淺海平臺油氣火災事故模擬評估應用

楊冬平，陳國明，牛更奇，李晶晶，郭愛洪，師吉浩，常 琳，高莎莎

(1.中國石化勝利油田技術檢測中心，山東東營 2570622.中國石油大學機電工程學院，山東青島 2665803.公安部天津消防研究所，天津 300381)

海洋平臺作為海上油氣開發(fā)主要設施，具有造價高昂、結構緊湊、高度擁擠、逃生困難、所涉及物料易燃易爆等特點，較容易發(fā)生火災事故，且往往造成災難性后果并引發(fā)多米諾效應。

近年來全球多次發(fā)生平臺重大火災事故，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，也造成嚴重的環(huán)境污染和不良社會影響[1-3]。針對淺海油氣開發(fā)過程中的平臺火災事故風險，建立相應的火災數(shù)值分析模型，研究導致事故發(fā)生的災變機理和事故后果，為今后開展海上平臺的火災風險分析和防范提供可靠的理論支持。

1 淺海平臺火災危險性分析

1.1 淺海平臺火災特點

a)燃燒蔓延速度快。平臺上存在大量的易燃物質，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蔓延至四周，短時間內擴散成大面積的立體火災。

b)火災載荷大，煙氣濃且多。平臺在油氣開采、試油、生產(chǎn)、運輸過程中接觸到大量油氣，油氣蔓延可能擴大平臺的危險區(qū)域，并形成較高的火災載荷。

c)救援難度大。淺海平臺是離開陸地的相對獨立場所，在初期難以依靠外界救援。其空間狹小發(fā)生火災時平臺人員撲救存在一定難度。海洋環(huán)境如海流、風力等也會影響救援船舶的靠近。

d)損失嚴重?；馂氖鹿室坏┌l(fā)生，若不能及時救援，易于造成人員傷亡。平臺鋼結構耐火性能差，易存在結構變形、坍塌、設備破壞，易于造成嚴重的環(huán)境污染和惡劣的社會影響。

1.2 淺海平臺火災類型

淺海平臺火災類型主要分為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：平臺油氣泄漏前具有初始動量，突然釋放時一旦遇到點火源就會被點燃引發(fā)火災，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。平臺所有油氣工藝物質單元都可能導致池火。池火還可以發(fā)生在海面上，影響或損壞逃生、撤離和援救設備。

c)閃火：當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燃時所發(fā)生的非爆炸性的蒸氣云燃燒過程。

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

2 淺海平臺火災數(shù)值模型

2.1 火災模型與過程求解

火災模型指運用物理量來描述火災從某一位置燃燒，向周圍地區(qū)擴散并傳播火焰和熱量的過程，其求解結果可以為各類火災危險性評估和消防決策提供定量依據(jù)。

火災的數(shù)值求解過程如圖1所示，雖然人們早就推導出反應流控制方程組，但由于各方程本身的強非線性以及方程之間的非線性耦合，導致絕大部分的情況都無法得到方程的解析解。近年來，計算機技術和燃燒計算理論的發(fā)展，相關實驗數(shù)據(jù)的積累，為燃燒火災的模擬提供了技術支持。

2.2 模型假定及邊界條件[4,5]

以淺海某油田中心平臺組為研究對象，該平臺組包括消防平臺、生活平臺、動力平臺、生產(chǎn)平臺、儲油平臺和連接各個平臺的棧橋，結構布局見圖2所示。其中生產(chǎn)平臺和儲油平臺是發(fā)生油氣火災的高度危險區(qū)域，危險設備包括計量加熱器、計量分離器、閉式排放罐、高效三相分離器、生產(chǎn)分離器和儲油罐等。平臺上的復雜危險設備，采用實體分解近似模擬建模，并且綜合考慮計算時間和計算結果準確度前提下簡化對火災模擬影響較低的結構和設備。

圖1 火災模型數(shù)值求解步驟

圖2 中心平臺組火災分析模型

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)機械能守恒定律，流動過程中不同能量遵守方程如下：

(1)

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

(2)

