駱正山，張寧寧，張新生

（西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西西安710055）

海上油氣平臺泄漏池火災(zāi)害研究*

駱正山，張寧寧，張新生

（西安建筑科技大學(xué)管理學(xué)院，陜西西安710055）

海上油氣平臺泄漏引發(fā)的火災(zāi)會給人身安全和財產(chǎn)安全造成巨大的損失。為了研究池火災(zāi)害的基本特征和破壞規(guī)律，對海上油氣平臺池火災(zāi)害建立各參數(shù)模型，并采用Mudan提出的熱輻射通量計算分析方法。以某輕質(zhì)原油為例，分析目標(biāo)距離液池中心水平距離的大小與熱輻射通量的傳播規(guī)律之間的關(guān)系。結(jié)果表明，目標(biāo)接受熱輻射通量的下降速度隨水平距離的增大有先快后慢的特點，且距離液池中心越近，人身財產(chǎn)受到的傷害就越大。因此，對海上油氣平臺池火災(zāi)害進行研究可以為減少人員傷亡和財產(chǎn)損失提供有力的指導(dǎo)，并對海上油氣平臺和管道的安全運行有現(xiàn)實意義。

海上油氣平臺；池火災(zāi)害；參數(shù)模型；熱輻射通量；人員傷亡

隨著油氣勘探從陸上轉(zhuǎn)向海洋，海上油氣開發(fā)平臺災(zāi)害風(fēng)險評估也成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點問題。由于海上油氣平臺分布著各種電氣設(shè)施和油氣管道且平臺空間有限，因此一旦發(fā)生油氣泄漏就有可能導(dǎo)致池火災(zāi)害的發(fā)生，進而會造成人員傷亡和財產(chǎn)損失［1-2］。而且池火災(zāi)害會產(chǎn)生強烈的熱輻射，對周邊群眾的安全造成威脅，使救援人員難以靠近［3］。目前國內(nèi)外很多學(xué)者已對池火災(zāi)害進行了研究。例如，1950-1980年代的Rew P J和Hulbert在詳細閱讀了大量相關(guān)論文的基礎(chǔ)上討論了當(dāng)前池火熱輻射模型的研究現(xiàn)狀［4］；孫標(biāo)和郭開華對常用的熱輻射模型（點源模型、LNGFire3和PoFMISE模型）做了對比研究，并研究了風(fēng)速、環(huán)境溫度和濕度等因素對LNG池火熱輻射安全距離的影響［5］；開方明、馬夏康等人建立了油罐區(qū)泄漏瞬時排放和連續(xù)排放的油氣擴散數(shù)學(xué)模型以及目標(biāo)接受的熱輻射通量模型［6］。然而這些研究大多集中在陸上管道泄漏引發(fā)的池火災(zāi)害分析上，對海上平臺泄漏引發(fā)的池火災(zāi)害的研究目前還是一片空白。本文通過建立海上油氣平臺泄漏速率、特性參數(shù)及熱輻射強度模型，對池火災(zāi)害的基本特性、破壞規(guī)律進行分析研究，并結(jié)合案例對池火災(zāi)害產(chǎn)生的熱輻射通量的傳播規(guī)律進行分析總結(jié)，為以后池火火災(zāi)的預(yù)防和保證設(shè)施的安全運行有著重要的指導(dǎo)意義，對減少經(jīng)濟損失以及對危害后果進行評估和預(yù)測有著重要意義［7］。

1 泄漏速率模型

泄漏事故的發(fā)生是造成海上油氣平臺池火災(zāi)害的根本原因，導(dǎo)致泄漏事故發(fā)生的原因主要有管件失效、腐蝕和錯誤操作等。海上油氣平臺上出現(xiàn)以上情形中的一種或多種，就有可能導(dǎo)致油氣泄漏從而引發(fā)池火災(zāi)害，并且平臺上發(fā)生油氣泄漏事故時會出現(xiàn)氣、液兩相流動現(xiàn)象，因此本文對平臺泄漏采用兩相流動泄漏模型，相應(yīng)的計算公式［8］為：

