楊冬平，陳國(guó)明，牛更奇，李晶晶，郭愛洪，師吉浩，常 琳，高莎莎

(1.中國(guó)石化勝利油田技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng) 2570622.中國(guó)石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 2665803.公安部天津消防研究所，天津 300381)

海洋平臺(tái)作為海上油氣開發(fā)主要設(shè)施，具有造價(jià)高昂、結(jié)構(gòu)緊湊、高度擁擠、逃生困難、所涉及物料易燃易爆等特點(diǎn)，較容易發(fā)生火災(zāi)事故，且往往造成災(zāi)難性后果并引發(fā)多米諾效應(yīng)。

近年來(lái)全球多次發(fā)生平臺(tái)重大火災(zāi)事故，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，也造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和不良社會(huì)影響[1-3]。針對(duì)淺海油氣開發(fā)過(guò)程中的平臺(tái)火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)，建立相應(yīng)的火災(zāi)數(shù)值分析模型，研究導(dǎo)致事故發(fā)生的災(zāi)變機(jī)理和事故后果，為今后開展海上平臺(tái)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析和防范提供可靠的理論支持。

1 淺海平臺(tái)火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

1.1 淺海平臺(tái)火災(zāi)特點(diǎn)

a)燃燒蔓延速度快。平臺(tái)上存在大量的易燃物質(zhì)，且空間緊湊、距離小，容易順著電線、出入口或者其他易燃物質(zhì)蔓延至四周，短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散成大面積的立體火災(zāi)。

b)火災(zāi)載荷大，煙氣濃且多。平臺(tái)在油氣開采、試油、生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中接觸到大量油氣，油氣蔓延可能擴(kuò)大平臺(tái)的危險(xiǎn)區(qū)域，并形成較高的火災(zāi)載荷。

c)救援難度大。淺海平臺(tái)是離開陸地的相對(duì)獨(dú)立場(chǎng)所，在初期難以依靠外界救援。其空間狹小發(fā)生火災(zāi)時(shí)平臺(tái)人員撲救存在一定難度。海洋環(huán)境如海流、風(fēng)力等也會(huì)影響救援船舶的靠近。

d)損失嚴(yán)重?；馂?zāi)事故一旦發(fā)生，若不能及時(shí)救援，易于造成人員傷亡。平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)耐火性能差，易存在結(jié)構(gòu)變形、坍塌、設(shè)備破壞，易于造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和惡劣的社會(huì)影響。

1.2 淺海平臺(tái)火災(zāi)類型

淺海平臺(tái)火災(zāi)類型主要分為4種：噴射火、池火、球火和閃火，其中噴射火和池火發(fā)生概率較大。

a)噴射火：平臺(tái)油氣泄漏前具有初始動(dòng)量，突然釋放時(shí)一旦遇到點(diǎn)火源就會(huì)被點(diǎn)燃引發(fā)火災(zāi)，同火焰噴射器一樣，形成噴射火。

b)池火：石油泄漏形成液池，遇到火源而引起的火災(zāi)。平臺(tái)所有油氣工藝物質(zhì)單元都可能導(dǎo)致池火。池火還可以發(fā)生在海面上，影響或損壞逃生、撤離和援救設(shè)備。

c)閃火：當(dāng)泄漏氣體或所形成的蒸氣云到空氣中與之混合并被延遲點(diǎn)燃時(shí)所發(fā)生的非爆炸性的蒸氣云燃燒過(guò)程。

d)球火：瞬間泄漏的天然氣立即被點(diǎn)燃，燃料的快速湍流燃燒將形成球火，以火焰球上升和迅速擴(kuò)大形式存在。

2 淺海平臺(tái)火災(zāi)數(shù)值模型

2.1 火災(zāi)模型與過(guò)程求解

火災(zāi)模型指運(yùn)用物理量來(lái)描述火災(zāi)從某一位置燃燒，向周圍地區(qū)擴(kuò)散并傳播火焰和熱量的過(guò)程，其求解結(jié)果可以為各類火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估和消防決策提供定量依據(jù)。