式中，Pg——壓強，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——質量流速，kg/s；

C0——流出系數(shù)。

按照APIRP579相關標準，以圓形作為泄漏口形狀，三種不同泄漏量的模擬狀況計算結果如表1所示。

2.3 火災危險性判別準則

油氣燃燒產(chǎn)生的熱量以熱傳導、對流和輻射 方式向四周傳播，火焰和熱輻射可能會引起人員燒傷甚至死亡，設備損壞?；馂臒彷椛湮ｋU判據(jù)見表2[6]。

表1 不同孔徑下泄漏狀況

表2 火災熱輻射危險性判據(jù)

當火場環(huán)境溫度高于180 ℃時，會對人體造成嚴重傷害；當煙氣層下降到與人體直接接觸高度時，臨界值達到115 ℃以上人體燒傷；溫度高于88 ℃時，人體體溫在10 min內達到臨界值，處于危險狀態(tài)；處于43～48 ℃會影響人正常思維和行為；火災及煙氣會造成人員恐慌，影響控制火勢或救援。

在火災高溫高熱作用下，平臺各容器內介質膨脹超壓，設備設施結構耐火性降低會導致結構變形或毀損；甲板結構支撐能力下降失去穩(wěn)定性和承載能力，可能會引發(fā)連鎖反應，擴大火災后果。

3 平臺火災事故后果評估

3.1 三相分離器噴射火事故后果

3.1.1火災事故場景假設

三相分離器及其管線屬于高壓設備，發(fā)生破裂造成油氣泄漏的概率最大。泄漏時氣體及蒸汽在壓力下高速噴出，其夾雜的固體顆?；蛘咭后w雜質與泄漏口摩擦產(chǎn)生靜電，放電火花引起泄漏氣液體燃燒引發(fā)噴射火，會嚴重威脅平臺安全。假設發(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)境為全開放空間無風條件。

3.1.2火災發(fā)展過程

火災發(fā)生后，在不到2 s時噴射火火焰已經(jīng)接近4 m，3.6 s時火焰已達到7 m處的計量分離器位置，10 s時火焰形狀基本穩(wěn)定，長度保持在10 m左右，火焰高度達到20 m。同時煙氣量顯著增加，由于計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大火焰面積。三相分離器火災事故模擬部分結果見圖3。

3.1.3火災事故分析

臨近設備含有油氣等易燃易爆物質，距離噴射孔10 m范圍內的設備安全受到嚴重威脅。操作人員在現(xiàn)場會存在燒傷危險和死亡威脅。15 m以外是安全區(qū)域，人員和設備均無傷亡威脅。

計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)連鎖反應擴大事故后果。

距離噴射口噴射垂直方向3 m范圍內熱輻射強度在35 kW/m2以上，存在設備全部損壞和1 min內人員100%死亡危險。在6 m范圍內熱輻射強度在10 kW/m2，設備可能會受到輕微損傷，人員存在燒傷危險性。

圖3 三相分離器火災事故模擬

3.2 管線交叉處噴射火事故后果

3.2.1火災事故場景假設

假設在計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程中維護不當?shù)仍虬l(fā)生泄漏，泄漏后立即燃燒。噴射方向正對著棧橋Y+向，水平無阻擋噴射。

3.2.2火災發(fā)展過程

1.68 s時噴射火火焰長度達到5 m，越過生產(chǎn)平臺甲板蔓延至與生產(chǎn)平臺相連的棧橋。3.66 s時火焰已達到棧橋中心點，噴射距離13 m并且火焰出現(xiàn)較大幅度抬升。9 s火焰到達儲油平臺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時火焰基本穩(wěn)定，長度保持在20 m左右，同時煙氣量顯著增加。管線交叉處火災事故模擬部分結果見圖4。

圖4 管線交叉火災事故模擬

3.2.3火災事故分析

生產(chǎn)平臺噴射口15 m范圍內熱輻射強度均超過臨界值，在此范圍內設備連續(xù)暴露30 min以上會被嚴重破壞甚至燒盡，三相分離器末端、儲油罐和棧橋應重點防護，提前采取減輕事故后果措施。同時人員在1 min若不能及時逃生，將有死亡威脅。

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

3.3 生產(chǎn)平臺池火事故后果

3.3.1火災事故場景假設

假設生產(chǎn)平臺計量分離器、高效三相分離器和連接管線由于人員失誤、設備失效、管理等原因造成油管和設備發(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火源。平臺所處外部空間為全部開放狀態(tài)，無風條件、常壓。

