劉博，陳文峰，鞠朋朋，楊施穎，席櫻瑞

(1. 海洋石油工程股份有限公司設計院，天津 300461；2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

海洋油氣混合物被開采至海洋平臺后，進入三相分離器進行段塞捕集和油氣水三相分離。三相分離器長期處于海水、霧氣的潮濕環(huán)境下，易發(fā)生腐蝕泄漏造成天然氣泄漏[1-3]，遇到點火源則易發(fā)生噴射火等火災[4-6]，噴射火的熱輻射對周圍的人員和設備造成不同程度的傷害和破壞[7-8]。周慶輝等[9]研究了不同空氣流速和天然氣泄漏速率下火災溫度場的分布情況，在空氣流速為1 m/s、天然氣泄漏速率為200 m/s時，火災溫度達到最高值。此外，周慶輝等[10]還研究了不同風速對火災溫度分布、二氧化碳濃度分布的影響，結果表明，徑向和軸向上火焰溫度均為分層傳遞，為避免受到灼傷，人員應至少與泄漏處保持10 m以上距離。安超等[11]研究了不同氣油比下油田集輸管道泄漏火災的危害程度，發(fā)現(xiàn)在氣油比高于200 m3/t時，相比原油泄漏的池火災，天然氣泄漏形成的噴射火為主要影響因素。

筆者以海洋平臺三相分離器為研究對象，分析了泄漏孔徑、三相分離器壓力、海洋風速變化對天然氣泄漏噴射火熱輻射特性的影響，以期為安全生產(chǎn)和制定應對安全管理措施提供參考。

1 三相分離器泄漏仿真模型

1.1 模擬參數(shù)設置

對某海洋平臺上三相分離器的泄漏情況進行模擬分析。三相分離器基本設備參數(shù)為：容積為40 m3，公稱直徑為2 500 mm，筒體長度為7 500 mm，工作壓力為1.0 MPa。

三相分離器主要用于初步分離油氣水，其中，經(jīng)過分離后天然氣的組成見表1。考慮泄漏孔徑、分離器壓力、環(huán)境風速等因素，研究各因素對天然氣泄漏火災熱輻射特性的影響，三相分離器壓力模擬梯度為0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 MPa，泄漏孔徑設置為20，40，60，80，100 mm，海洋風速設置為4，8，12，16，20 m/s。

表1 分離后天然氣組成

1.2 模型建立

采用PHAST軟件建立三相分離器泄漏模型，泄漏孔位于分離器上部，腐蝕類型為點蝕，如圖1所示。

圖1 三相分離器泄漏模型

泄漏孔位于三相分離器上部，天然氣從泄漏孔處向外噴射，泄漏孔孔徑為控制變量。

天然氣泄漏后遇明火形成噴射火會產(chǎn)生較強的熱輻射，對周圍的人員或者建筑物造成損害，海洋平臺設備布置較為緊湊大大增加了熱輻射對人員的傷害程度，熱輻射破壞準則見文獻[12]。

2 三相分離器點蝕天然氣泄漏火災熱輻射影響

2.1 泄漏孔徑對泄漏火災熱輻射的影響

環(huán)境風速設置為12 m/s，三相分離器壓力設置為0.6 MPa，泄漏孔徑設置為20，40，60，80，100 mm，得到在不同泄漏孔徑下天然氣噴射火的輻射水平，結果見圖2。輻射水平為4 kW/m2時，天然氣噴射火的影響范圍見圖3。致死率為1%時，天然氣噴射火的影響范圍見圖4。

圖2 不同泄漏孔徑下輻射水平變化

圖3 不同泄漏孔徑下4 kW/m2界線

圖4 不同泄漏孔徑下1%致死率界線

由圖2可見：在下風方向，熱輻射先急劇升高，達到最高點后以較快速率下降至較低水平，隨后緩慢降低至0，整體呈現(xiàn)“山峰”形狀，處于“山峰”范圍的人員和設備傷害最為嚴重。隨著泄漏孔徑的增大，噴射火熱輻射在下風向和高度方向的影響范圍變大。泄漏孔徑由20 mm升高至40 mm時，火災熱輻射在下風向和高度方向的影響均急劇上升，當泄漏孔徑由40 mm繼續(xù)升高時，火災熱輻射在高度方向影響變化較小，在下風向影響范圍繼續(xù)擴大，且最高點向下風向推遲。其主要原因是在泄漏孔徑較小時，天然氣泄漏量不足，濃度較低，影響范圍較小；泄漏孔變大時，天然氣泄漏量充足，噴射壓力受限，熱輻射在高度方向影響變化較小，在下風向影響仍然增大。

由圖3可見：以4 kW/m2為界，根據(jù)熱輻射破壞準，在該熱輻射強度下，玻璃暴露30 min后破裂，人員超過20 s引起疼痛。隨著泄漏孔徑的增大，熱輻射影響范圍在側風和下風方向均明顯變大，說明泄漏孔徑對輻射范圍的影響較大。泄漏孔徑由20 mm升高至40 mm后，輻射范圍在下風向影響距離由25.9 m升高至138.8 m，在側風向影響距離由14.7 m升高至99.4 m。