火災(zāi)的數(shù)值求解過(guò)程如圖1所示，雖然人們?cè)缇屯茖?dǎo)出反應(yīng)流控制方程組，但由于各方程本身的強(qiáng)非線性以及方程之間的非線性耦合，導(dǎo)致絕大部分的情況都無(wú)法得到方程的解析解。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和燃燒計(jì)算理論的發(fā)展，相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，為燃燒火災(zāi)的模擬提供了技術(shù)支持。

2.2 模型假定及邊界條件[4,5]

以淺海某油田中心平臺(tái)組為研究對(duì)象，該平臺(tái)組包括消防平臺(tái)、生活平臺(tái)、動(dòng)力平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)、儲(chǔ)油平臺(tái)和連接各個(gè)平臺(tái)的棧橋，結(jié)構(gòu)布局見圖2所示。其中生產(chǎn)平臺(tái)和儲(chǔ)油平臺(tái)是發(fā)生油氣火災(zāi)的高度危險(xiǎn)區(qū)域，危險(xiǎn)設(shè)備包括計(jì)量加熱器、計(jì)量分離器、閉式排放罐、高效三相分離器、生產(chǎn)分離器和儲(chǔ)油罐等。平臺(tái)上的復(fù)雜危險(xiǎn)設(shè)備，采用實(shí)體分解近似模擬建模，并且綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度前提下簡(jiǎn)化對(duì)火災(zāi)模擬影響較低的結(jié)構(gòu)和設(shè)備。

圖1 火災(zāi)模型數(shù)值求解步驟

圖2 中心平臺(tái)組火災(zāi)分析模型

泄漏影響的主要參數(shù)是泄漏口的尺寸和形狀?？仔孤┦亲顬橹饕男孤┬问?，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，流動(dòng)過(guò)程中不同能量遵守方程如下：

(1)

假設(shè)泄漏密度為常數(shù)、軸功為0、摩擦損失用流出系數(shù)代替，則面積A的小孔泄漏質(zhì)量流率為

(2)

式中，Pg——壓強(qiáng)，Pa；

g——重力矢量，m/s2；

ρ——密度，kg/m3；

α——修正系數(shù)；

z——高度，m；

Ws——軸功，N·m；

m——質(zhì)量流速，kg/s；

C0——流出系數(shù)。

按照APIRP579相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以圓形作為泄漏口形狀，三種不同泄漏量的模擬狀況計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2.3 火災(zāi)危險(xiǎn)性判別準(zhǔn)則

油氣燃燒產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射 方式向四周傳播，火焰和熱輻射可能會(huì)引起人員燒傷甚至死亡，設(shè)備損壞?；馂?zāi)熱輻射危險(xiǎn)判據(jù)見表2[6]。

表1 不同孔徑下泄漏狀況

表2 火災(zāi)熱輻射危險(xiǎn)性判據(jù)

當(dāng)火場(chǎng)環(huán)境溫度高于180 ℃時(shí)，會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害；當(dāng)煙氣層下降到與人體直接接觸高度時(shí)，臨界值達(dá)到115 ℃以上人體燒傷；溫度高于88 ℃時(shí)，人體體溫在10 min內(nèi)達(dá)到臨界值，處于危險(xiǎn)狀態(tài)；處于43～48 ℃會(huì)影響人正常思維和行為；火災(zāi)及煙氣會(huì)造成人員恐慌，影響控制火勢(shì)或救援。

在火災(zāi)高溫高熱作用下，平臺(tái)各容器內(nèi)介質(zhì)膨脹超壓，設(shè)備設(shè)施結(jié)構(gòu)耐火性降低會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形或毀損；甲板結(jié)構(gòu)支撐能力下降失去穩(wěn)定性和承載能力，可能會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)，擴(kuò)大火災(zāi)后果。

3 平臺(tái)火災(zāi)事故后果評(píng)估

3.1 三相分離器噴射火事故后果

3.1.1火災(zāi)事故場(chǎng)景假設(shè)

