海洋平臺油氣火災爆炸機理及其結構響應特性研究進展

魏超南，陳國明，朱 淵，劉 康

(中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東青島 266580)

海洋平臺作為海上油氣資源開發(fā)的基礎設施，油氣共存，作業(yè)環(huán)境惡劣，其風險主要來自設施本身的缺陷以及人為失誤造成的生產(chǎn)設施、設備油氣泄漏，遇點火源后燃燒，爆炸對人員、設備、環(huán)境等造成傷害和損失的事故等［1］。據(jù)HSE統(tǒng)計，油氣意外泄漏引起的火災、爆炸事故是造成海洋平臺結構失效的主要原因之一。表1列出1980～2005年間英國大陸架海域固定式平臺和浮式結構發(fā)生的事故類型及統(tǒng)計［2-3］。從表1可以發(fā)現(xiàn)，固定式平臺和浮式海洋結構上的火災、爆炸事故發(fā)生次數(shù)及頻率僅次于物體墜落，遠高于井噴、碰撞等事故，而且火災、爆炸事故的后果嚴重度要遠遠高于其他類型事故。1988年7月6日，Piper Alpha平臺由于壓縮機模塊可燃氣泄漏引發(fā)的爆炸、火災造成167人死亡，平臺遭到嚴重損壞，直接經(jīng)濟損失近28.7億英鎊，成為迄今世界上最嚴重的平臺火災爆炸事故。2010年4月20日，位于美國墨西哥灣北部海域的“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生井噴，泄漏出來的天然氣攜帶原油引發(fā)劇烈爆炸，事故造成11人死亡，17人受傷，約500萬桶原油泄漏［4］。

表1 英國大陸架海域固定平臺和浮式結構事故統(tǒng)計(1980～2005年)Tab.1 HSE accidents data of fixed and floating platforms(1980～2005)

鑒于海洋平臺油氣火災、爆炸事故的高風險性，1990～2011年，國外研究機構開展27項聯(lián)合工程課題研究［5］，如BFETS JIP和EFEF JIP等。研究發(fā)現(xiàn)，海洋平臺油氣火災、爆炸載荷在以前被大大低估，很多情況下在實際設計過程中并未考慮到這些載荷的影響。因此，如何評估油氣火災、爆炸載荷及平臺結構在載荷作用下的動態(tài)響應規(guī)律已成為海洋工程設計準則的重要考慮內容，它對于海洋平臺定量風險評估、海洋工程優(yōu)化安全設計以及海洋石油工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展等具有重要意義。

1 油氣火災、爆炸機理

海洋平臺火災、爆炸事故的起因事件通常是烴類氣體或原油的意外泄漏。圖1為可燃氣體或蒸發(fā)性液體意外泄漏后的不同發(fā)展模式。如果油氣泄漏形成的可燃氣云沒有達到可燃極限或不存在點火源，可燃氣云將逐漸隨風擴散、消失。根據(jù)平臺作業(yè)條件，點火可能會隨泄漏立即出現(xiàn)，或延遲幾十分鐘。一旦立即點燃(即在燃料與空氣充分混合之前)，最可能發(fā)生噴射火;如果形成大規(guī)模預混燃料-空氣云后被點燃，可能發(fā)生劇烈爆炸，這通常也是最嚴重的情況。

平臺作業(yè)條件不同，火災類型不同。采油與井口平臺可能發(fā)生的火險有井噴火、井噴流淌火(石油與天然氣)以及人為性火災;貯油平臺火災有油罐火、流淌火、設備爆炸火、輸油泵站火。平臺爆炸主要是可燃氣體爆炸，可能發(fā)生在生產(chǎn)設備、油氣管線或艙室中，也可能發(fā)生在開敞的露天作業(yè)區(qū)域，如鉆臺。爆炸強度可以按照最大壓力分類。如最大壓力小于20 kPa，可認為是“輕微爆炸”;當超過200 kPa，則認為是“劇烈爆炸”。

