魏超南，陳國(guó)明，朱 淵，劉 康

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島 266580)

海洋平臺(tái)作為海上油氣資源開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，油氣共存，作業(yè)環(huán)境惡劣，其風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自設(shè)施本身的缺陷以及人為失誤造成的生產(chǎn)設(shè)施、設(shè)備油氣泄漏，遇點(diǎn)火源后燃燒，爆炸對(duì)人員、設(shè)備、環(huán)境等造成傷害和損失的事故等［1］。據(jù)HSE統(tǒng)計(jì)，油氣意外泄漏引起的火災(zāi)、爆炸事故是造成海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一。表1列出1980～2005年間英國(guó)大陸架海域固定式平臺(tái)和浮式結(jié)構(gòu)發(fā)生的事故類(lèi)型及統(tǒng)計(jì)［2-3］。從表1可以發(fā)現(xiàn)，固定式平臺(tái)和浮式海洋結(jié)構(gòu)上的火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生次數(shù)及頻率僅次于物體墜落，遠(yuǎn)高于井噴、碰撞等事故，而且火災(zāi)、爆炸事故的后果嚴(yán)重度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型事故。1988年7月6日，Piper Alpha平臺(tái)由于壓縮機(jī)模塊可燃?xì)庑孤┮l(fā)的爆炸、火災(zāi)造成167人死亡，平臺(tái)遭到嚴(yán)重?fù)p壞，直接經(jīng)濟(jì)損失近28.7億英鎊，成為迄今世界上最嚴(yán)重的平臺(tái)火災(zāi)爆炸事故。2010年4月20日，位于美國(guó)墨西哥灣北部海域的“深水地平線(xiàn)”鉆井平臺(tái)發(fā)生井噴，泄漏出來(lái)的天然氣攜帶原油引發(fā)劇烈爆炸，事故造成11人死亡，17人受傷，約500萬(wàn)桶原油泄漏［4］。

表1 英國(guó)大陸架海域固定平臺(tái)和浮式結(jié)構(gòu)事故統(tǒng)計(jì)(1980～2005年)Tab.1 HSE accidents data of fixed and floating platforms(1980～2005)

鑒于海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)、爆炸事故的高風(fēng)險(xiǎn)性，1990～2011年，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展27項(xiàng)聯(lián)合工程課題研究［5］，如BFETS JIP和EFEF JIP等。研究發(fā)現(xiàn)，海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)、爆炸載荷在以前被大大低估，很多情況下在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中并未考慮到這些載荷的影響。因此，如何評(píng)估油氣火災(zāi)、爆炸載荷及平臺(tái)結(jié)構(gòu)在載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律已成為海洋工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的重要考慮內(nèi)容，它對(duì)于海洋平臺(tái)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、海洋工程優(yōu)化安全設(shè)計(jì)以及海洋石油工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展等具有重要意義。

1 油氣火災(zāi)、爆炸機(jī)理

海洋平臺(tái)火災(zāi)、爆炸事故的起因事件通常是烴類(lèi)氣體或原油的意外泄漏。圖1為可燃?xì)怏w或蒸發(fā)性液體意外泄漏后的不同發(fā)展模式。如果油氣泄漏形成的可燃?xì)庠茮](méi)有達(dá)到可燃極限或不存在點(diǎn)火源，可燃?xì)庠茖⒅饾u隨風(fēng)擴(kuò)散、消失。根據(jù)平臺(tái)作業(yè)條件，點(diǎn)火可能會(huì)隨泄漏立即出現(xiàn)，或延遲幾十分鐘。一旦立即點(diǎn)燃(即在燃料與空氣充分混合之前)，最可能發(fā)生噴射火;如果形成大規(guī)模預(yù)混燃料-空氣云后被點(diǎn)燃，可能發(fā)生劇烈爆炸，這通常也是最嚴(yán)重的情況。

平臺(tái)作業(yè)條件不同，火災(zāi)類(lèi)型不同。采油與井口平臺(tái)可能發(fā)生的火險(xiǎn)有井噴火、井噴流淌火(石油與天然氣)以及人為性火災(zāi);貯油平臺(tái)火災(zāi)有油罐火、流淌火、設(shè)備爆炸火、輸油泵站火。平臺(tái)爆炸主要是可燃?xì)怏w爆炸，可能發(fā)生在生產(chǎn)設(shè)備、油氣管線(xiàn)或艙室中，也可能發(fā)生在開(kāi)敞的露天作業(yè)區(qū)域，如鉆臺(tái)。爆炸強(qiáng)度可以按照最大壓力分類(lèi)。如最大壓力小于20 kPa，可認(rèn)為是“輕微爆炸”;當(dāng)超過(guò)200 kPa，則認(rèn)為是“劇烈爆炸”。

圖1 油氣意外泄漏后的發(fā)展事件樹(shù)Fig.1 Event tree model of oil＆gas leakage incident

2 海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)/爆炸試驗(yàn)

