李修峰，賈廷亮，王磊

中海油安全技術服務有限公司伊拉克分公司（天津 300456）

油氣泄漏引發(fā)的火災爆炸事故是海洋油氣作業(yè)面臨的主要風險，可燃氣云燃爆產(chǎn)生的高溫、高壓和熱輻射將會對設備造成損害，引起更大量的天然氣泄漏而加劇事故風險[1]。國內外對海洋作業(yè)油氣燃爆風險已開展廣泛研究，包括可燃氣體泄漏擴散過程、燃爆超壓、高溫、熱輻射變化規(guī)律[2-5]，海洋平臺油氣燃爆事故頻率計算方法及燃爆風險管理方法[6]，燃爆風險評估框架[7]，燃爆風險定量評價[8]等。采用場模擬理論，利用CFD軟件模擬泄漏天然氣燃爆及火災發(fā)展過程，分析可燃氣云分布及火災高溫傷害范圍，定量評價井口天然氣泄漏燃爆危險性。

1 數(shù)值仿真模型

1.1 理論模型

井口泄漏天然氣點燃后發(fā)生燃燒爆炸并產(chǎn)生高溫和熱輻射。采用CFD 數(shù)值仿真軟件模擬泄漏天然氣被點燃后火災發(fā)展過程及高溫、熱輻射的危害范圍。CFD 仿真模型中，采用計算高效、應用廣泛的混合分數(shù)燃燒模型模擬泄漏氣體的燃燒過程，通過求解混合組分分布的輸運方程以計算燃燒產(chǎn)物各組分的分布。

混合分數(shù)燃燒模型的基本假設條件是：流體的瞬時熱化學狀態(tài)僅與單一的守恒標量混合分數(shù)f相關。其計算公式為:

式中:Zk為元素k的質量分數(shù)；Zi,ox為氧化劑入口處的質量分數(shù)；Zi,fuel為可燃物入口處的質量分數(shù)。燃燒過程中對化學反應的計算，可采用化學平衡假設和基于燃燒富限值方法的非化學平衡假設。

采用P-1 輻射模型考慮燃燒熱輻射散射作用，求解輻射能力傳遞方程，計算燃燒過程中的熱輻射。輻射熱量計算公式為:

式中:qr為輻射熱量；α為吸收系數(shù)；σs為散射系數(shù)；C為線性各相異性相位函數(shù)系數(shù)；G為入射輻射。

1.2 數(shù)值仿真模型

以某鉆井平臺為例（圖1），建立數(shù)值仿真模型及網(wǎng)格模型（圖2），設置邊界條件，通過設置參數(shù)可在模擬軟件中分析可燃氣燃燒后火焰發(fā)展過程。

圖1 某鉆井平臺

圖2 數(shù)值分析網(wǎng)格模型

網(wǎng)格模型中計算域為400 m×200 m×300 m（長、寬、高），由于計算域較大，劃分網(wǎng)格模型時設置網(wǎng)格單元按增長倍數(shù)（1.01）從井口向四周區(qū)域逐漸增大，既可有效模擬井口附近可燃氣燃燒過程，又可節(jié)省計算資源，總網(wǎng)格數(shù)為500萬。

求解時，井口設置為mass flow inlet定義泄漏氣體的質量流速，平臺表面及計算域底面設置為Wall，計算域來風面設置為velocity inlet定義風速大小，計算域頂面和兩側設置為symmetry，出流面設置為outflow。

計算分兩步：①求解泄漏天然氣擴散后形成的可燃氣云的分布范圍；②井口設置點燃點，求解可燃氣云點燃后火焰的溫度和熱輻射的影響范圍。

2 井口泄漏天然氣可燃氣云分布

井口泄漏天然氣主要成分為CH4，其體積分數(shù)為99.6%，作業(yè)海域海況記錄平均風速5.5 m/s。該井天然氣試采量為（1～100）×104m3/d。選取危險等級最高的100×104m3/d 氣量分析泄漏天然氣擴散過程，計算過程中假設氣體持續(xù)泄漏，平均流量為700 m3/min。

井口天然氣泄漏后，高速流動的氣體在井口壓力作用下迅速擴散，短時間內沿井口方向擴散距離即達到60 m，并沿平臺橫向和縱向形成一定的擴散范圍。100 s左右各方向擴散范圍即達到穩(wěn)定狀態(tài)，如圖3 所示。通過軟件計算，圖4 為穩(wěn)定狀態(tài)下井口天然氣可燃氣云（5%CH4）分布，主要分布在鉆臺上方井架附近。穩(wěn)定狀態(tài)下，可燃天然氣積聚覆蓋體積為517.81 m3，水平面覆蓋半徑達到23.43 m，垂直方向最遠擴散至61.56 m，覆蓋鉆臺上方絕大部分區(qū)域。受井口高壓作用，可燃氣云主要分布在井口上方井架附近，來風作用下可燃氣云分布偏近生活區(qū)，如圖5所示。