三相分離器及其管線屬于高壓設(shè)備，發(fā)生破裂造成油氣泄漏的概率最大。泄漏時(shí)氣體及蒸汽在壓力下高速噴出，其夾雜的固體顆粒或者液體雜質(zhì)與泄漏口摩擦產(chǎn)生靜電，放電火花引起泄漏氣液體燃燒引發(fā)噴射火，會(huì)嚴(yán)重威脅平臺(tái)安全。假設(shè)發(fā)生泄漏后立即燃燒，三相分離器操作壓力為11 MPa，泄漏孔位于最易被腐蝕的分離器與管道連接處，泄漏為水平無(wú)阻擋噴射，泄漏類型為小于0.041 m3/s的小量持續(xù)泄漏，事故環(huán)境為全開放空間無(wú)風(fēng)條件。

3.1.2火災(zāi)發(fā)展過(guò)程

火災(zāi)發(fā)生后，在不到2 s時(shí)噴射火火焰已經(jīng)接近4 m，3.6 s時(shí)火焰已達(dá)到7 m處的計(jì)量分離器位置，10 s時(shí)火焰形狀基本穩(wěn)定，長(zhǎng)度保持在10 m左右，火焰高度達(dá)到20 m。同時(shí)煙氣量顯著增加，由于計(jì)量分離器和天然氣洗滌器的阻擋在一定程度上將噴射火V形噴射形狀改變并且橫向擴(kuò)大火焰面積。三相分離器火災(zāi)事故模擬部分結(jié)果見圖3。

3.1.3火災(zāi)事故分析

臨近設(shè)備含有油氣等易燃易爆物質(zhì)，距離噴射孔10 m范圍內(nèi)的設(shè)備安全受到嚴(yán)重威脅。操作人員在現(xiàn)場(chǎng)會(huì)存在燒傷危險(xiǎn)和死亡威脅。15 m以外是安全區(qū)域，人員和設(shè)備均無(wú)傷亡威脅。

計(jì)量分離器附近峰值為355 ℃。分離器及其附近管線安全與穩(wěn)定性能受到威脅，可能出現(xiàn)一定程度變形和損壞，增加油氣泄漏可能性，易引發(fā)連鎖反應(yīng)擴(kuò)大事故后果。

距離噴射口噴射垂直方向3 m范圍內(nèi)熱輻射強(qiáng)度在35 kW/m2以上，存在設(shè)備全部損壞和1 min內(nèi)人員100%死亡危險(xiǎn)。在6 m范圍內(nèi)熱輻射強(qiáng)度在10 kW/m2，設(shè)備可能會(huì)受到輕微損傷，人員存在燒傷危險(xiǎn)性。

圖3 三相分離器火災(zāi)事故模擬

3.2 管線交叉處噴射火事故后果

3.2.1火災(zāi)事故場(chǎng)景假設(shè)

假設(shè)在計(jì)量分離器和三相分離器之間管線連接處由于人員焊接不牢或者在使用過(guò)程中維護(hù)不當(dāng)?shù)仍虬l(fā)生泄漏，泄漏后立即燃燒。噴射方向正對(duì)著棧橋Y+向，水平無(wú)阻擋噴射。

3.2.2火災(zāi)發(fā)展過(guò)程

1.68 s時(shí)噴射火火焰長(zhǎng)度達(dá)到5 m，越過(guò)生產(chǎn)平臺(tái)甲板蔓延至與生產(chǎn)平臺(tái)相連的棧橋。3.66 s時(shí)火焰已達(dá)到棧橋中心點(diǎn)，噴射距離13 m并且火焰出現(xiàn)較大幅度抬升。9 s火焰到達(dá)儲(chǔ)油平臺(tái)但遇到棧橋末端的浮頭式換熱器阻擋火焰形狀出現(xiàn)變化。10 s時(shí)火焰基本穩(wěn)定，長(zhǎng)度保持在20 m左右，同時(shí)煙氣量顯著增加。管線交叉處火災(zāi)事故模擬部分結(jié)果見圖4。

圖4 管線交叉火災(zāi)事故模擬

3.2.3火災(zāi)事故分析

生產(chǎn)平臺(tái)噴射口15 m范圍內(nèi)熱輻射強(qiáng)度均超過(guò)臨界值，在此范圍內(nèi)設(shè)備連續(xù)暴露30 min以上會(huì)被嚴(yán)重破壞甚至燒盡，三相分離器末端、儲(chǔ)油罐和棧橋應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)，提前采取減輕事故后果措施。同時(shí)人員在1 min若不能及時(shí)逃生，將有死亡威脅。