火災(zāi)、爆炸現(xiàn)象通常是大尺度的，具有高度非線(xiàn)性和隨機(jī)性，理論分析存在較大難度，因此有必要開(kāi)展真實(shí)場(chǎng)景下的油氣火災(zāi)、爆炸試驗(yàn)，為海洋工程應(yīng)用提供指導(dǎo)和設(shè)計(jì)依據(jù)。但鑒于試驗(yàn)條件及安全性方面的考慮，開(kāi)展海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)、爆炸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的難度較大。

2.1 油氣泄漏、擴(kuò)散試驗(yàn)

1990年，挪威CMR試驗(yàn)室在1∶5比例的海洋平臺(tái)模型上進(jìn)行可燃?xì)怏w泄漏、擴(kuò)散試驗(yàn)［6］，研究泄漏方向和速率、環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向等因素影響下的氣體擴(kuò)散行為和規(guī)律。儲(chǔ)氣罐體積為3 m3，初始?jí)毫?×105～20×106Pa，氣態(tài)甲烷、丙烷通過(guò)直徑為420 mm的噴嘴泄漏進(jìn)入模型內(nèi)，通風(fēng)速率為0～1.0 m/s。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中等和大型噴射泄漏條件下，氣體擴(kuò)散行為主要由噴射行為控制，氣體濃度受自然通風(fēng)影響;小型噴射泄漏條件下，自然通風(fēng)主導(dǎo)可燃?xì)怏w的擴(kuò)散模式及濃度分布。Cleaver等［7］進(jìn)行了類(lèi)似試驗(yàn)，通過(guò)先進(jìn)的圖像和傳感技術(shù)得到0.9～8.6 m/s風(fēng)速下甲烷/氮?dú)饣旌衔镆?.5～10 kg/s穩(wěn)態(tài)泄漏時(shí)的濃度分布情況。試驗(yàn)表明，不同試驗(yàn)條件(泄漏方向和速率、風(fēng)速等)下，泄漏事件會(huì)導(dǎo)致不同規(guī)律的擴(kuò)散行為和氣體累積效應(yīng)。

1970年，美國(guó)能源管理局發(fā)布《Hazards of LNG Spillage in Marine Transportation》，指出海上液化天然氣(LNG)儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中存在巨大風(fēng)險(xiǎn)［8］，如快速相變導(dǎo)致的高壓、爆燃、爆轟、蒸氣云火災(zāi)以及池火災(zāi)等。隨后，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)LNG海面和陸地?cái)U(kuò)散開(kāi)展大量試驗(yàn)和理論研究工作［9］，如Esso，Shell Jettision Tests，Maplin Sands tests，Burro tests，F(xiàn)alcon tests等。LNG氣云擴(kuò)散距離受蒸發(fā)率、障礙物、環(huán)境條件、泄漏模式等多種因素影響。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，障礙物、粗糙地形以及高濕度、不穩(wěn)定大氣條件會(huì)減小燃燒下限(LFL)距離;在低風(fēng)速、高大氣穩(wěn)定度條件下，甲烷L(zhǎng)FL距離最遠(yuǎn)。

2.2 油氣火災(zāi)試驗(yàn)

海洋平臺(tái)上火災(zāi)嚴(yán)重性及滅火系統(tǒng)等應(yīng)急措施的有效性方面還存在很多不確定性因素。Shell公司進(jìn)行一項(xiàng)重要的海洋平臺(tái)艙室火災(zāi)研究項(xiàng)目［10］，試驗(yàn)采用135 m3鋼制隔熱裝置，內(nèi)部由1 mm厚的不銹鋼片完全隔熱，燃料使用殼牌公司的商品柴油，得到了不同通風(fēng)條件下火勢(shì)向準(zhǔn)穩(wěn)定態(tài)發(fā)展過(guò)程中的熱通量、溫度、燃燒速率和燃燒產(chǎn)物濃度等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)顯示，火災(zāi)嚴(yán)重度(熱通量和溫度)受自燃通風(fēng)率影響，可以表示為艙室溫度的函數(shù)，艙室溫度又受艙室邊界的絕熱程度影響;在通風(fēng)良好且受限條件下，火災(zāi)更嚴(yán)重;常規(guī)水噴淋滅火系統(tǒng)則可以有效降低火災(zāi)燃燒速率并控制周?chē)h(huán)境溫度。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼質(zhì)海洋平臺(tái)被動(dòng)抗火方面的研究主要集中在尋求良好的抗火材料和基于試驗(yàn)、計(jì)算的構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)。為了提高被動(dòng)防火材料的抗火性能，有必要進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景下的火災(zāi)試驗(yàn)。SOFIPP項(xiàng)目中，Shell公司首先進(jìn)行大型高壓天然氣噴射火作用下被動(dòng)防火材料的性能研究試驗(yàn)［11］。由于試驗(yàn)耗資巨大，且需要特殊設(shè)備，不便推廣作為被動(dòng)防火材料的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序。1992年3月，UK HSE與挪威石油管理局合作組建噴射火試驗(yàn)研究組，在SINTEF試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)被動(dòng)防火材料的小型標(biāo)準(zhǔn)噴射火測(cè)試程序。1996年4月，SwRI對(duì)內(nèi)徑203 mm的管狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行8次噴射火試驗(yàn)，評(píng)估結(jié)構(gòu)外層被動(dòng)防火材料的抗火性能［12］，試驗(yàn)中熱通量峰值達(dá)到293 kW/m2。研究表明，試驗(yàn)室規(guī)模的噴射火測(cè)試程序可有效用于評(píng)估管狀結(jié)構(gòu)被動(dòng)防火材料的抗火性能，但其最大內(nèi)徑限于500 mm;內(nèi)徑為500 mm時(shí)，總熱通量比大型噴射火熱通量低20%，可靠性降低。文獻(xiàn)［13］總結(jié)被動(dòng)防火材料抗火性能研究方面的大、中型噴射火試驗(yàn)，對(duì)比分析試驗(yàn)設(shè)備和噴射火規(guī)模，總熱通量峰值約為290 kW/m2。國(guó)外開(kāi)展噴射火試驗(yàn)的主要研究機(jī)構(gòu)有British Gas Spadeadam，Southwest Research Institute(SwRI)，Health＆ Safety Laboratories(HSL)和 Norwegian Testing Facility(SINTEF)。

