FPSO上部模塊爆炸場景模擬研究

劉玉亮,谷家揚,李 榮,萬家平,蔡 靈

(1.中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司,天津 300452;2.江蘇科技大學 海洋裝備研究院,江蘇 鎮江 212000;3.南通中遠海運船務工程有限公司,江蘇 南通 226000)

0 引言

FPSO這種具有油氣設備管路復雜、人員密集和作業空間狹小的海上石油生產設施,一旦發生泄露后會引起爆炸事故,對工作人員的生命安全和設備財產造成巨大的破壞,因此對于FPSO上部模塊的爆炸場景的模擬研究具有十分重要的意義[1]。

國內外的學者對于可燃氣體爆炸模型進行了大量的研究。CHAPAMAN等[2]通過管道可燃氣體爆炸研究提出了C-J爆炸理論模型,并對可燃氣體爆炸的整個過程進行了系統性的概述;林伯泉等[3]通過研究瓦斯氣體爆炸過程中的障礙物對于爆炸沖擊波及燃燒火焰的影響,驗證了爆炸火焰在障礙物處的湍流現象;VALERIA等[4]基于大渦模擬理論模擬火焰與渦旋的相互作用,分析了網格密度對燃燒模型的影響;JI等[5]使用FLACS軟件模擬某小區的天然氣泄露爆炸場景,得出了爆炸事故發生時可燃氣體的濃度、爆炸產生的燃爆云形狀及位置,并對防止此類事故提出了安全措施。

本文以FPSO的上部油氣處理模塊為研究對象,使用FLACS軟件對油氣處理模塊進行三維建模,并減小模型孔隙率以符合實際的工作環境,選取不同的點火位置作為不同工況,對不同爆炸工況下的爆炸超壓、爆炸燃燒產物、爆炸超壓數值進行計算分析,總結不同工況下爆炸事故后果的嚴重程度,可供模塊的設備布置提供參考。

1 計算模型

1.1 爆炸模型

由于在進行模塊的三維建模時將油氣處理模塊內部的處理設備與細小油氣管路進行了簡化處理,導致氣體爆炸在模擬過程時模塊的阻塞率減小,孔隙率增大,使得爆炸產生的超壓與實際情況差別巨大[6]。為了模擬實際工作場景下模塊內部的孔隙率,對模塊內部主要工藝區域加入直徑為0.35 m、間距為1.5 m的圓管以降低結構的孔隙率。模塊的整體尺寸(長×寬×高)為38 m×22 m×18 m,且模塊內部的所有甲板都有格柵覆蓋。模型和坐標系布置見圖1。

圖1 減小孔隙率后的爆炸模型

1.2 爆炸點火位置

由于油氣處理模塊的主要油氣處理設備分布于第一層甲板與第二層甲板之間,且每層甲板之間均有格柵覆蓋,因此假設可燃氣體云分布于第一層甲板與第二層甲板之間。

本文著重研究可燃氣體云在不同點火位置對爆炸超壓的影響,見圖2。

圖2 不同點火位置示意圖

2 結果分析

2.1 爆炸超壓云圖

不同工況下的點火位置處XZ平面爆炸超壓云圖見圖3。從圖中可以看出,當可燃氣體點火位置位于氣體云X方向的中心位置時,壓力波自氣體云中心位置由內向外規則擴散,此時爆炸超壓的覆蓋范圍最大;當點火位置位于Y方向的中心位置時,爆炸產生的壓力波向結構外側蔓延,位于結構內的爆炸超壓由于孔隙率更小且有障礙物阻擋的原因,爆炸超壓的數值明顯比結構外側的更大;當點燃位置位于Z方向的中心位置時,爆炸超壓沿高度方向的分布更高,且爆炸壓力波的分布形狀更接近圓形。爆炸超壓較大的區域主要位于儲氣罐和支柱區域,且模塊下甲板受到的超壓分布相較于上甲板更大。

圖3 不同工況爆炸超壓云圖(單位:kPa)

對于所有工況來說,當點燃點位于氣體云中心時,爆炸產生的超壓最大,且爆炸壓力波的分布范圍更廣,因此當點火位置位于氣體云中心時的爆炸場景最危險。

2.2 燃燒產物云圖

不同工況下的點火位置處XZ平面爆炸燃燒產物云圖見圖4。

圖4 不同工況爆炸燃燒產物云圖(單位:kPa)

從圖中可以看出,當氣體云點火位置在氣體云X、Y方向的中心時,可燃氣體燃燒產物自點火位置由內向外發散規則,且氣體燃燒產物在達到氣體云外側后濃度減小。氣體燃燒產物在水平面內的傳播速度大于在高度方向的傳播速度,是因為受到第二層甲板的遮蔽作用,減緩了向上傳播的速度。當點燃位置位于氣體云外部時,因密度原因氣體燃燒火焰向上傳播的趨勢明顯,且結構內側的氣體燃燒產物傳播速度比結構外側更快。

2.3 爆炸超壓數值分析

通過選取氣體云中心處上下甲板X、Y方向的監測點爆炸超壓數值,研究爆炸超壓在空間上水平方向的傳播規律和大小分布,監測點的布置見圖5。

1～24—監測點。

為探究爆炸超壓最大值和形成的時間,故整個爆炸過程只選取爆炸超壓段,忽略前期點火時間和后期爆炸波反射時間,爆炸超壓數值見圖6～圖9。

圖6 Case1爆炸超壓數值

圖8 Case 3爆炸超壓數值

圖9 Case 4爆炸超壓數值

從圖中可以看出,Case1～Case 4第一層甲板的爆炸超壓最大值分別為17、31、22、20 kPa,第二層甲板的爆炸超壓最大值分別300、300、870、840 kPa。由于第一層甲板在主甲板上有阻擋效應,所以第二層甲板爆炸超壓的數值遠大于第一層甲板爆炸超壓的數值。第一層甲板僅有結構邊緣的2個監測點會有超壓的存在,其他的監測點基本均為負壓情況。這是因為中心的監測點離點火位置較進,壓力波傳遞較為困難。第二層甲板以Case1第二層甲板橫向檢測點為例,結構內側至結構外側對稱的3組監測點爆炸最大爆炸超壓數值分別為130、210、300 kPa,最大超壓產生的時間分別為0.515、0.525、0.530 s。結構外側的監測點檢測到爆炸超壓的時間快于結構內側的監測點,且監測點越偏向結構外側爆炸超壓數值越小。Y方向的爆炸超壓數值大于X方向的爆炸超壓數值。

3 結論

(1)泄露氣體在簡化為長方體氣體云且點火位置在氣體云中心時,上甲板的爆炸超壓數值最大,可燃氣體燃燒產物傳播的范圍最遠。

(2)爆炸過程中結構外層相對于結構內側預先產生爆炸超壓。上甲板結構外側的爆炸超壓數值取得最大值的時間比結構內側的爆炸超壓數值取得最大值的時間更少,但最大值更大。

(3)爆炸產生的火焰在結構內側從爆炸位置均勻向外傳播,且火焰受到甲板的阻隔時會發生火焰回流。

(4)對于油氣處理中的關鍵設備應布置于第一層甲板的中心位置,可以減輕關鍵設備由于油氣爆炸造成的損壞。