管線和棧橋熱輻射強(qiáng)度均在短短幾秒之內(nèi)達(dá)到損壞臨界值，設(shè)備裝置強(qiáng)度迅速降低，暴露30 min以上可能會(huì)引起管線坍塌、管內(nèi)原油泄漏造成二次事故，并且棧橋由于熱輻射強(qiáng)度影響存在坍塌危險(xiǎn)性，影響人員逃生和增大事故救援難度。

3.3 生產(chǎn)平臺(tái)池火事故后果

3.3.1火災(zāi)事故場(chǎng)景假設(shè)

假設(shè)生產(chǎn)平臺(tái)計(jì)量分離器、高效三相分離器和連接管線由于人員失誤、設(shè)備失效、管理等原因造成油管和設(shè)備發(fā)生油氣泄漏，在甲板表面形成15 m×10 m×0.3 m的油池。一定溫度下原油蒸發(fā)在表面形成原油蒸氣。在油池表面上方存在點(diǎn)火源。平臺(tái)所處外部空間為全部開放狀態(tài)，無(wú)風(fēng)條件、常壓。

3.3.2火災(zāi)發(fā)展過(guò)程

在0～10 s火焰初期火勢(shì)增長(zhǎng)緩慢，10～35 s之間呈t2增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，40 s后熱釋放速率穩(wěn)定進(jìn)入發(fā)展期。

生產(chǎn)平臺(tái)池火火災(zāi)事故模擬部分結(jié)果見圖5。

圖5 生產(chǎn)平臺(tái)池火火災(zāi)事故模擬

3.3.3火災(zāi)事故分析

火災(zāi)進(jìn)入穩(wěn)定期后，由于煙氣不斷向周圍開放環(huán)境擴(kuò)散，油池四周溫度比中心溫度高，整體溫度300 ℃以上，人員在此環(huán)境中10 s內(nèi)100%死亡。

分離器之間管線受影響較大，溫度在600 ℃以上鋼材20 min內(nèi)基本喪失全部強(qiáng)度，管線安全與穩(wěn)定性能受到較大考驗(yàn)。

燃燒18.2 s之后三相分離器和閉式排放罐靠近油池部位熱輻射值超過(guò)臨界值，待進(jìn)入燃燒穩(wěn)定期后危險(xiǎn)區(qū)域擴(kuò)大到油池及其附近3 m，處于其中的分離器、管線、天然氣加熱器等均在30 min遭到嚴(yán)重?fù)p壞、鋼結(jié)構(gòu)坍塌，1 min操作人員死亡可能性100%。

3.4 儲(chǔ)罐平臺(tái)池火事故后果

3.4.1火災(zāi)事故場(chǎng)景假設(shè)

假設(shè)儲(chǔ)油平臺(tái)油罐發(fā)生泄漏，泄漏的原油在防火堤內(nèi)聚集。在某一點(diǎn)遇到明火點(diǎn)火源燃燒，隨后火災(zāi)逐漸擴(kuò)大?；馂?zāi)模擬時(shí)間為120 s，油罐提前有防火層等保護(hù)措施，在模擬時(shí)間內(nèi)油罐沒(méi)有出現(xiàn)坍塌等危險(xiǎn)，罐內(nèi)原油還未燃燒。并且根據(jù)事故最大化原則，不考慮噴淋設(shè)施和人工應(yīng)急措施的啟動(dòng)。

3.4.2火災(zāi)發(fā)展過(guò)程

在0～10 s火焰初期火勢(shì)增長(zhǎng)緩慢，10～60 s熱釋放速率直線上升。60～80 s之間出現(xiàn)暫時(shí)性穩(wěn)定，火焰燃燒速度增長(zhǎng)緩慢，80～100 s火災(zāi)功率直線上升但是增長(zhǎng)速率降低，90 s之后整個(gè)油池已經(jīng)完全燃燒。以90 s作為燃燒分界點(diǎn)，之前為快速增長(zhǎng)期，之后是穩(wěn)定期。儲(chǔ)罐平臺(tái)池火火災(zāi)事故模擬部分結(jié)果見圖6。