圖1 油氣意外泄漏后的發(fā)展事件樹Fig.1 Event tree model of oil＆gas leakage incident

2 海洋平臺油氣火災/爆炸試驗

火災、爆炸現(xiàn)象通常是大尺度的，具有高度非線性和隨機性，理論分析存在較大難度，因此有必要開展真實場景下的油氣火災、爆炸試驗，為海洋工程應用提供指導和設計依據(jù)。但鑒于試驗條件及安全性方面的考慮，開展海洋平臺油氣火災、爆炸現(xiàn)場試驗的難度較大。

2.1 油氣泄漏、擴散試驗

1990年，挪威CMR試驗室在1∶5比例的海洋平臺模型上進行可燃氣體泄漏、擴散試驗［6］，研究泄漏方向和速率、環(huán)境風速和風向等因素影響下的氣體擴散行為和規(guī)律。儲氣罐體積為3 m3，初始壓力為5×105～20×106Pa，氣態(tài)甲烷、丙烷通過直徑為420 mm的噴嘴泄漏進入模型內，通風速率為0～1.0 m/s。試驗發(fā)現(xiàn)，中等和大型噴射泄漏條件下，氣體擴散行為主要由噴射行為控制，氣體濃度受自然通風影響;小型噴射泄漏條件下，自然通風主導可燃氣體的擴散模式及濃度分布。Cleaver等［7］進行了類似試驗，通過先進的圖像和傳感技術得到0.9～8.6 m/s風速下甲烷/氮氣混合物以0.5～10 kg/s穩(wěn)態(tài)泄漏時的濃度分布情況。試驗表明，不同試驗條件(泄漏方向和速率、風速等)下，泄漏事件會導致不同規(guī)律的擴散行為和氣體累積效應。

1970年，美國能源管理局發(fā)布《Hazards of LNG Spillage in Marine Transportation》，指出海上液化天然氣(LNG)儲運過程中存在巨大風險［8］，如快速相變導致的高壓、爆燃、爆轟、蒸氣云火災以及池火災等。隨后，國外研究機構針對LNG海面和陸地擴散開展大量試驗和理論研究工作［9］，如Esso，Shell Jettision Tests，Maplin Sands tests，Burro tests，F(xiàn)alcon tests等。LNG氣云擴散距離受蒸發(fā)率、障礙物、環(huán)境條件、泄漏模式等多種因素影響。試驗結果說明，障礙物、粗糙地形以及高濕度、不穩(wěn)定大氣條件會減小燃燒下限(LFL)距離;在低風速、高大氣穩(wěn)定度條件下，甲烷LFL距離最遠。

2.2 油氣火災試驗

海洋平臺上火災嚴重性及滅火系統(tǒng)等應急措施的有效性方面還存在很多不確定性因素。Shell公司進行一項重要的海洋平臺艙室火災研究項目［10］，試驗采用135 m3鋼制隔熱裝置，內部由1 mm厚的不銹鋼片完全隔熱，燃料使用殼牌公司的商品柴油，得到了不同通風條件下火勢向準穩(wěn)定態(tài)發(fā)展過程中的熱通量、溫度、燃燒速率和燃燒產(chǎn)物濃度等數(shù)據(jù)。試驗顯示，火災嚴重度(熱通量和溫度)受自燃通風率影響，可以表示為艙室溫度的函數(shù)，艙室溫度又受艙室邊界的絕熱程度影響;在通風良好且受限條件下，火災更嚴重;常規(guī)水噴淋滅火系統(tǒng)則可以有效降低火災燃燒速率并控制周圍環(huán)境溫度。

目前，國內外對于鋼質海洋平臺被動抗火方面的研究主要集中在尋求良好的抗火材料和基于試驗、計算的構件抗火設計。為了提高被動防火材料的抗火性能，有必要進行真實場景下的火災試驗。SOFIPP項目中，Shell公司首先進行大型高壓天然氣噴射火作用下被動防火材料的性能研究試驗［11］。由于試驗耗資巨大，且需要特殊設備，不便推廣作為被動防火材料的標準測試程序。1992年3月，UK HSE與挪威石油管理局合作組建噴射火試驗研究組，在SINTEF試驗基礎上開發(fā)被動防火材料的小型標準噴射火測試程序。1996年4月，SwRI對內徑203 mm的管狀結構進行8次噴射火試驗，評估結構外層被動防火材料的抗火性能［12］，試驗中熱通量峰值達到293 kW/m2。研究表明，試驗室規(guī)模的噴射火測試程序可有效用于評估管狀結構被動防火材料的抗火性能，但其最大內徑限于500 mm;內徑為500 mm時，總熱通量比大型噴射火熱通量低20%，可靠性降低。文獻［13］總結被動防火材料抗火性能研究方面的大、中型噴射火試驗，對比分析試驗設備和噴射火規(guī)模，總熱通量峰值約為290 kW/m2。國外開展噴射火試驗的主要研究機構有British Gas Spadeadam，Southwest Research Institute(SwRI)，Health＆ Safety Laboratories(HSL)和 Norwegian Testing Facility(SINTEF)。