池火、噴射火是海洋平臺(tái)上的主要火災(zāi)類(lèi)型。根據(jù)BFETS F3，SINTEF Energy在挪威火災(zāi)試驗(yàn)室采用凝析油、氣態(tài)丙烷進(jìn)行15次噴射火和7次池火試驗(yàn)，研究噴射火、池火在容器、管線(xiàn)等結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的熱載荷及水噴霧系統(tǒng)的有效性，為海洋平臺(tái)火災(zāi)后果風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［14］。

海上LNG池火與蒸氣云火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究方面也進(jìn)行過(guò)一些著名試驗(yàn)，包括U.S.Coast Guard China Lake tests、Maplin Sands tests、Coyote tests等，為L(zhǎng)NG火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.3 油氣爆炸試驗(yàn)

1980～1990年，CMR在試驗(yàn)基礎(chǔ)上最先開(kāi)始可燃?xì)怏w爆炸現(xiàn)象的研究，讓業(yè)界對(duì)工業(yè)環(huán)境下的可燃?xì)怏w擴(kuò)散和爆炸機(jī)制有了初步了解。隨后，國(guó)外眾多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)海洋平臺(tái)可燃?xì)怏w爆炸開(kāi)始廣泛的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)爆炸超壓受多種因素影響，也是導(dǎo)致巨大破壞性的主要原因。

1990年，國(guó)外石油公司聯(lián)合開(kāi)展的BFETS(The Blast＆Fire Engineering Project for Topside Structures，BFETS)是海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)研究方面的重要課題，基于海洋平臺(tái)環(huán)境的大型氣體爆炸試驗(yàn)是該項(xiàng)目的重要內(nèi)容。階段2(1994～1997年)［15］，British Gas(GL)在英國(guó)Spadeadam試驗(yàn)基地采用25.6 m×8 m×8 m裝置進(jìn)行27次大型可燃?xì)怏w爆炸試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在特定結(jié)構(gòu)下可燃?xì)怏w爆炸會(huì)產(chǎn)生極大超壓;而水噴霧系統(tǒng)能夠有效降低超壓。為了進(jìn)一步研究爆炸超壓產(chǎn)生機(jī)制及控制措施，UK HSE啟動(dòng)階段3A，采用以甲烷為主的天然氣進(jìn)行約45次全尺寸海洋平臺(tái)爆炸試［16-18］，主要研究低限制度、高擁擠度環(huán)境下的可燃?xì)怏w爆炸現(xiàn)象。文獻(xiàn)［16］分析45次試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)及原始數(shù)據(jù)，并提出相關(guān)建議。文獻(xiàn)［19］總結(jié)了階段2和階段3A的Spadeadam爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)。階段3B試驗(yàn)的主要目的是研究擴(kuò)散氣體的點(diǎn)燃爆炸及真實(shí)可燃?xì)庠频谋òl(fā)展規(guī)律。Advantica，GexCon等研究機(jī)構(gòu)在Sotra試驗(yàn)基地采用8 m×2.5 m×2.5 m裝置進(jìn)行約100次中等規(guī)模(50 m3)爆炸試驗(yàn)，在Spadeadam試驗(yàn)基地采用28 m×12 m×8 m裝置進(jìn)行20次大型爆炸試驗(yàn)，同時(shí)為NORSOK(2001)提出的概率性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。另外，在Thornton試驗(yàn)基地采用導(dǎo)管裝置進(jìn)行的180次試驗(yàn)室規(guī)模的爆炸試驗(yàn)，證明二氧化碳比氮?dú)庠跍p輕超壓方面的效果好;高級(jí)烴(如乙烷和丙烷)會(huì)增加爆炸超壓。

