基于FLACS的海上鉆探平臺井噴爆炸事故后果模擬分析*

李佳航，楊國梁，多英全，吳宗之

(1.華北科技學(xué)院，河北 廊坊 065201； 2.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；3.國家衛(wèi)生健康委員會職業(yè)健康司，北京 100713)

0 引言

隨著我國對石油能源需求量增加，海洋油氣開采強(qiáng)度增大。由于海洋環(huán)境惡劣，作業(yè)程序復(fù)雜，一旦海上鉆探平臺發(fā)生井噴失控，會在鉆臺周圍迅速形成大規(guī)?？扇?xì)庠撇⒁装l(fā)生爆炸[1]。海上鉆探平臺井噴燃爆事故具有損失大、頻率高的特點(diǎn)，是海上鉆探平臺較為嚴(yán)重的事故類型，一旦發(fā)生井噴爆炸事故易產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，造成人員傷亡、環(huán)境污染等重大生產(chǎn)安全事故。因此，研究海上鉆探平臺井噴燃爆事故后果，對于井噴事故風(fēng)險防控具有重要意義。

鑒于爆炸試驗的破壞性和非經(jīng)濟(jì)性，基于理論模型開展流體力學(xué)數(shù)值模擬計算，該模型具有交互友好、成本低、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于解決工程問題[2]。李修峰等[3]利用Fluent軟件對平臺天然氣噴射擴(kuò)散行為進(jìn)行數(shù)值模擬，分析甲烷爆炸氣云時空分布規(guī)律；Ma等[4]采用FLUENT模擬重慶市開縣“12·23”特別重大天然氣井噴失控事故發(fā)展過程；Ai等[5]采用CFD技術(shù)對陸地井噴失控后的可燃?xì)庠票ê蛧娚浠疬M(jìn)行三維數(shù)值模擬；張林[6]通過CFD軟件Autoreagas對天然氣平臺可燃?xì)怏w爆炸超壓和高溫?zé)彷椛溥M(jìn)行模擬，并對爆炸超壓和熱輻射的傷害范圍進(jìn)行對比分析。在流體力學(xué)軟件中，F(xiàn)LACS軟件能夠研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通風(fēng)情況，定義泄漏源種類以及氣體泄漏到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散過程，可以在更真實場景下研究爆炸過程。戴偉等[7]應(yīng)用FLACS軟件針對典型海洋平臺上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，研究海洋平臺上部結(jié)構(gòu)布置排列對爆炸超壓分布的影響；Talberg等[8]采用FLACS軟件對海洋平臺氣體擴(kuò)散進(jìn)行模擬；Li等[9-10]利用FLACS研究安全距離和施加防爆墻影響下海上船舶LNG擴(kuò)散及氣云爆炸后果。

目前，針對海上鉆探平臺井噴爆炸影響參數(shù)(井噴速率、風(fēng)向、點(diǎn)火位置等)對爆炸特性參數(shù)的影響研究較少。因此，本文通過FLACS軟件對某深海鉆探平臺井噴燃爆事故后果進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同事故場景下氣云爆炸發(fā)展過程及平臺荷載分布規(guī)律，討論井噴速率、風(fēng)向、點(diǎn)火位置等條件對井噴燃爆產(chǎn)生的沖擊波超壓分布的影響，研究結(jié)果可為平臺的阻隔防爆性能設(shè)計與應(yīng)急響應(yīng)提供指導(dǎo)。

1 模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

利用FLACS對可燃?xì)庠茢U(kuò)散爆炸進(jìn)行模擬時，各狀態(tài)參數(shù)仍基于質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒3大守恒方程，控制方程如式(1)所示[11]：

(1)

式中：ρ為流體密度時間平均值，kg/m3；u為速度時間平均值，m/s；φ為通用變量時間平均值；Г為φ的湍流輸運(yùn)系數(shù)；Sφ為針對不同φ項的源項。

爆炸過程中燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)如式(2)所示[12]：

(2)

式中：uj為j方向的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度矢量，m/s；mfu為氣體燃料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Гfu為氣體燃料輸運(yùn)特性的湍流耗散系數(shù)；xj為在流物中第j坐標(biāo)軸方向；Rfu為氣體體積燃燒速度，m3/s。