池火、噴射火是海洋平臺上的主要火災類型。根據(jù)BFETS F3，SINTEF Energy在挪威火災試驗室采用凝析油、氣態(tài)丙烷進行15次噴射火和7次池火試驗，研究噴射火、池火在容器、管線等結構上產(chǎn)生的熱載荷及水噴霧系統(tǒng)的有效性，為海洋平臺火災后果風險評估提供了基礎數(shù)據(jù)［14］。

海上LNG池火與蒸氣云火災風險研究方面也進行過一些著名試驗，包括U.S.Coast Guard China Lake tests、Maplin Sands tests、Coyote tests等，為LNG火災風險研究奠定了試驗基礎。

2.3 油氣爆炸試驗

1980～1990年，CMR在試驗基礎上最先開始可燃氣體爆炸現(xiàn)象的研究，讓業(yè)界對工業(yè)環(huán)境下的可燃氣體擴散和爆炸機制有了初步了解。隨后，國外眾多研究機構針對海洋平臺可燃氣體爆炸開始廣泛的試驗研究，發(fā)現(xiàn)爆炸超壓受多種因素影響，也是導致巨大破壞性的主要原因。

1990年，國外石油公司聯(lián)合開展的BFETS(The Blast＆Fire Engineering Project for Topside Structures，BFETS)是海洋平臺油氣火災、爆炸風險研究方面的重要課題，基于海洋平臺環(huán)境的大型氣體爆炸試驗是該項目的重要內容。階段2(1994～1997年)［15］，British Gas(GL)在英國Spadeadam試驗基地采用25.6 m×8 m×8 m裝置進行27次大型可燃氣體爆炸試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，在特定結構下可燃氣體爆炸會產(chǎn)生極大超壓;而水噴霧系統(tǒng)能夠有效降低超壓。為了進一步研究爆炸超壓產(chǎn)生機制及控制措施，UK HSE啟動階段3A，采用以甲烷為主的天然氣進行約45次全尺寸海洋平臺爆炸試［16-18］，主要研究低限制度、高擁擠度環(huán)境下的可燃氣體爆炸現(xiàn)象。文獻［16］分析45次試驗的方案設計及原始數(shù)據(jù)，并提出相關建議。文獻［19］總結了階段2和階段3A的Spadeadam爆炸試驗數(shù)據(jù)。階段3B試驗的主要目的是研究擴散氣體的點燃爆炸及真實可燃氣云的爆炸發(fā)展規(guī)律。Advantica，GexCon等研究機構在Sotra試驗基地采用8 m×2.5 m×2.5 m裝置進行約100次中等規(guī)模(50 m3)爆炸試驗，在Spadeadam試驗基地采用28 m×12 m×8 m裝置進行20次大型爆炸試驗，同時為NORSOK(2001)提出的概率性風險評估方法提供驗證數(shù)據(jù)。另外，在Thornton試驗基地采用導管裝置進行的180次試驗室規(guī)模的爆炸試驗，證明二氧化碳比氮氣在減輕超壓方面的效果好;高級烴(如乙烷和丙烷)會增加爆炸超壓。

1993年，Shell UK采用550 m3裝置進行 SOLVEX(Shell Offshore Large Vented Explosions)系列試驗［20］。裝置的一個壁面設有5.9 m×4.6 m的通風口，內部有兩組半徑為0.5 m的可移動垂直管線。分別在兩組管線、一組管線和無管線情況下進行17次甲烷-空氣、丙烷-空氣爆燃試驗，最大爆燃壓力達到3×104Pa。試驗結果被用于唯象爆炸模型SCOPE的驗證和改進。