1993年，Shell UK采用550 m3裝置進(jìn)行 SOLVEX(Shell Offshore Large Vented Explosions)系列試驗(yàn)［20］。裝置的一個(gè)壁面設(shè)有5.9 m×4.6 m的通風(fēng)口，內(nèi)部有兩組半徑為0.5 m的可移動(dòng)垂直管線(xiàn)。分別在兩組管線(xiàn)、一組管線(xiàn)和無(wú)管線(xiàn)情況下進(jìn)行17次甲烷-空氣、丙烷-空氣爆燃試驗(yàn)，最大爆燃?jí)毫_(dá)到3×104Pa。試驗(yàn)結(jié)果被用于唯象爆炸模型SCOPE的驗(yàn)證和改進(jìn)。

1994年，British Gas在英國(guó)Spadeadam試驗(yàn)基地進(jìn)行的MERGE系列試驗(yàn)是開(kāi)敞結(jié)構(gòu)氣體爆炸研究的重要突破［21-22］，在不同縮放比例的擁擠敞形結(jié)構(gòu)中研究管徑、管距對(duì)火焰發(fā)展速度和爆炸壓力的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管徑減小50%，體積堵塞率減小10%時(shí)，峰值爆燃?jí)毫υ黾?～7倍;管徑減小50%，體積阻塞率減小20%時(shí)，峰值爆燃?jí)毫υ黾?～5倍。該試驗(yàn)還被用于驗(yàn)證和改進(jìn)相關(guān)的爆炸模型［23］，并體現(xiàn)出縮放比例法的優(yōu)勢(shì)和局限性。

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同環(huán)境條件下氣體爆炸現(xiàn)象差別很大，影響因素也各異。根據(jù)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，國(guó)外學(xué)者分別針對(duì)管型、楔形和立方體邊角結(jié)構(gòu)中的可燃?xì)怏w爆炸現(xiàn)象及影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究［24］。管型結(jié)構(gòu)爆炸試驗(yàn)中，通過(guò)孔口環(huán)數(shù)及內(nèi)徑的變化來(lái)改變體積阻塞率，爆炸壓力范圍1×105～1.4×106Pa;試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，體積阻塞率是影響爆炸壓力的重要參數(shù)。楔形結(jié)構(gòu)爆炸試驗(yàn)中，當(dāng)頂部限制比例為50%時(shí)，爆炸壓力小于5×103Pa;限制比例從80%增至100%，爆炸壓力增加近2個(gè)數(shù)量級(jí)。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在爆炸早期及時(shí)將高溫燃燒產(chǎn)物排放出去是一種減緩火焰加速蔓延的有效手段。立方體邊角結(jié)構(gòu)容器爆炸試驗(yàn)中，障礙物密集布置條件下的火焰速度由無(wú)障礙物條件下的10 m/s增加到1 000 m/s，爆炸壓力從數(shù)千帕增大至4×105Pa。試驗(yàn)表明，體積阻塞率和障礙物大小、形狀都是影響爆炸壓力的重要因素;相同障礙物條件下，阻塞率增大，壓力升高;相同阻塞率時(shí)，障礙物尺寸減小，壓力升高［25］。將上述試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，立方體結(jié)構(gòu)中爆炸壓力最小，楔形次之，管型最大;其內(nèi)部火焰?zhèn)鞑ツＪ椒謩e為球形、圓柱形和平面形。由于球形模式下壓力波擴(kuò)張更自由，其正面反饋機(jī)制沒(méi)有平面模式強(qiáng)烈，如產(chǎn)生相同的爆炸壓力，球形火焰則需要更大的火焰速度。試驗(yàn)表明，圓柱型和平面結(jié)構(gòu)中的終端火焰速度大于楔形結(jié)構(gòu)中的終端火焰速度。因此，從工程應(yīng)用角度來(lái)看，艙室和海洋平臺(tái)模塊應(yīng)避免設(shè)計(jì)成瘦長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)中平面火焰模式占主導(dǎo)地位，會(huì)產(chǎn)生較高的爆炸壓力。

為了改進(jìn)海洋平臺(tái)可燃?xì)怏w爆炸事故的控制措施，國(guó)外眾多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)防火用的常規(guī)水噴淋系統(tǒng)對(duì)可燃?xì)怏w爆炸現(xiàn)象的減輕效應(yīng)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究［26-33］。應(yīng)英國(guó)能源署要求，CMR使用一個(gè)1∶5比例的海洋平臺(tái)模塊模型進(jìn)行水噴淋系統(tǒng)對(duì)可燃?xì)怏w爆炸超壓影響效果的試驗(yàn)研究。氣體混合物采用甲烷-空氣(8.5% ～10%)和丙烷-空氣(4.25%)，水噴淋強(qiáng)度為121 L/min·m2。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，丙烷-空氣混合物爆炸超壓約是甲烷-空氣混合物的2倍。中心點(diǎn)火時(shí)，水噴淋系統(tǒng)沒(méi)有明顯作用，實(shí)際上爆炸峰值壓力反而有所上升;而當(dāng)端口點(diǎn)火且點(diǎn)火位置附近設(shè)有氣窗時(shí)，水噴淋系統(tǒng)啟動(dòng)后爆炸超壓明顯降低，降低幅度可達(dá)1/3，證明了水噴淋系統(tǒng)對(duì)爆炸超壓的抑制作用。