式中：Q0為兩相流泄漏速率，kg／s；Cd為兩相流泄漏系數(shù)，可取0.8；A為裂口面積，m2；P為兩相混合物壓力，Pa；Pc為臨界壓力，Pa，可取Pc＝0.55（Pa）；ρ為兩相混合物的平均密度，kg／m3；ρ1為氣體密度，kg／m3；ρ2為液體密度，kg／m3；FV為氣體占總量的比例；CP為兩相混合物的定壓比熱容，kJ／（kg·K）；T為兩相混合物的溫度，K；Tc為臨界溫度，K；H為汽化熱，kJ／kg。

相關(guān)火災(zāi)研究表明在對池火災(zāi)害進行研究時FV的值不可能大于或等于1。所以，F(xiàn)V∈（0，1），并且FV如果很小，那么海上油氣平臺上的泄漏速率可以近似按液體泄漏公式進行計算。因此，建立兩相流動泄漏模型避免了早期對油氣泄漏導(dǎo)致的池火災(zāi)害研究只考慮液體流動現(xiàn)象的缺陷，更能準(zhǔn)確地反映出氣體與液體分別對油氣泄漏速率的影響。

2 池火災(zāi)害模型

油氣泄漏后聚集在開發(fā)平臺上形成平面液池，遇明火燃燒并迅速在液體表面進行傳播形成池火。池火火焰產(chǎn)生的強烈熱輻射不僅會危害人員、設(shè)備，而且還會威脅海洋生態(tài)環(huán)境。下面通過對池火各特征參數(shù)和產(chǎn)生的熱輻射進行研究來分析池火災(zāi)害的危害程度和范圍。

2.1 特征參數(shù)模型

對海上平臺由于泄漏原因造成的池火災(zāi)害基本特性分析選取圓柱形池火為研究對象，主要研究的特征參數(shù)有池火的燃燒速度、液池的當(dāng)量直徑、池火火焰高度和火焰傾斜角。

（1）燃燒速度

當(dāng)周圍環(huán)境溫度小于液池中的油氣沸點時，液體表面上單位面積的質(zhì)量燃燒速度計算公式為［9］：

反之，周圍環(huán)境溫度高于液池中的油氣沸點時，液體表面上單位面積的質(zhì)量燃燒速度的計算公式為：

式中：m0為液體的質(zhì)量燃燒速度，kg／m2·s；Hc為液體燃燒熱，kJ／kg；H0為液體的汽化熱，kJ／kg；CP為液體的定壓比熱容，kJ／（kg·K）；Tb為液體常壓沸點，K；T0為環(huán)境溫度，K。

（2）液池的當(dāng)量直徑

液池的大小決定著池火災(zāi)害產(chǎn)生危害的程度。假定建立池火災(zāi)害模型時選取池火火焰為圓柱形、液池形狀為圓形為研究對象，因此就要把不規(guī)則形狀的液池將其轉(zhuǎn)換為圓形，則轉(zhuǎn)換圓形的當(dāng)量直徑的表達式如下所示。

式中：S為液池面積，m2；D為液池當(dāng)量直徑，m；π通常取3.14。

（3）火焰高度

風(fēng)速、液池大小、周圍環(huán)境空氣密度都是影響海上油氣平臺池火火焰高度的重要因素，因此在考慮風(fēng)速影響的情況下火焰高度的計算公式如下所示。

式中：L為火焰高度，m；D為液池直徑（火焰直徑），m；m0為液體單位面積的質(zhì)量燃燒速度，kg／m2·s；g為引力常數(shù)，一般取9.81 m／s2；ρ0為周圍環(huán)境空氣的密度，kg／m3；μw為10 m高處的風(fēng)速，m／s；μ0為特征風(fēng)速，m／s。