1994年，British Gas在英國Spadeadam試驗基地進行的MERGE系列試驗是開敞結構氣體爆炸研究的重要突破［21-22］，在不同縮放比例的擁擠敞形結構中研究管徑、管距對火焰發(fā)展速度和爆炸壓力的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，管徑減小50%，體積堵塞率減小10%時，峰值爆燃壓力增加5～7倍;管徑減小50%，體積阻塞率減小20%時，峰值爆燃壓力增加2～5倍。該試驗還被用于驗證和改進相關的爆炸模型［23］，并體現(xiàn)出縮放比例法的優(yōu)勢和局限性。

海洋平臺結構復雜，不同環(huán)境條件下氣體爆炸現(xiàn)象差別很大，影響因素也各異。根據(jù)海洋平臺結構特點，國外學者分別針對管型、楔形和立方體邊角結構中的可燃氣體爆炸現(xiàn)象及影響因素進行試驗研究［24］。管型結構爆炸試驗中，通過孔口環(huán)數(shù)及內徑的變化來改變體積阻塞率，爆炸壓力范圍1×105～1.4×106Pa;試驗發(fā)現(xiàn)，體積阻塞率是影響爆炸壓力的重要參數(shù)。楔形結構爆炸試驗中，當頂部限制比例為50%時，爆炸壓力小于5×103Pa;限制比例從80%增至100%，爆炸壓力增加近2個數(shù)量級。試驗還發(fā)現(xiàn)，在爆炸早期及時將高溫燃燒產(chǎn)物排放出去是一種減緩火焰加速蔓延的有效手段。立方體邊角結構容器爆炸試驗中，障礙物密集布置條件下的火焰速度由無障礙物條件下的10 m/s增加到1 000 m/s，爆炸壓力從數(shù)千帕增大至4×105Pa。試驗表明，體積阻塞率和障礙物大小、形狀都是影響爆炸壓力的重要因素;相同障礙物條件下，阻塞率增大，壓力升高;相同阻塞率時，障礙物尺寸減小，壓力升高［25］。將上述試驗對比發(fā)現(xiàn)，立方體結構中爆炸壓力最小，楔形次之，管型最大;其內部火焰?zhèn)鞑ツＪ椒謩e為球形、圓柱形和平面形。由于球形模式下壓力波擴張更自由，其正面反饋機制沒有平面模式強烈，如產(chǎn)生相同的爆炸壓力，球形火焰則需要更大的火焰速度。試驗表明，圓柱型和平面結構中的終端火焰速度大于楔形結構中的終端火焰速度。因此，從工程應用角度來看，艙室和海洋平臺模塊應避免設計成瘦長結構，因為這種結構中平面火焰模式占主導地位，會產(chǎn)生較高的爆炸壓力。

為了改進海洋平臺可燃氣體爆炸事故的控制措施，國外眾多研究機構針對防火用的常規(guī)水噴淋系統(tǒng)對可燃氣體爆炸現(xiàn)象的減輕效應進行了大量試驗研究［26-33］。應英國能源署要求，CMR使用一個1∶5比例的海洋平臺模塊模型進行水噴淋系統(tǒng)對可燃氣體爆炸超壓影響效果的試驗研究。氣體混合物采用甲烷-空氣(8.5% ～10%)和丙烷-空氣(4.25%)，水噴淋強度為121 L/min·m2。試驗發(fā)現(xiàn)，丙烷-空氣混合物爆炸超壓約是甲烷-空氣混合物的2倍。中心點火時，水噴淋系統(tǒng)沒有明顯作用，實際上爆炸峰值壓力反而有所上升;而當端口點火且點火位置附近設有氣窗時，水噴淋系統(tǒng)啟動后爆炸超壓明顯降低，降低幅度可達1/3，證明了水噴淋系統(tǒng)對爆炸超壓的抑制作用。