噴霧和懸浮微粒性質(zhì)復(fù)雜，開(kāi)展兩相爆炸試驗(yàn)難度較大。Bowen等［34］采用SOLVEX試驗(yàn)裝置研究海洋平臺(tái)懸浮微粒爆炸現(xiàn)象，通過(guò)圖像分析技術(shù)觀(guān)察到特殊的外部渦流現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，燃料揮發(fā)性是控制兩相爆炸的主要因素。文獻(xiàn)［35］全面總結(jié)了烴類(lèi)物質(zhì)兩相(液體-蒸氣混合物)爆炸研究的理論、試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法方面的最新進(jìn)展?，F(xiàn)有理論和技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)兩相爆炸的保守模擬分析，特定條件下可以將其作為可燃?xì)怏w爆炸來(lái)研究;但當(dāng)液滴半徑達(dá)到20～30 μ時(shí)，上述方法不再適用。

3 可燃?xì)怏w爆炸模型

海洋平臺(tái)空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了可燃?xì)怏w爆炸現(xiàn)象的復(fù)雜性，通過(guò)試驗(yàn)建立可靠的理論模型準(zhǔn)確描述爆炸發(fā)展過(guò)程，符合工程應(yīng)用的需要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于試驗(yàn)和理論假設(shè)提出適合海洋平臺(tái)環(huán)境的可燃?xì)怏w爆炸模型，主要分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、唯象模型和?jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型。

3.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔谠囼?yàn)數(shù)據(jù)分析得到的關(guān)系式建立的，是評(píng)估爆燃超壓的最簡(jiǎn)單方法，但其對(duì)爆炸理論的簡(jiǎn)化也影響模型的預(yù)測(cè)精度。常用的氣體爆炸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?TNT當(dāng)量模型、TNO模型、Multi-Energy模型、Baker-Strehlow模型、CAM(Congestion Assessment Method)模型和SLAM(Sedgwick Loss Assessment Method)模型等。

TNT當(dāng)量模型已被廣泛用于海洋平臺(tái)可燃?xì)怏w爆炸峰值壓力的預(yù)測(cè)［36-37］，基本原理是將TNT爆炸的壓力-距離曲線(xiàn)應(yīng)用于可燃?xì)怏w爆炸，根據(jù)爆炸氣云中的能含量估計(jì)出與之等效的TNT炸藥量。ME多能模型可用于開(kāi)敞空間可燃?xì)庠票ǖ膲毫?chǎng)研究。荷蘭CPR14E手冊(cè)采用TNO模型和TNT當(dāng)量模型來(lái)計(jì)算逃離過(guò)程中爆炸事故的物理效應(yīng)，在其修正版中，TNO模型被Multi-Energy模型取代。

3.2 唯象模型

唯象模型以理想系統(tǒng)(即一個(gè)含有大量湍流生成網(wǎng)格的單獨(dú)放氣室)為基礎(chǔ)，描述爆炸現(xiàn)象的基本特征，可預(yù)測(cè)較大范圍內(nèi)的爆炸超壓。

SCOPE模型(Shell Code for Over-pressure Prediction in gas Explosions)是阻塞通風(fēng)空間內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸預(yù)測(cè)方面發(fā)展最為完善的唯象模型，由殼牌石油公司桑頓研究中心開(kāi)發(fā)，可預(yù)測(cè)海洋平臺(tái)受限或阻塞空間內(nèi)的蒸氣云爆燃超壓。

CLICHé模型(Confined LInked CHamber Explosion)由Advantica開(kāi)發(fā)，可模擬具有許多分散障礙物的受限空間蒸氣云爆炸現(xiàn)象。模型最初用于建筑內(nèi)部的受限爆炸模擬，在通風(fēng)容器爆炸方面得到很好應(yīng)用，目前其應(yīng)用已發(fā)展至海洋平臺(tái)及岸上裝置的可燃?xì)怏w爆炸模擬研究。

3.3 CFD模型

CFD(Computational Fluid Dynamic，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模型即數(shù)值模型，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)方程、湍流方程、燃燒方程共同描述氣云的爆炸過(guò)程，利用有限元法、有限差分法或有限體積法對(duì)方程進(jìn)行求解。CFD模型能精確描述高度非線(xiàn)性的爆炸傳播過(guò)程，更適合可燃?xì)怏w爆炸過(guò)程的模擬分析，但目前還不能精確模擬湍流燃燒流動(dòng)。