（4）火焰傾角

海上平臺上的池火火焰遇風(fēng)發(fā)生傾斜，采用傾斜角來表示火焰傾斜程度，則傾斜角的大小的可以通過下式計算。

式中：α為火焰傾斜角，（°）；μw為10 m高處的風(fēng)速，m／s；D為直徑，m；υo為空氣的動粘度，m2／s。

2.2 熱輻射模型

通常池火火焰向外發(fā)散的輻射可以通過兩種方法得到：一種是假定一定分?jǐn)?shù)的燃燒能量作為輻射發(fā)散出來；另一種是用關(guān)系式定義火焰的表面發(fā)射能量，在研究熱輻射災(zāi)害中這種方法被廣泛使用［10］。本文采用這種關(guān)系式定義法并利用上述建立的火焰高度等參數(shù)模型來建立池火相關(guān)熱輻射模型。

（1）總輻射通量

首先假定火焰產(chǎn)生的能量由圓柱體火焰?zhèn)让婧晚敳肯蛑車鶆蜉椛洌敲闯鼗鸹鹧娴目傒椛淠芰喀涤嬎愎綖椋?1］：

式中：Φ為總輻射能量，kW；D為液池直徑，m；L為池火火焰高度，m；π為圓周率，其值取3.14；m0為液體單位面積的質(zhì)量燃燒速度，kg／m2·s；Hc為液體燃燒熱，kJ／kg；η為效率因子，其值取0.2。

（2）火焰表面熱輻射通量

假設(shè)池火火焰為圓柱形，則可燃液體產(chǎn)生的池火火焰表面熱輻射通量計算公式如下所示。

表1 不同熱輻射強度引起的傷害

對于本文研究的油池火而言，表面熱輻射通量為Δ×（1－ε）＋20×ε，其中ε為0.8。式中：Δ為火焰表面平均熱輻射通量，kW／m2；m0為油氣的單位面積的質(zhì)量燃燒速度，kg／m2·s；D為液池直徑，m；Hc為液體燃燒熱，kJ／kg；γ為熱輻射系數(shù)，其值取0.2；L為火焰高度，m。

（3）目標(biāo)接受熱輻射通量

池火產(chǎn)生的最主要的危害是火焰所產(chǎn)生的熱輻射，本文采用Mudan提出的估算目標(biāo)接受池火熱輻射通量的模型，可以通過下式計算：

式中：x為目標(biāo)距離液池中心的水平距離，m；δ為池火火焰對距離液池中心水平距離x的某一處目標(biāo)接受的熱輻射通量，kW／m2；Δ為火焰表面平均熱輻射通量，kW／m2；F為視角系數(shù)；τ為大氣透射率。

視角系數(shù)F的計算公式如下［12］：

式中：

式中：S為目標(biāo)到火焰垂直軸的距離與火焰半徑的比值；h為火焰高度與火焰半徑的比值；a，b，K，Vv，A，B為中間變量。

由于上式計算量非常大且計算復(fù)雜容易出錯，因此計算視角系數(shù)時可采用如下簡化公式：

3 熱輻射危害

海上油氣平臺池火災(zāi)害上部有無約束空間，充足的氧氣，可以達到完全燃燒狀態(tài)且燃燒形態(tài)上呈圓柱形。這種情況下，池火災(zāi)害對人員、設(shè)備及周圍環(huán)境的影響主要在于其所產(chǎn)生的強烈的熱輻射。強烈的熱輻射會造成一定程度上的人員傷亡及財產(chǎn)損失等，人員和設(shè)備遭受的損害程度取決于其所接受的熱輻射通量和暴露時間［13］。

海上油氣平臺池火災(zāi)害產(chǎn)生的熱輻射會引起周圍環(huán)境溫度升高。當(dāng)熱輻射足夠大時，周圍設(shè)備壓力會增加，材質(zhì)許用應(yīng)力會發(fā)生變化，周圍物體會發(fā)生變形甚至出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象。表1所示為不同熱輻射值對設(shè)備、人員的傷害及傷害半徑，其中Q0是上面介紹過的泄漏速率。