1.2 物理模型

本文氣云爆炸數(shù)值模擬分析以某半潛式海上鉆探平臺為例，通過CFD軟件FLACS的前處理軟件CASD建立三維物理模型。該平臺主要由下浮體、立柱及上部結(jié)構(gòu)3部分組成：下浮體提供平臺大部分浮力；立柱用于連接工作平臺和扶梯，支撐工作平臺；工作平臺即上部結(jié)構(gòu)，按照功能不同可分為生活區(qū)、鉆井工作區(qū)、管件處理區(qū)，主要用于布置鉆井設(shè)備、鉆井器材、起吊設(shè)備、安全救生、人員生活設(shè)施以及動力、通訊和導(dǎo)航等設(shè)備。生活區(qū)端為船艏，遠(yuǎn)離生活區(qū)端為船艉。平臺從下浮體底部到上甲板之間高度38.6 m，平臺整體寬度78.68 m，長度114.07 m，井口直徑0.762 m。海上鉆探平臺三維模型如圖1所示。

圖1 海上鉆探平臺三維模型

1.3 網(wǎng)格及監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

為保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性同時提高計算機(jī)的運(yùn)行速度，在進(jìn)行爆炸模擬網(wǎng)格劃分時分為核心區(qū)域和非核心區(qū)域。以平臺上部結(jié)構(gòu)為核心區(qū)域，核心區(qū)域網(wǎng)格選擇平均劃分，網(wǎng)格尺寸為0.5；平臺上部結(jié)構(gòu)之外為非核心區(qū)域，拉伸系數(shù)為1.2，最大網(wǎng)格尺寸為5.99，共計5 877 711個網(wǎng)格單元，網(wǎng)格劃分見表1。所有方向邊界均設(shè)置為plane wave邊界。

表1 網(wǎng)格劃分

本文主要考慮爆炸對平臺建構(gòu)筑物的傷害，因此，監(jiān)測點(diǎn)主要布置在生活區(qū)、泥漿室、操作臺、立管存放處、停機(jī)坪位置處，主要監(jiān)測參數(shù)為超壓值。

2 方案設(shè)計

可燃性氣體爆炸是指氣體在瞬間膨脹并伴隨迅速能量釋放的過程。爆炸時具有高密度、高壓、高速的生成氣體迅速膨脹，爆源周圍空氣介質(zhì)受強(qiáng)烈的壓縮作用形成突變界面—爆炸沖擊波陣面，受壓縮后空氣在爆炸氣體前方傳播和發(fā)展并形成爆炸波[13]。當(dāng)可燃性氣體被點(diǎn)燃，將產(chǎn)生帶有化學(xué)反應(yīng)的火焰波，火焰波燃燒迅速擴(kuò)散形成具有破壞作用的空氣沖擊波，由于火焰波陣面?zhèn)鞑ニ俣刃∮趬毫Σ嚸嫠俣?，使前?qū)沖擊波擾動尚未燃燒的氣體產(chǎn)生湍流，氣體擾動越大，火焰與氣體接觸后的燃燒速度越大，爆炸超壓上升。影響可燃性氣體爆炸強(qiáng)度因素包括氣云濃度、可燃?xì)庠凭鶆蚨群统叽纭h(huán)境中障礙物等。

在FLACS中，氣體混合物層流燃燒速度取決于相對于氧氣濃度的燃料濃度以及燃料類型。采用當(dāng)量比法測量燃料-氧氣相對濃度，其定義如式(3)所示：

(3)

式中：(mfuel/moxygen)actual表示可燃?xì)庠浦袑嶋H化學(xué)反應(yīng)燃料和氧氣的質(zhì)量比；(mfuel/moxygen)stoichiometric表示理論化學(xué)反應(yīng)中燃料和氧氣的質(zhì)量比；(Vfuel/Voxygen)actual表示可燃?xì)庠浦袑嶋H化學(xué)反應(yīng)燃料和氧氣的體積比；(Vfuel/Voxygen)stoichiometric表示理論化學(xué)反應(yīng)中燃料和氧氣的體積比。

根據(jù)可燃?xì)庠票▊鞑C(jī)理及影響因素，模擬選取泄漏速率、風(fēng)向、點(diǎn)火位置3個變量進(jìn)行研究。設(shè)計井噴位置為隔水管頂端，位于主甲板下方，主要模擬流體成分為天然氣。具體模擬場景見表2。