學(xué)術(shù)研究及工程應(yīng)用領(lǐng)域中基于CFD理論的氣體擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸模擬軟件有:EXSIM、FLACS、FLUENT、AutoReaGas、CFX、COBRA、NEWT、REACFLOW、Imperial College Research Code和其他研究性軟件。在當(dāng)今追求工程安全的背景下，GexCon AS公司研發(fā)的FLACS軟件是基于CFD爆炸模擬的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也是用于模擬可燃和毒性氣體泄漏擴(kuò)散有權(quán)威的軟件之一。軟件采用分布式多孔結(jié)構(gòu)的思想表現(xiàn)幾何形狀，用亞格子模型表示小于網(wǎng)格尺度的火焰，體現(xiàn)了其較其他CFD軟件的優(yōu)勢(shì)。軟件已被大多數(shù)石油與天然氣公司、技術(shù)安全咨詢(xún)、研究機(jī)構(gòu)和高校等成功用于海洋結(jié)構(gòu)物爆炸研究、岸上建筑風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、氣體探測(cè)器優(yōu)化、毒性氣體擴(kuò)散、粉塵爆炸和事故調(diào)查等方面。FLUENT是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)技術(shù)及成熟的物理模型使其在轉(zhuǎn)換與湍流、氣體泄放與擴(kuò)散、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒等方面均有廣泛應(yīng)用。如魏超南等［38］采用FLUENT研究了海上自升式鉆井平臺(tái)井噴天然氣的運(yùn)動(dòng)行為與危險(xiǎn)區(qū)域的分布規(guī)律。AutoReaGas由CDL和荷蘭TNO-PML于1993年合作開(kāi)發(fā)，基于Navier-Stokes和Euler求解器，用于氣體爆炸和爆轟波的傳播分析，并通過(guò)一系列小、中、大規(guī)模的氣體爆炸試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。該軟件專(zhuān)門(mén)用于擁塞和限制(敞開(kāi)和封閉)的環(huán)境中，并可輸出結(jié)果到AUTODYN中進(jìn)行流固耦合分析，在海洋平臺(tái)和FPSO爆炸案例中均得到成功應(yīng)用。

4 火災(zāi)/爆炸作用下海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)載荷及結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

4.1 火災(zāi)/爆炸載荷分析

火災(zāi)、爆炸作用在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的瞬態(tài)熱效應(yīng)和爆炸超壓等載荷是導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能發(fā)生變化進(jìn)而失去承載能力引起平臺(tái)傾覆的直接原因。

BFETS JIP和EFEF JIP是近年來(lái)海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)爆炸載荷研究方面的兩個(gè)重要課題。BFETS項(xiàng)目在油氣火災(zāi)、爆炸試驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合CFD技術(shù)研究了平臺(tái)結(jié)構(gòu)及作業(yè)人員可能面臨的油氣火災(zāi)、爆炸載荷問(wèn)題［39-40］。研究發(fā)現(xiàn)，海洋平臺(tái)爆炸超壓比預(yù)想中的嚴(yán)重得多;水噴霧系統(tǒng)可有效降低爆炸超壓影響;CFD技術(shù)在火災(zāi)、爆炸載荷計(jì)算方面發(fā)揮了重要作用。2008～2010年，韓國(guó)釜山國(guó)立大學(xué)、Nowatec AS等研究機(jī)構(gòu)合作開(kāi)展EFEF JIP(the Joint Industry Project on Explosion and Fire Engineering of FPSOs)，基于CFD和非線(xiàn)性有限元理論重點(diǎn)針對(duì)FPSO的上部模塊、設(shè)備在可燃?xì)怏w爆炸作用下的爆炸火災(zāi)載荷、結(jié)構(gòu)破壞及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)研究［41-44］，開(kāi)發(fā)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析的可視化軟件，研究噴射火作用下結(jié)構(gòu)部件的載荷特點(diǎn)，建立起一套完整有效的FPSO油氣火災(zāi)爆炸定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制體系。

基于CFD的數(shù)值模擬技術(shù)是油氣火災(zāi)、爆炸載荷預(yù)測(cè)的重要方法，它可以有效地仿真試驗(yàn)結(jié)果和驗(yàn)證理論模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。Takahashi等［45］提出采用3D-CAD、CFD技術(shù)和FEA方法進(jìn)行爆炸模擬分析，研究氣體擴(kuò)散、爆炸超壓和結(jié)構(gòu)響應(yīng)等問(wèn)題。這一綜合仿真模擬技術(shù)可有效用于海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。Hoise等［46］通過(guò)EXSIM對(duì)海洋平臺(tái)氣體爆炸現(xiàn)象進(jìn)行大量模擬后發(fā)現(xiàn)，爆炸壓力或脈沖與可燃?xì)庠企w積之間存在近似的線(xiàn)性關(guān)系，爆炸壓力和持續(xù)時(shí)間之間是近似的反向關(guān)系。Anna Qiao等［47-48］通過(guò)CFD方法研究防火/爆墻、水噴霧系統(tǒng)和被動(dòng)防火材料等在降低爆炸超壓、高溫影響方面的效果，發(fā)現(xiàn)合理布置防爆墻可提高其抗爆能力，水噴霧系統(tǒng)可有效降低爆炸超壓。Mohammad Dadashzadeh等［49］采用專(zhuān)業(yè)爆炸模擬軟件FLACS再現(xiàn)了BP“深水地平線(xiàn)”井噴擴(kuò)散及爆炸事故的發(fā)展過(guò)程，研究識(shí)別出平臺(tái)超壓區(qū)域，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)艙和平臺(tái)上高擁擠度的區(qū)域內(nèi)爆炸超壓分別達(dá)到1.7×105和8×104Pa，并得出結(jié)論:低擁擠度區(qū)域的超壓低，高擁擠度區(qū)域的超壓高。J T Berg等［50］采用相同軟件進(jìn)行上、下工藝甲板之間的格柵、三種不同的隔墻、兩種不同的隔離間隙結(jié)構(gòu)等風(fēng)險(xiǎn)控制因素對(duì)爆炸超壓影響的布局敏感性分析，以此為FPSO本質(zhì)安全設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