噴霧和懸浮微粒性質復雜，開展兩相爆炸試驗難度較大。Bowen等［34］采用SOLVEX試驗裝置研究海洋平臺懸浮微粒爆炸現(xiàn)象，通過圖像分析技術觀察到特殊的外部渦流現(xiàn)象。試驗表明，燃料揮發(fā)性是控制兩相爆炸的主要因素。文獻［35］全面總結了烴類物質兩相(液體-蒸氣混合物)爆炸研究的理論、試驗和數(shù)值計算方法方面的最新進展。現(xiàn)有理論和技術可以實現(xiàn)兩相爆炸的保守模擬分析，特定條件下可以將其作為可燃氣體爆炸來研究;但當液滴半徑達到20～30 μ時，上述方法不再適用。

3 可燃氣體爆炸模型

海洋平臺空間結構特點決定了可燃氣體爆炸現(xiàn)象的復雜性，通過試驗建立可靠的理論模型準確描述爆炸發(fā)展過程，符合工程應用的需要。國內外學者基于試驗和理論假設提出適合海洋平臺環(huán)境的可燃氣體爆炸模型，主要分為經(jīng)驗模型、唯象模型和計算流體動力學(CFD)模型。

3.1 經(jīng)驗模型

經(jīng)驗模型是基于試驗數(shù)據(jù)分析得到的關系式建立的，是評估爆燃超壓的最簡單方法，但其對爆炸理論的簡化也影響模型的預測精度。常用的氣體爆炸經(jīng)驗模型有:TNT當量模型、TNO模型、Multi-Energy模型、Baker-Strehlow模型、CAM(Congestion Assessment Method)模型和SLAM(Sedgwick Loss Assessment Method)模型等。

TNT當量模型已被廣泛用于海洋平臺可燃氣體爆炸峰值壓力的預測［36-37］，基本原理是將TNT爆炸的壓力-距離曲線應用于可燃氣體爆炸，根據(jù)爆炸氣云中的能含量估計出與之等效的TNT炸藥量。ME多能模型可用于開敞空間可燃氣云爆炸的壓力場研究。荷蘭CPR14E手冊采用TNO模型和TNT當量模型來計算逃離過程中爆炸事故的物理效應，在其修正版中，TNO模型被Multi-Energy模型取代。

3.2 唯象模型

唯象模型以理想系統(tǒng)(即一個含有大量湍流生成網(wǎng)格的單獨放氣室)為基礎，描述爆炸現(xiàn)象的基本特征，可預測較大范圍內的爆炸超壓。

SCOPE模型(Shell Code for Over-pressure Prediction in gas Explosions)是阻塞通風空間內可燃氣體爆炸預測方面發(fā)展最為完善的唯象模型，由殼牌石油公司桑頓研究中心開發(fā)，可預測海洋平臺受限或阻塞空間內的蒸氣云爆燃超壓。

CLICHé模型(Confined LInked CHamber Explosion)由Advantica開發(fā)，可模擬具有許多分散障礙物的受限空間蒸氣云爆炸現(xiàn)象。模型最初用于建筑內部的受限爆炸模擬，在通風容器爆炸方面得到很好應用，目前其應用已發(fā)展至海洋平臺及岸上裝置的可燃氣體爆炸模擬研究。

3.3 CFD模型

CFD(Computational Fluid Dynamic，計算流體動力學)模型即數(shù)值模型，根據(jù)氣體動力學方程、湍流方程、燃燒方程共同描述氣云的爆炸過程，利用有限元法、有限差分法或有限體積法對方程進行求解。CFD模型能精確描述高度非線性的爆炸傳播過程，更適合可燃氣體爆炸過程的模擬分析，但目前還不能精確模擬湍流燃燒流動。