3.3.2火災發(fā)展過程

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

生產(chǎn)平臺池火火災事故模擬部分結果見圖5。

圖5 生產(chǎn)平臺池火火災事故模擬

3.3.3火災事故分析

火災進入穩(wěn)定期后，由于煙氣不斷向周圍開放環(huán)境擴散，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內基本喪失全部強度，管線安全與穩(wěn)定性能受到較大考驗。

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臨界值，待進入燃燒穩(wěn)定期后危險區(qū)域擴大到油池及其附近3 m，處于其中的分離器、管線、天然氣加熱器等均在30 min遭到嚴重損壞、鋼結構坍塌，1 min操作人員死亡可能性100%。

3.4 儲罐平臺池火事故后果

3.4.1火災事故場景假設

假設儲油平臺油罐發(fā)生泄漏，泄漏的原油在防火堤內聚集。在某一點遇到明火點火源燃燒，隨后火災逐漸擴大?；馂哪M時間為120 s，油罐提前有防火層等保護措施，在模擬時間內油罐沒有出現(xiàn)坍塌等危險，罐內原油還未燃燒。并且根據(jù)事故最大化原則，不考慮噴淋設施和人工應急措施的啟動。

3.4.2火災發(fā)展過程

在0～10 s火焰初期火勢增長緩慢，10～60 s熱釋放速率直線上升。60～80 s之間出現(xiàn)暫時性穩(wěn)定，火焰燃燒速度增長緩慢，80～100 s火災功率直線上升但是增長速率降低，90 s之后整個油池已經(jīng)完全燃燒。以90 s作為燃燒分界點，之前為快速增長期，之后是穩(wěn)定期。儲罐平臺池火火災事故模擬部分結果見圖6。

3.4.3火災事故后果

油池燃燒面積僅局限于防火堤內區(qū)域，可以3 m作為最小安全間距，人員工作區(qū)域劃分、設備和應急開關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高度處右側棧橋相對較危險。40 s之后穩(wěn)定在80 ℃，根據(jù)溫度危險性判別準則，10 min內將達到人體承溫極限值會處于危險狀態(tài)。

圖6 儲罐平臺池火火災事故模擬

相比較溫度影響范圍和程度，熱輻射是主導因素?；馂陌l(fā)展穩(wěn)定后危險區(qū)域為油池及其附近3 m處。油罐整體受到較大影響，結合熱輻射和溫度分析而言，油罐受到熱輻射影響較大，30 min內應采取緊急措施進行處理。

4 結論與展望

4.1 結論

a)三相分離器噴射火在小于0.041 m3/s時火焰垂直方向15 m與水平方向5 m以外較安全，人體無死亡威脅。危險區(qū)域內計量分離器、三相分離器以及連接管線是受到影響最嚴重的，應重點加強防護。

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

c)平臺發(fā)生池火災時，熱輻射是主要的致災因素，油池及其附近3 m內是主要危險區(qū)域。處于危險區(qū)域內設備30 min嚴重損壞、操作人員1 min死亡可能性100%。

4.2 展望

a)目前平臺設計很少進行平臺油氣火災事故后果評估，由于平臺火災導致后果的毀滅性，建議在平臺設計時考慮進行火災事故災害評估，確?；馂牟荒苌婕爸匾挠蜌夤艿篮蛢Σ卦O施，要注重平臺的結構布局，油氣工藝設施盡量遠離平臺生活區(qū)域。

b)要降低平臺的火災風險，可以考慮從以下幾個方面采取措施，包括平臺結構布局、應急關斷系統(tǒng)、起火控制、溢漏控制、應急系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、檢修和維護等。此外，增加對平臺作業(yè)人員的消防培訓和應急演練能有效控制火災后果的惡化。

c)目前勝利海域存在大量的超期服役平臺，應加強對平臺油氣工藝系統(tǒng)中的焊接連接、法蘭結構、平臺立管等部位的腐蝕檢測，防止嚴重腐蝕導致泄漏的存在，同時應加強對平臺油氣探測、火災探測和消防系統(tǒng)的檢測，確保海上油氣生產(chǎn)的可持續(xù)進行。

d)目前缺乏詳細的淺?；馂氖鹿蕯?shù)據(jù)統(tǒng)計資料，今后可進一步對火災事故發(fā)生概率、類型、后果等進行統(tǒng)計和研究，以便得到更普遍有效的分析數(shù)據(jù)，同時，也可開展平臺煙氣對人員中毒窒息和逃生路線的影響。