由表1可知，隨著目標(biāo)接受的熱輻射強度的增大，設(shè)備、人員受到的損害就越大，相應(yīng)的傷害半徑則有不同程度的減小。當(dāng)熱輻射強度達到35 kW／m2左右時，設(shè)備會遭到嚴(yán)重損害，人員的死亡率很高，傷害半徑很小，這時人員遇到池火災(zāi)害很難逃離現(xiàn)場。當(dāng)熱輻射強度達到1.6 kW／m2時，人員、設(shè)備基本不受熱輻射的影響，若造成傷害則需要很長一段時間，這時人們遇到池火災(zāi)害可以趁機逃離火災(zāi)現(xiàn)場。

4 計算實例

應(yīng)用上前面介紹的池火的相關(guān)模型來計算下面的實例。已知某輕質(zhì)原油的燃燒熱為4.443×104kJ／kg，定壓比熱為1.70 kJ／（kg·K），液體常壓沸點為398.8 K，環(huán)境溫度為293.1 K，液體的汽化熱為400 kJ／kg，周圍環(huán)境的空氣密度為1.259 kg／m3，泄漏為持續(xù)泄漏，泄漏時間為3.6×103s，原油體積為8.5×104m3，泄漏面積為1.44×104m2，10m處的風(fēng)速為5 m／s。計算此池火災(zāi)害的各特征參數(shù)值如表2所示。

表2 火焰各參數(shù)值

利用表2所得的火焰表面熱輻射通量Δ以及上述F和τ的計算模型可以進一步求出一定距離處的目標(biāo)接受的熱輻通量值，相關(guān)計算如下所示。

距離為10 m時：

距離為30 m時：

距離為90 m時：

距離為160 m時：

表3 一定距離處目標(biāo)接受的熱輻射通量值

由表3可知距離液池中心較近時，目標(biāo)接受的熱輻射通量非常大，且熱輻射通量的下降速度非常迅速。隨后隨著水平距離的逐漸增加，熱輻射通量的下降速度卻逐漸變慢。因此，距離液池中心越小，目標(biāo)受到的熱輻射通量越大，受到的危害也就越大。本文可以設(shè)定一個對人員基本無影響經(jīng)濟損失極小的安全輻射通量，得出安全距離，只要控制人員、設(shè)備在安全距離中就可以免受災(zāi)害，本例安全距離可以設(shè)定為400 m之外。

5 結(jié)論

筆者經(jīng)過綜合全面的分析，選擇了一些較為成熟、先進的方法，并在建立海上平臺油氣泄漏速率模型時，在傳統(tǒng)的池火泄漏速率模型的基礎(chǔ)上考慮了氣體對整個泄漏速率的影響，并提出了海上油氣平臺泄漏池火災(zāi)害的熱輻射危害準(zhǔn)則，最后結(jié)合案例分析得到池火災(zāi)害的熱輻射通量傳播規(guī)律。

開展海上油氣平臺泄漏池火災(zāi)害的特性參數(shù)計算、熱輻射危害準(zhǔn)則和熱輻射通量傳播規(guī)律，有助于科學(xué)的預(yù)測池火熱輻射的危害程度、危害范圍和使人員、設(shè)備免受危害的安全距離，并為以后制定池火災(zāi)害事故應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)，從而可以達到降低風(fēng)險、減少經(jīng)濟損失及人員傷亡的目的，保證海上油氣平臺的安全運行。

［1］ 駱正山，顧建榮，何宏璧.陸上長輸石油管道泄漏池火災(zāi)害分析［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（2）：1-3.

［2］ 翁永基.油氣管道泄漏事故的定量風(fēng)險評價［J］.石油學(xué)報，2004，25（5）：108-112.