學術研究及工程應用領域中基于CFD理論的氣體擴散、火災爆炸模擬軟件有:EXSIM、FLACS、FLUENT、AutoReaGas、CFX、COBRA、NEWT、REACFLOW、Imperial College Research Code和其他研究性軟件。在當今追求工程安全的背景下，GexCon AS公司研發(fā)的FLACS軟件是基于CFD爆炸模擬的行業(yè)標準，也是用于模擬可燃和毒性氣體泄漏擴散有權威的軟件之一。軟件采用分布式多孔結構的思想表現(xiàn)幾何形狀，用亞格子模型表示小于網(wǎng)格尺度的火焰，體現(xiàn)了其較其他CFD軟件的優(yōu)勢。軟件已被大多數(shù)石油與天然氣公司、技術安全咨詢、研究機構和高校等成功用于海洋結構物爆炸研究、岸上建筑風險評估、氣體探測器優(yōu)化、毒性氣體擴散、粉塵爆炸和事故調查等方面。FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，靈活的非結構化網(wǎng)格和基于解的自適應技術及成熟的物理模型使其在轉換與湍流、氣體泄放與擴散、傳熱與相變、化學反應與燃燒等方面均有廣泛應用。如魏超南等［38］采用FLUENT研究了海上自升式鉆井平臺井噴天然氣的運動行為與危險區(qū)域的分布規(guī)律。AutoReaGas由CDL和荷蘭TNO-PML于1993年合作開發(fā)，基于Navier-Stokes和Euler求解器，用于氣體爆炸和爆轟波的傳播分析，并通過一系列小、中、大規(guī)模的氣體爆炸試驗驗證了模擬結果的可靠性。該軟件專門用于擁塞和限制(敞開和封閉)的環(huán)境中，并可輸出結果到AUTODYN中進行流固耦合分析，在海洋平臺和FPSO爆炸案例中均得到成功應用。

4 火災/爆炸作用下海洋平臺結構載荷及結構響應研究

4.1 火災/爆炸載荷分析

火災、爆炸作用在海洋平臺結構上產(chǎn)生的瞬態(tài)熱效應和爆炸超壓等載荷是導致平臺結構材料力學性能發(fā)生變化進而失去承載能力引起平臺傾覆的直接原因。

BFETS JIP和EFEF JIP是近年來海洋平臺油氣火災爆炸載荷研究方面的兩個重要課題。BFETS項目在油氣火災、爆炸試驗基礎上結合CFD技術研究了平臺結構及作業(yè)人員可能面臨的油氣火災、爆炸載荷問題［39-40］。研究發(fā)現(xiàn)，海洋平臺爆炸超壓比預想中的嚴重得多;水噴霧系統(tǒng)可有效降低爆炸超壓影響;CFD技術在火災、爆炸載荷計算方面發(fā)揮了重要作用。2008～2010年，韓國釜山國立大學、Nowatec AS等研究機構合作開展EFEF JIP(the Joint Industry Project on Explosion and Fire Engineering of FPSOs)，基于CFD和非線性有限元理論重點針對FPSO的上部模塊、設備在可燃氣體爆炸作用下的爆炸火災載荷、結構破壞及風險等級進行系統(tǒng)研究［41-44］，開發(fā)火災爆炸風險分析的可視化軟件，研究噴射火作用下結構部件的載荷特點，建立起一套完整有效的FPSO油氣火災爆炸定量風險評估與控制體系。

基于CFD的數(shù)值模擬技術是油氣火災、爆炸載荷預測的重要方法，它可以有效地仿真試驗結果和驗證理論模型的預測結果。Takahashi等［45］提出采用3D-CAD、CFD技術和FEA方法進行爆炸模擬分析，研究氣體擴散、爆炸超壓和結構響應等問題。這一綜合仿真模擬技術可有效用于海上油氣生產(chǎn)設施的火災爆炸風險分析和優(yōu)化設計。Hoise等［46］通過EXSIM對海洋平臺氣體爆炸現(xiàn)象進行大量模擬后發(fā)現(xiàn)，爆炸壓力或脈沖與可燃氣云體積之間存在近似的線性關系，爆炸壓力和持續(xù)時間之間是近似的反向關系。Anna Qiao等［47-48］通過CFD方法研究防火/爆墻、水噴霧系統(tǒng)和被動防火材料等在降低爆炸超壓、高溫影響方面的效果，發(fā)現(xiàn)合理布置防爆墻可提高其抗爆能力，水噴霧系統(tǒng)可有效降低爆炸超壓。Mohammad Dadashzadeh等［49］采用專業(yè)爆炸模擬軟件FLACS再現(xiàn)了BP“深水地平線”井噴擴散及爆炸事故的發(fā)展過程，研究識別出平臺超壓區(qū)域，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機艙和平臺上高擁擠度的區(qū)域內爆炸超壓分別達到1.7×105和8×104Pa，并得出結論:低擁擠度區(qū)域的超壓低，高擁擠度區(qū)域的超壓高。J T Berg等［50］采用相同軟件進行上、下工藝甲板之間的格柵、三種不同的隔墻、兩種不同的隔離間隙結構等風險控制因素對爆炸超壓影響的布局敏感性分析，以此為FPSO本質安全設計提供指導。