國(guó)內(nèi)方面，魏超南等［51］基于CFD理論研究了海上自升式鉆井平臺(tái)井噴天然氣爆燃超壓及火焰的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律，并評(píng)估其危害程度與影響范圍。劉沛華等［52］在試驗(yàn)基礎(chǔ)上借助FDS、CFAST軟件進(jìn)行海洋平臺(tái)受限空間火災(zāi)的數(shù)值模擬，從疏散時(shí)間和疏散路徑等角度對(duì)人員疏散策略進(jìn)行優(yōu)化分析和安全性評(píng)估。郭杰等［53］建立海洋平臺(tái)油氣處理系統(tǒng)原油泄漏的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)比不同脫險(xiǎn)梯道受火災(zāi)影響程度，確定了最有利于人員疏散的路徑;設(shè)備泄漏孔徑越大，火災(zāi)危險(xiǎn)性越大，越不利于人員疏散。孫彥杰［54］應(yīng)用DNV風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件針對(duì)海洋平臺(tái)典型危險(xiǎn)區(qū)域(燃油儲(chǔ)存區(qū)、輸油泵房和量油分離器)的火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊綜合安全評(píng)估。李晶晶等［55］以灘海油氣平臺(tái)為對(duì)象，利用大渦模擬軟件FDS研究了油氣傳輸區(qū)因管線(xiàn)油氣泄漏引發(fā)的火災(zāi)事故中火焰幾何特性、溫度與熱輻射的危險(xiǎn)區(qū)域，并探討了風(fēng)向?qū)馂?zāi)事故的影響規(guī)律。

4.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

平臺(tái)結(jié)構(gòu)在高溫載荷作用下，其彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能將會(huì)被迅速改變，乃至失去支撐或隔斷能力。了解海洋平臺(tái)構(gòu)件在油氣火災(zāi)、爆炸載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)對(duì)于優(yōu)化平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善材料性能等都具有重要的指導(dǎo)意義。

據(jù)HSE事故統(tǒng)計(jì)，海洋平臺(tái)火災(zāi)、爆炸事件通常是伴隨發(fā)生的，但對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成重大破壞的主要因素是火災(zāi)作用。Donegan等［56］通過(guò)開(kāi)展構(gòu)件火災(zāi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，火載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)行為隨材料性能的不同而發(fā)生變化，溫度應(yīng)變是引起結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因。例如，1988年的Piper Alpha平臺(tái)事故由壓縮機(jī)小型爆炸引起，但導(dǎo)致平臺(tái)摧毀的主要原因是火災(zāi)。

超壓沖擊波與結(jié)構(gòu)間的耦合作用也是油氣爆炸事故影響研究中的重要問(wèn)題。Robertson等［57］首次提出采用AUTOREAGAS和AUTODYN 3D來(lái)研究爆炸-結(jié)構(gòu)之間的耦合作用及結(jié)構(gòu)在載荷作用下的移動(dòng)問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，立方體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的同時(shí)不能將爆炸沖擊波再反射回去，壓力載荷實(shí)際上減小了。與假設(shè)載荷與結(jié)構(gòu)不存在耦合的情況下相比，最大撓度減小25%左右。Savage等［58］采用非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析法研究了海洋平臺(tái)支撐系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以及結(jié)構(gòu)部件的極限承載能力，并計(jì)算防爆墻的壓力脈沖持續(xù)時(shí)間。