由圖4可見：1%致死率影響范圍隨著泄漏孔徑的增大而明顯變大，且影響范圍向下風向推移。

2.2 分離器壓力對泄漏火災熱輻射的影響

環(huán)境風速設置為12 m/s，泄漏孔徑設置為40 mm，三相分離器壓力設置為0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 MPa，得到不同分離器壓力下天然氣噴射火的輻射水平，結果見圖5。輻射水平為4 kW/m2時，天然氣噴射火的影響范圍見圖6。致死率為1%時，天然氣噴射火的影響范圍見圖7。

圖5 不同分離器壓力下輻射水平變化

圖6 不同分離器壓力下4 kW/m2界線

圖7 不同分離器壓力下1%致死率界線

由圖5可見：隨著三相分離器壓力的升高，噴射火熱輻射在下風向影響范圍變大，幾乎不會影響在高度方向上的變化。其主要原因是泄漏孔徑為40 mm時，天然氣泄漏燃燒在高度方向已達到極限，火災輻射在高度方向幾乎不變。當壓力升高時，天然氣泄漏量增大，同樣的風速下擴散至下風向更遠距離，火災輻射在下風向的影響范圍隨之增大。當泄漏壓力為0.6 MPa時，輻射曲線升高至最高點后即開始下降；但當泄漏壓力達到0.8 MPa以上時，輻射曲線升高至最高點保持一段距離后才開始下降。隨著三相分離器壓力的升高，輻射急劇上升段向下風方向推移。

由圖6可見：隨著三相分離器壓力的升高，4 kW/m2影響界線范圍變大。當壓力由0.6 MPa升高至1.4 MPa時，輻射范圍在下風向影響距離由55.6 m升高至89.7 m，在側風向影響距離由37.4 m升高至63.1 m。相比泄漏孔徑，三相分離器壓力的變化對輻射影響范圍的影響相對較弱。

由圖7可見：1%致死率影響范圍隨著三相分離器壓力的增大而變大，且影響范圍略微向下風向推移。

2.3 海洋風速對泄漏火災熱輻射的影響

泄漏孔徑設置為40 mm，三相分離器壓力設置為0.6 MPa，環(huán)境風速設置為4，8，12，16，20 m/s，得到不同海洋風速下天然氣噴射火的輻射水平，結果見圖8。輻射水平為4 kW/m2時，天然氣噴射火的影響范圍見圖9。致死率為1%時，天然氣噴射火的影響范圍見圖10。

圖8 不同海洋風速下輻射水平變化

圖9 不同海洋風速下4 kW/m2界線

圖10 不同海洋風速下1%致死率界線

由圖8可見：隨著風速的升高，噴射火熱輻射在下風向影響范圍幾乎不變，在高度方向影響范圍縮小。當海洋風速由4 m/s升高至16 m/s時，熱輻射在高度方向的影響范圍縮小程度較低；但當海洋風速由16 m/s升高至20 m/s時，熱輻射在高度方向的影響范圍縮小較為明顯。其主要原因是，當泄漏孔徑和壓力一定時，天然氣泄漏量保持不變，風速對火焰燃燒情況造成影響，風速越大，火焰燃燒受到抑制，熱輻射影響范圍縮小。

由圖9可見：隨著海洋風速的升高，4 kW/m2影響界線范圍縮小，其主要原因是海洋風對火焰燃燒起到抑制作用。當海洋風速由4 m/s升高至20 m/s時，輻射范圍在下風向影響距離由27.3 m降低至23.9 m，在側風向影響距離由16.1 m降低至11.5 m。相比泄漏孔徑和三相分離器壓力，風速的變化對輻射影響范圍的影響最小。

由圖10可見：1%致死率影響范圍隨著海洋風速的增大而變小，且側風向影響范圍縮小更為明顯。

3 結論

以某海洋平臺三相分離器為對象，基于PHAST軟件建立了天然氣泄漏噴射火模型，研究了泄漏孔徑、三相分離器壓力、海洋風速變化對天然氣泄漏噴射火熱輻射特性的影響。

1)在下風方向，熱輻射先急劇升高，達到最高點后以較快速度下降至較低水平，整體呈現(xiàn)“山峰”形狀，處于“山峰”范圍的人員和設備傷害最為嚴重。

2)泄漏孔徑由20 mm升高至40 mm時，火災熱輻射在下風向和高度方向的影響均急劇上升，當泄漏孔徑由40 mm繼續(xù)升高時，火災熱輻射在高度方向影響變化較小，在下風向影響范圍繼續(xù)擴大，且最高點向下風向推遲。

3)隨著三相分離器壓力的升高，噴射火熱輻射在下風向影響范圍變大，幾乎不會影響在高度方向上的變化。隨著風速的升高，噴射火熱輻射在下風向影響范圍幾乎不變，在高度方向影響范圍縮小。

4)泄漏孔徑對輻射影響范圍的影響程度最大，風速的變化對輻射影響范圍的影響程度最小，三相分離器壓力對輻射影響范圍的影響程度處于中間水平。

5)1%致死率影響范圍隨著泄漏孔徑、三相分離器壓力的增大而變大，且影響范圍向下風向推移。1%致死率影響范圍隨著海洋風速的增大而變小，且側風向影響范圍縮小更為明顯。