表2 井噴燃爆事故模擬場景

3 影響因素分析

平臺上部區(qū)域可燃?xì)怏w含量變化如圖2所示。由圖2可知，無論在何種工況下，平臺上的燃料含量在200 s后基本趨于穩(wěn)定，持續(xù)的井噴不會對模擬關(guān)注區(qū)域內(nèi)的燃料含量和分布產(chǎn)生影響。因此，為簡化計算將200 s時刻的可燃?xì)庠品植紝?dǎo)入爆炸模塊進(jìn)行分析。

圖2 平臺上部區(qū)域可燃?xì)怏w含量變化

通過事故經(jīng)驗、TNO的爆炸超壓影響分析及海上部件可得到超壓抗力的理論計算分析，爆炸超壓影響準(zhǔn)則見表3。

表3 爆炸超壓影響準(zhǔn)則

3.1 泄漏速率對爆炸超壓的影響

在保持點(diǎn)火位置、風(fēng)向風(fēng)速等其他工況不變情況下，調(diào)整泄漏速率大小，使其分別以60 kg/s的完全井噴和40，12 kg/s的不完全井噴進(jìn)行泄漏。

泄漏速率為12，40 kg/s的爆炸超壓分布如圖3所示。由圖3可知，泄漏速率為12 kg/s時，爆炸壓力波及范圍內(nèi)大部分區(qū)域壓力較小，最大超壓值約為4.91 kPa，相比泄漏速率為40 kg/s其爆炸強(qiáng)度較弱，爆炸壓力場影響范圍相對最小，平臺上部區(qū)域承受的爆炸超壓處在可接受范圍。這是因為泄漏產(chǎn)生的可燃?xì)庠拼蟛糠謪^(qū)域氣體濃度較低，氣云尺寸較小。

圖3 不同泄漏速率下爆炸超壓分布

對比60，40 kg/s泄漏速率氣云分布如圖4所示。由圖4可知，受鉆臺結(jié)構(gòu)影響，當(dāng)泄漏速率減小時，積聚在生活區(qū)附近的氣云增多，部分氣云擴(kuò)散至生活樓2樓內(nèi)部；當(dāng)泄漏速率為40 kg/s時點(diǎn)燃?xì)庠?，爆炸影響?yán)重程度大于泄漏速率為60 kg/s的爆炸影響嚴(yán)重程度，在立管存儲區(qū)及固控設(shè)備間部分區(qū)域產(chǎn)生的超壓大于35 kPa，該區(qū)域存放的立管及區(qū)域內(nèi)的工藝設(shè)備會發(fā)生破裂，防爆墻及鋼墻被炸毀，尤其在生活區(qū)2樓區(qū)域，爆炸產(chǎn)生的超壓值最高達(dá)到77 kPa，整個生活區(qū)受到嚴(yán)重破壞。

圖4 泄漏速率40，60 kg/s爆炸超壓分布對比

3.2 風(fēng)向?qū)Ρǔ瑝旱挠绊?/h3>

選取場景4，5分析風(fēng)向?qū)Ρǔ瑝旱挠绊?，場?風(fēng)向為船艉吹向船艏(生活區(qū))的+Y方向，場景5風(fēng)向為船艏(生活區(qū))吹向船艉的-Y方向，泄漏速率為60 kg/s時不同風(fēng)向氣云爆炸超壓分布如圖5所示。

由圖5(a)可知，風(fēng)向為+Y時，井噴發(fā)生后氣云向生活區(qū)方向擴(kuò)散，在生活區(qū)積聚的氣云較多，爆炸發(fā)生后生活區(qū)附近超壓超過20 kPa，其中，固控設(shè)備間承受的爆炸超壓相對最大，約為31 kPa；遠(yuǎn)離生活區(qū)的鉆平臺下側(cè)爆炸超壓值較小，基本在6～10 kPa，不會對平臺結(jié)構(gòu)造成影響[14]。由圖5(b)可知，當(dāng)風(fēng)向為-Y時，井噴后氣云向遠(yuǎn)離生活區(qū)的方向擴(kuò)散，由于遠(yuǎn)離生活區(qū)方向區(qū)域擁塞度較低，所以爆炸發(fā)生后超壓較大的地方仍然在生活區(qū)方向，但超壓值減小，最大超壓值為22 kPa，在泥漿室附近會產(chǎn)生輕微損毀；遠(yuǎn)離生活區(qū)的鉆桿堆放處附近擁塞度較小，因此其超壓變化不是特別明顯。