國內方面，魏超南等［51］基于CFD理論研究了海上自升式鉆井平臺井噴天然氣爆燃超壓及火焰的動態(tài)發(fā)展規(guī)律，并評估其危害程度與影響范圍。劉沛華等［52］在試驗基礎上借助FDS、CFAST軟件進行海洋平臺受限空間火災的數(shù)值模擬，從疏散時間和疏散路徑等角度對人員疏散策略進行優(yōu)化分析和安全性評估。郭杰等［53］建立海洋平臺油氣處理系統(tǒng)原油泄漏的火災動力學模型。通過對比不同脫險梯道受火災影響程度，確定了最有利于人員疏散的路徑;設備泄漏孔徑越大，火災危險性越大，越不利于人員疏散。孫彥杰［54］應用DNV風險評估軟件針對海洋平臺典型危險區(qū)域(燃油儲存區(qū)、輸油泵房和量油分離器)的火災、爆炸風險進行模糊綜合安全評估。李晶晶等［55］以灘海油氣平臺為對象，利用大渦模擬軟件FDS研究了油氣傳輸區(qū)因管線油氣泄漏引發(fā)的火災事故中火焰幾何特性、溫度與熱輻射的危險區(qū)域，并探討了風向對火災事故的影響規(guī)律。

4.2 平臺結構響應分析

平臺結構在高溫載荷作用下，其彈性模量、屈服強度等力學性能將會被迅速改變，乃至失去支撐或隔斷能力。了解海洋平臺構件在油氣火災、爆炸載荷作用下的動態(tài)響應特點對于優(yōu)化平臺結構設計、改善材料性能等都具有重要的指導意義。

據(jù)HSE事故統(tǒng)計，海洋平臺火災、爆炸事件通常是伴隨發(fā)生的，但對平臺結構造成重大破壞的主要因素是火災作用。Donegan等［56］通過開展構件火災試驗發(fā)現(xiàn)，火載荷作用下平臺結構行為隨材料性能的不同而發(fā)生變化，溫度應變是引起結構不穩(wěn)定、結構倒塌的主要原因。例如，1988年的Piper Alpha平臺事故由壓縮機小型爆炸引起，但導致平臺摧毀的主要原因是火災。

超壓沖擊波與結構間的耦合作用也是油氣爆炸事故影響研究中的重要問題。Robertson等［57］首次提出采用AUTOREAGAS和AUTODYN 3D來研究爆炸-結構之間的耦合作用及結構在載荷作用下的移動問題。研究發(fā)現(xiàn)，立方體結構發(fā)生變形的同時不能將爆炸沖擊波再反射回去，壓力載荷實際上減小了。與假設載荷與結構不存在耦合的情況下相比，最大撓度減小25%左右。Savage等［58］采用非線性結構動力分析法研究了海洋平臺支撐系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)以及結構部件的極限承載能力，并計算防爆墻的壓力脈沖持續(xù)時間。