國(guó)內(nèi)方面，文獻(xiàn)［59-62］基于有限元理論，采用多歐拉-拉格朗日耦合方法和ROE求解方法對(duì)海洋平臺(tái)甲板、艙室、防爆墻等復(fù)雜結(jié)構(gòu)在油氣爆炸沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析。研究發(fā)現(xiàn)，主甲板和縱、橫艙壁結(jié)構(gòu)作為迎爆面遭受損傷較大;半橢圓防爆墻結(jié)構(gòu)具有更好的防爆效果。火災(zāi)、爆炸作用下的結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析是一個(gè)固體物質(zhì)的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。文獻(xiàn)［63-65］采用彈塑性方法和高溫狀態(tài)下鋼材的理想應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，根據(jù)能量守恒原理建立瞬態(tài)熱傳導(dǎo)的基本微分方程，分析海洋平臺(tái)在火載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特點(diǎn)和失效機(jī)理。韓圣章和胡云昌［66］采用能量法建立板的撓度公式，并進(jìn)行海洋平臺(tái)艙室在爆炸載荷作用下發(fā)生破損的變形分析，為油氣田定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及事件升級(jí)分析提供基礎(chǔ)。研究認(rèn)為，防爆墻和艙室板構(gòu)件都應(yīng)用梁構(gòu)件予以支撐，以減小局部變形。還將噴射火焰能量與鋼材性能相結(jié)合，采用簡(jiǎn)化辦法建立了火災(zāi)載荷作用下平臺(tái)立管溫度變化模型，分析立管隨溫度變化發(fā)生破壞的可能性，為平臺(tái)立管的防護(hù)提供依據(jù)［67］。

5 總結(jié)與展望

災(zāi)害條件下的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全可靠性是海洋工程中較有難度和挑戰(zhàn)性的重要研究領(lǐng)域，特別是油氣火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事件。文章從油氣擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸試驗(yàn)、爆炸模型、火災(zāi)/爆炸載荷及其結(jié)構(gòu)響應(yīng)等方面全面總結(jié)了近年來(lái)最新的研究進(jìn)展，其發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為:基于工程經(jīng)驗(yàn)、專(zhuān)家判斷等方法的定性評(píng)估向基于仿真模擬(有限元理論、CFD技術(shù)等)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的定量評(píng)估發(fā)展;基于特定場(chǎng)景的確定性評(píng)估向基于所有可能場(chǎng)景的概率性評(píng)估發(fā)展。

惡劣環(huán)境下海洋平臺(tái)作業(yè)安全性已經(jīng)對(duì)重大災(zāi)害演變機(jī)理及其作用下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估提出了迫切需求，特別是歷年來(lái)發(fā)生的一系列火災(zāi)、爆炸等重大災(zāi)難事故更是給世界范圍內(nèi)海洋石油工業(yè)的健康發(fā)展敲響了警鐘。相關(guān)研究已經(jīng)取得重要進(jìn)展，但還有待完善，未來(lái)有可能或需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容有:

1)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是研究海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)、爆炸機(jī)理及結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最直接、最可靠的方法，且對(duì)工程應(yīng)用中平臺(tái)火氣監(jiān)控系統(tǒng)、被動(dòng)防火保護(hù)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。鑒于國(guó)外在這方面已有豐富經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)可作為借鑒開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，在足夠的全尺寸試驗(yàn)基礎(chǔ)上驗(yàn)證和支持?jǐn)?shù)值模擬結(jié)果，以指導(dǎo)我國(guó)海洋平臺(tái)安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以期打破國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)壟斷。

2)國(guó)外開(kāi)展的海洋平臺(tái)爆炸試驗(yàn)多集中在密閉空間內(nèi)障礙物、環(huán)境條件等因素對(duì)爆炸超壓及火焰加速的影響，較少涉及開(kāi)敞空間(如海洋平臺(tái)上部模塊)內(nèi)火災(zāi)、爆炸現(xiàn)象。例如，浮式生產(chǎn)系統(tǒng)FPSO的油氣生產(chǎn)處理設(shè)施主要布置在露天上部模塊，同樣存在較大的油氣泄漏及火災(zāi)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此，海洋平臺(tái)開(kāi)敞空間油氣火災(zāi)、爆炸現(xiàn)象及相關(guān)理論研究應(yīng)引起重視，將成為今后試驗(yàn)研究的重點(diǎn)。

3)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀ㄏ竽Ｐ陀?jì)算快，精度較差，適合工程應(yīng)用中對(duì)爆炸超壓的粗略評(píng)估。以CFD為代表的數(shù)值模擬方法能夠考慮影響氣體爆炸的眾多因素，模擬精度高，優(yōu)勢(shì)明顯，在可燃?xì)怏w爆炸場(chǎng)預(yù)測(cè)方面將得到更廣泛應(yīng)用。但數(shù)值仿真技術(shù)還存在一定局限性，例如目前還不能精確模擬湍流燃燒流動(dòng)，還需國(guó)內(nèi)外學(xué)者在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行不斷完善，提高模型適用性和可靠性。

4)基于CFD和非線(xiàn)性有限元理論的數(shù)值仿真技術(shù)已成為海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)、爆炸載荷及結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究的主流方法。但需要指出，結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)全面地考慮失效概率和失效后果兩方面因素。目前國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)主要集中在海洋平臺(tái)油氣火災(zāi)、爆炸失效后果分析方面，真正從風(fēng)險(xiǎn)角度綜合考慮失效后果和失效概率的研究相對(duì)匱乏，還需進(jìn)一步研究。

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