圖3 泄漏氣體擴散范圍變化

圖4 井口泄漏天然氣可燃氣云

圖5 可燃氣云平面分布

3 泄漏天然氣燃燒危險性分析

井口泄漏天然氣擴散穩(wěn)定后，可燃氣云分布范圍最大，假設在井口附近遇點火源并引發(fā)爆燃，圖6為可燃氣云燃爆發(fā)展過程。

圖6 可燃氣云燃爆過程

可燃氣云在點火源作用下發(fā)生燃燒（圖6（a）），火勢瞬間擴大，短時間內向四周快速蔓延(圖6（b）)，呈燃爆狀態(tài)。外部流動氣流作用下火焰頂端燃燒范圍迅速增大，火焰邊緣急劇膨脹，呈現(xiàn)蘑菇云形狀（圖6（c））。隨著井架上方可燃氣云燃燒，預混可燃氣量減小，火焰燃燒范圍縮小并逐漸穩(wěn)定，并在來風作用下火焰開始向下風向逐漸偏斜。從點燃開始經(jīng)過10 s 左右，燃爆演變?yōu)榉€(wěn)定的噴射火燃燒。根據(jù)燃燒火焰?zhèn)εR界溫度，建立燃燒火焰形成的臨界損傷溫度等值面分布，如圖7所示。

根據(jù)燃燒火焰?zhèn)εR界溫度，391 K 溫度界面將造成人體灼傷，453 K 溫度界面將造成人體嚴重傷害，673 K溫度界面將造成鋼結構強度部分失效，873 K溫度界面將導致鋼結構全部失效。

T=873 K 和T=673 K 溫度場主要分布在鉆臺上部井架區(qū)域，持續(xù)燃燒使得井架及設備在短時間內即喪失結構強度，失去承載能力，造成井架倒塌、設備損毀，進而引發(fā)其他事故。T=453 K和T=391 K溫度場分布范圍明顯增大，該區(qū)域內作業(yè)人員可能受到嚴重燒傷，嚴重時會有生命危險。若人員不及時撤離，可能造成較大的人員傷亡事故?；鹧媾R界損傷溫度分布范圍見表1。

圖7 火焰臨界損失溫度分布

表1 火焰臨界損傷溫度危害范圍

燃燒火焰形成的熱輻射對人員和設備造成損傷，越接近火焰中心，熱輻射強度越高，熱輻射場以輻射核心為中心呈向外圍空間發(fā)展，熱輻射強度逐漸減弱。

如圖8 和表2 所示，熱輻射強度35 kW/m2等值面最大覆蓋半徑為20.77 m，此范圍內，短時間內井架結構將受到嚴重損壞，作業(yè)人員100%死亡；在覆蓋半徑為20.77～25.76 m 時，熱輻射強度為25～35 kW/m2，鋼結構連續(xù)暴露30 min 以上將發(fā)生明顯變形；作業(yè)人員暴露10 s 內將嚴重燒傷，超過1 min 將導致100%死亡；半徑在25.76～30.02 m，熱輻射強度為13.5～25 kW/m2，井架結構受輕微破壞，超過1 min人員有生命危險；在半徑30.02～36.96 m 時，熱輻射強度為9.5～13.5 kW/m2，人員暴露超過20 s 可能造成二度燒傷；半徑超過48 m 范圍后，熱輻射等級不會對井架及平臺結構造成影響。

圖8 燃燒熱輻射分布

表2 熱輻射強度等值面空間范圍

4 結論

1）井口泄漏天然氣在井架附近形成可燃氣云，可燃氣云的空間體積達517.81 m3，覆蓋半徑可達23.43 m。

2）可燃氣云被點燃后初期呈現(xiàn)燃爆狀態(tài)，短時間內（約10 s）即轉變?yōu)榉€(wěn)定的噴射火。

3）燃燒半徑19.88 m 范圍內受高溫作用鋼結構短時間失去承載能力，32.17 m范圍內作業(yè)人員面臨生命危險。

4）燃燒半徑30.02 m 范圍內鋼結構受熱輻射損害，48 m范圍內人員受熱輻射傷害。