國內方面，文獻［59-62］基于有限元理論，采用多歐拉-拉格朗日耦合方法和ROE求解方法對海洋平臺甲板、艙室、防爆墻等復雜結構在油氣爆炸沖擊載荷作用下的動態(tài)響應進行了計算分析。研究發(fā)現(xiàn)，主甲板和縱、橫艙壁結構作為迎爆面遭受損傷較大;半橢圓防爆墻結構具有更好的防爆效果。火災、爆炸作用下的結構溫度場分析是一個固體物質的熱傳導問題。文獻［63-65］采用彈塑性方法和高溫狀態(tài)下鋼材的理想應力-應變本構關系，根據(jù)能量守恒原理建立瞬態(tài)熱傳導的基本微分方程，分析海洋平臺在火載荷作用下的結構響應特點和失效機理。韓圣章和胡云昌［66］采用能量法建立板的撓度公式，并進行海洋平臺艙室在爆炸載荷作用下發(fā)生破損的變形分析，為油氣田定量風險評估及事件升級分析提供基礎。研究認為，防爆墻和艙室板構件都應用梁構件予以支撐，以減小局部變形。還將噴射火焰能量與鋼材性能相結合，采用簡化辦法建立了火災載荷作用下平臺立管溫度變化模型，分析立管隨溫度變化發(fā)生破壞的可能性，為平臺立管的防護提供依據(jù)［67］。

5 總結與展望

災害條件下的海洋平臺結構安全可靠性是海洋工程中較有難度和挑戰(zhàn)性的重要研究領域，特別是油氣火災、爆炸等災難性事件。文章從油氣擴散、火災爆炸試驗、爆炸模型、火災/爆炸載荷及其結構響應等方面全面總結了近年來最新的研究進展，其發(fā)展趨勢可總結為:基于工程經(jīng)驗、專家判斷等方法的定性評估向基于仿真模擬(有限元理論、CFD技術等)和現(xiàn)場試驗相結合的定量評估發(fā)展;基于特定場景的確定性評估向基于所有可能場景的概率性評估發(fā)展。

惡劣環(huán)境下海洋平臺作業(yè)安全性已經(jīng)對重大災害演變機理及其作用下的平臺結構可靠性評估提出了迫切需求，特別是歷年來發(fā)生的一系列火災、爆炸等重大災難事故更是給世界范圍內海洋石油工業(yè)的健康發(fā)展敲響了警鐘。相關研究已經(jīng)取得重要進展，但還有待完善，未來有可能或需要進一步研究的內容有:

1)現(xiàn)場試驗是研究海洋平臺油氣火災、爆炸機理及結構風險最直接、最可靠的方法，且對工程應用中平臺火氣監(jiān)控系統(tǒng)、被動防火保護等的優(yōu)化設計具有重要指導意義。鑒于國外在這方面已有豐富經(jīng)驗，國內學者和研究機構可作為借鑒開展相關試驗研究，在足夠的全尺寸試驗基礎上驗證和支持數(shù)值模擬結果，以指導我國海洋平臺安全保護系統(tǒng)設計與優(yōu)化，以期打破國外關鍵技術壟斷。

2)國外開展的海洋平臺爆炸試驗多集中在密閉空間內障礙物、環(huán)境條件等因素對爆炸超壓及火焰加速的影響，較少涉及開敞空間(如海洋平臺上部模塊)內火災、爆炸現(xiàn)象。例如，浮式生產(chǎn)系統(tǒng)FPSO的油氣生產(chǎn)處理設施主要布置在露天上部模塊，同樣存在較大的油氣泄漏及火災、爆炸風險。因此，海洋平臺開敞空間油氣火災、爆炸現(xiàn)象及相關理論研究應引起重視，將成為今后試驗研究的重點。

3)經(jīng)驗模型和唯象模型計算快，精度較差，適合工程應用中對爆炸超壓的粗略評估。以CFD為代表的數(shù)值模擬方法能夠考慮影響氣體爆炸的眾多因素，模擬精度高，優(yōu)勢明顯，在可燃氣體爆炸場預測方面將得到更廣泛應用。但數(shù)值仿真技術還存在一定局限性，例如目前還不能精確模擬湍流燃燒流動，還需國內外學者在試驗數(shù)據(jù)基礎上對模型進行不斷完善，提高模型適用性和可靠性。

4)基于CFD和非線性有限元理論的數(shù)值仿真技術已成為海洋平臺油氣火災、爆炸載荷及結構響應研究的主流方法。但需要指出，結構風險評估應當系統(tǒng)全面地考慮失效概率和失效后果兩方面因素。目前國內外研究重點主要集中在海洋平臺油氣火災、爆炸失效后果分析方面，真正從風險角度綜合考慮失效后果和失效概率的研究相對匱乏，還需進一步研究。

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