圖5 泄漏速率60 kg/s風(fēng)向+Y，-Y的爆炸超壓分布

3.3 點(diǎn)火位置對爆炸超壓的影響

井噴發(fā)生后，不同位置處分布的可燃?xì)庠茲舛炔煌?，障礙物會對氣云擴(kuò)散及爆炸強(qiáng)度產(chǎn)生影響，其他條件相同時，點(diǎn)火位置位于不同ER值時的平臺爆炸超壓情況如圖6所示。

圖6 不同ER值點(diǎn)火時的平臺爆炸超壓

在化學(xué)理論當(dāng)量比處(ER=1.089)點(diǎn)燃?xì)怏w，生活區(qū)承受的爆炸超壓相對最大，在立管存儲區(qū)及固控設(shè)備間處最大超壓可達(dá)31 kPa；當(dāng)在ER>1.089位置點(diǎn)火時，由于點(diǎn)火位置相差較小，爆炸超壓相比于ER=1.089時變化不明顯，超壓最大值約為29.9 kPa，出現(xiàn)在壓力罐及生活樓前；當(dāng)在ER<1.089且靠近生活區(qū)位置點(diǎn)火時，平臺主甲板區(qū)域承受超壓值明顯減小，在立管存儲區(qū)超壓值較大，最大超壓值約為19.5 kPa，平臺其他區(qū)域基本小于10 kPa，平臺結(jié)構(gòu)不會受到破壞。

不同點(diǎn)火位置時的爆炸超壓如圖7所示。通過對比圖7(a)～(b)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)井噴速率為60 kg/s、風(fēng)向為+Y時，遠(yuǎn)離生活區(qū)端點(diǎn)火產(chǎn)生的爆炸超壓最高達(dá)到48.385 kPa,明顯比靠近生活區(qū)端點(diǎn)火時大，最大超壓值相差約30 kPa,相比于靠近生活區(qū)點(diǎn)火，平臺受損情況更為嚴(yán)重。同樣，如圖7(c)～(d)所示，改變風(fēng)向后規(guī)律相同，這是因為點(diǎn)火位置在遠(yuǎn)離生活區(qū)邊緣時，火焰加速距離較長，給爆炸成長提供較大的時間和空間。同時，在生活區(qū)附近，設(shè)施及建筑物分布較為密集，擁塞度較高，更容易造成火焰加速和擾動，因此產(chǎn)生的爆炸超壓更大。

圖7 不同點(diǎn)火位置時的爆炸超壓對比

4 結(jié)論

1)爆炸嚴(yán)重程度不僅與井噴速率密切相關(guān)，同時也受結(jié)構(gòu)影響；點(diǎn)火位置會對爆炸超壓產(chǎn)生影響，當(dāng)在可燃?xì)怏w與空氣混合氣體比例為化學(xué)理論當(dāng)量比處點(diǎn)燃?xì)怏w，生活區(qū)承受爆炸超壓相對最大，通過對不同濃度點(diǎn)火位置對爆炸產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，可對平臺上的潛在點(diǎn)火源進(jìn)行優(yōu)化布局。

2) 通過對不同風(fēng)向、相同ER值條件下不同點(diǎn)火位置處的爆炸超壓進(jìn)行分析可知，擁塞度對平臺爆炸超壓的影響較大，風(fēng)向會對可燃?xì)庠品植籍a(chǎn)生影響，當(dāng)其他影響因素不變，可燃?xì)庠品植荚趽砣容^高區(qū)域時，產(chǎn)生的爆炸超壓較大；當(dāng)可燃?xì)庠品植记闆r不變，在遠(yuǎn)離擁塞度較高的地方點(diǎn)火，產(chǎn)生的超壓更大。因此，海上鉆探平臺在進(jìn)行應(yīng)急準(zhǔn)備時，應(yīng)結(jié)合事故模擬分析并充分考慮風(fēng)險和結(jié)構(gòu)的影響，制定最優(yōu)應(yīng)對方案。

3)三維數(shù)值模擬對多因素耦合下的平臺井噴燃爆事故后果分析具有可行性，對井噴燃爆事故的阻隔防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計、應(yīng)急響應(yīng)具有指導(dǎo)意義。