［3］ 劉志勇.池火火災(zāi)模型及傷害特征研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2009，28（11）：803-805.

［4］ Rew P J，HulbertW G.Development of pool Fire Thermal Radiation Model［R］.HSE Contractor Report WSA／RSU8000／018，1995.

［5］ 孫標(biāo)，郭開華.LNG池火熱輻射模型及安全距離影響因素研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，20（9）：51-55.

［6］ 開方明，馬夏康，尹謝平，等.油儲罐泄漏及火災(zāi)危險危害評價［J］.安全與環(huán)境學(xué)報，2004，4（3）：3-6.

［7］ 崔輝，徐志勝，宋文華，等.有毒氣體危害區(qū)域劃分之臨界濃度標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.災(zāi)害學(xué)，2008，23（3）：80-84.

［8］ 《管道完整性管理技術(shù)》編委會.管道完整性管理技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2011.

［9］ 蔡賓斌.油池火熱輻射危害模型計算及對比分析研究［J］.中國應(yīng)急援救，2013（2）：47-50.

［10］宋雪飛，陸建輝.海洋平臺池火火災(zāi)模型概述［J］.石油工程建設(shè)，2011，37（2）：1-4.

［11］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.危險化學(xué)品安全評價［M］.北京：中國石化出版社，2003，147-150.

［12］胡超，朱國慶，吳維華，等.池火危害模型化計算分析研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2011，30（7）：571-572.

［13］駱正山，王小完.基于天然氣泄漏的危害性分析及應(yīng)用［J］.災(zāi)害學(xué)，2009，24（1）：98-100.

The Hazard Analysis of the Pool Fire Based on the O ffshore Oil and Gas Platform s Leakage

Luo Zhengshan，Zhang Ningning and Zhang Xinsheng
（School of Management，Xi’an University of Architecture＆Technology，Xi’an 710055 China）

Fires caused by offshore oil and gas platform Leakage can cause huge losses to personal property safety.To study the basic characteristics of pool fire hazard and the propagation of thermal radiation of flame，the parametersmodels based on offshore oil and gas platform are established and the thermal radiation flux calculation method proposed by Mudan is used.With a light crude oil as an example，the impact of the atmospheric transmittance and view factor on thermal radiation fluxes the target accepts are analyzed.The decline speed based on the thermal radiation flux target accepts is showed from the results has the characteristic of fast to slow，and the closer distances from the center of the liquid pool，the greater the damage to personal property.Therefore，the study based on the offshore oil and gas platform pool hazard can provide powerful guidance to reduce casualties and property losses and has practical significance to the safe operation of offshore oil and gas platform and pipeline.

offshore oil and gas platform；pool hazard；parametersmodels；thermal radiation flux；casualties

X43；X45；X93

A

1000-811X（2015）04-0039-05

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.008

駱正山，張寧寧，張新生.海上油氣平臺泄漏池火災(zāi)害研究［J］.災(zāi)害學(xué)，2015，30（4）：39-42.［Luo Zhengshan，Zhang Ningning and Zhang Xinsheng.The Hazard Analysis of the Pool Fire Based on the Offshore Oil and gas Platforms Leakage［J］.Journal of Catastrophology，2015，30（4）：39-42.］

2015-04-03

2015-05-27

國家自然科學(xué)基金項目“陸上油氣管線風(fēng)險評估技術(shù)研究”（61271278）；陜西省重點學(xué)科建設(shè)專項資金資助項目“管理科學(xué)與工程重點學(xué)科”（E08001）；陜西省教育廳自然科學(xué)基金“基于可靠性的海上油氣管道風(fēng)險評估技術(shù)研究”（14JK1416）

駱正山（1969-），男，陜西漢中人，博士，教授，主要從事管道風(fēng)險評估理論、建模與方法、企業(yè)信息化方面的教學(xué)和科研工作.E-mail：luozhengshan＠163.com