3.4.3火災(zāi)事故后果

油池燃燒面積僅局限于防火堤內(nèi)區(qū)域，可以3 m作為最小安全間距，人員工作區(qū)域劃分、設(shè)備和應(yīng)急開關(guān)等布置盡量在安全區(qū)域以外。

棧橋表面溫度均維持在環(huán)境溫度11.7 ℃，在1.5 m高度處右側(cè)棧橋相對(duì)較危險(xiǎn)。40 s之后穩(wěn)定在80 ℃，根據(jù)溫度危險(xiǎn)性判別準(zhǔn)則，10 min內(nèi)將達(dá)到人體承溫極限值會(huì)處于危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖6 儲(chǔ)罐平臺(tái)池火火災(zāi)事故模擬

相比較溫度影響范圍和程度，熱輻射是主導(dǎo)因素。火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定后危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)橛统丶捌涓浇? m處。油罐整體受到較大影響，結(jié)合熱輻射和溫度分析而言，油罐受到熱輻射影響較大，30 min內(nèi)應(yīng)采取緊急措施進(jìn)行處理。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

a)三相分離器噴射火在小于0.041 m3/s時(shí)火焰垂直方向15 m與水平方向5 m以外較安全，人體無(wú)死亡威脅。危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)計(jì)量分離器、三相分離器以及連接管線是受到影響最嚴(yán)重的，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)防護(hù)。

b)管線交叉處噴射火在小泄漏情況下火焰最大長(zhǎng)度為20 m，距離噴射火焰軸向5 m以外區(qū)域基本不構(gòu)成威脅。棧橋存在坍塌和引發(fā)原油泄漏危險(xiǎn)性，應(yīng)制定安全對(duì)策措施進(jìn)行防范。

c)平臺(tái)發(fā)生池火災(zāi)時(shí)，熱輻射是主要的致災(zāi)因素，油池及其附近3 m內(nèi)是主要危險(xiǎn)區(qū)域。處于危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)備30 min嚴(yán)重?fù)p壞、操作人員1 min死亡可能性100%。

4.2 展望

a)目前平臺(tái)設(shè)計(jì)很少進(jìn)行平臺(tái)油氣火災(zāi)事故后果評(píng)估，由于平臺(tái)火災(zāi)導(dǎo)致后果的毀滅性，建議在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)考慮進(jìn)行火災(zāi)事故災(zāi)害評(píng)估，確?；馂?zāi)不能涉及重要的油氣管道和儲(chǔ)藏設(shè)施，要注重平臺(tái)的結(jié)構(gòu)布局，油氣工藝設(shè)施盡量遠(yuǎn)離平臺(tái)生活區(qū)域。

b)要降低平臺(tái)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，可以考慮從以下幾個(gè)方面采取措施，包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)布局、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、起火控制、溢漏控制、應(yīng)急系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、檢修和維護(hù)等。此外，增加對(duì)平臺(tái)作業(yè)人員的消防培訓(xùn)和應(yīng)急演練能有效控制火災(zāi)后果的惡化。

c)目前勝利海域存在大量的超期服役平臺(tái)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)平臺(tái)油氣工藝系統(tǒng)中的焊接連接、法蘭結(jié)構(gòu)、平臺(tái)立管等部位的腐蝕檢測(cè)，防止嚴(yán)重腐蝕導(dǎo)致泄漏的存在，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)平臺(tái)油氣探測(cè)、火災(zāi)探測(cè)和消防系統(tǒng)的檢測(cè)，確保海上油氣生產(chǎn)的可持續(xù)進(jìn)行。

d)目前缺乏詳細(xì)的淺海火災(zāi)事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，今后可進(jìn)一步對(duì)火災(zāi)事故發(fā)生概率、類型、后果等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和研究，以便得到更普遍有效的分析數(shù)據(jù)，同時(shí)，也可開展平臺(tái)煙氣對(duì)人員中毒窒息和逃生路線的影響。