成本和重量。

完成了一系列结构分析，包括对工艺模块上的分离区域进行非线性有限元分析。通过减小主梁的翼缘宽度和采用较轻的次梁，这使得该隔间节省了约5%的结构钢重量。

结构不同构件的性能标准因其功能不同而有所不同，这使得材料的有效使用成为可能，特别是在次梁的设计中。

结果发现，在格栅甲板上的工程指导是不够的。因此，ETAP在克里斯蒂安·迈克尔森研究进行了研究，并开发了一种针对气体爆炸荷载的格栅甲板设计方法。结果发表在另一篇论文中（Corramp;amp;Tam，1998）。应用该方法得到的结果比先前假定的设计值低50%。

尽管有最初的保留，但10米甲板高度有助于通风，确实提高了结构的整体可靠性，并导致了有效的设计，特别是在提升条件下。

详细设计

在详细设计阶段，爆炸小组的工作量减少了，其中大部分用于尽量减少后期设计项目的影响，如暖通空调（HVAC）管道、电缆槽和电气面板。尽管在FEED中以一种近似的方式包含了这些内容，但在此阶段的设计实现必须遵循与FEED相同的活力。事后看来，就爆炸评估而言，将这一阶段的设计提前，以提供更好的综合设计是有益的。.

图3。（a） 布局a，清管器发射器在南北方向对齐，高压超过4巴。

（b） 布局b，清管器发射器在东西方向对齐，该方向沿着排气的主要方向，从而提供更低的超压。

图4。气体云大小（填充模块的百分比）与释放开始时的时间有（.）和无（▲）额外的esdv。从结构上讲，由长宽比带来的隔间对称性产生了简单的重复接缝细节，进而降低了整体制造成本。

到了设计阶段，项目计算机辅助设计（CAD）模型（PDMS）几乎包含了所有的设计细节。这是直接用于气体爆炸建模工作，使用一个由ETAP委托编写的特殊软件，将数据转换成一种可由气体爆炸模型读取的格式。.

压力和风险控制和爆炸

最终计算表明，各区域关键结构面最大瓦斯爆炸超压均在1.5bar以内。在大多数地区，这一比例要低得多。

这一过程导致个体风险较低，因为按舱室隔离降低了受PdR重大气体爆炸影响的人群百分比。可控瓦斯爆炸规模与潜在爆炸点与临时避难所（TR）确保直接TR损害几乎为零。

竣工现场验

为了进行最终验证，在模块上浮之前对其进行了现场调查。我们发现，从项目PDMS数据库构建的几何模型是竣工平台的一个很好的表示。这保证了在详细设计阶段进行的计算是有

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