石油与天然气化工  2016, Vol. 45 Issue (2): 92-97
立管飞溅区泄漏火灾事故的数值模拟分析
谭珮琮 1, 李小龙 1, 卢德杰 1, 石一丁 2     
1. 中海石油深海开发有限公司;
2. 英国劳氏船级社
收稿日期：2015-12-07
基金项目：国家科技重大专项“南海深水油气开发示范工程”(2011ZX05056)
作者简介：谭珮琮(1985-)，女，硕士，工程师，现就职于中海石油深海开发有限公司，主要从事海洋油气田工程设计与安全分析工作。E-mail: tanpc@cnooc.com.cn.
摘要：为研究立管喷射火对海上平台人员及结构安全的影响，应用专业三维CFD火灾模拟软件KFX对某海上平台30 in(1 in=25.4 mm)立管在飞溅区发生的喷射火进行模拟。根据相关行业标准及破坏准则，分析了20 mm、50 mm孔径和断裂泄漏喷射火对平台救逃生路线、生活楼、救生艇、直升机甲板、结构及其他立管的影响。模拟结果表明，由于有限的泄漏速率和平台甲板及障碍物的阻挡，20 mm和50 mm孔径泄漏喷射火影响范围较为有限，不会对平台人员救逃生产生影响，需要关注可能导致的事故升级。断裂泄漏喷射火将对平台人员救逃生产生重大影响，对平台结构造成严重破坏。进行点火源隔离避免火灾的发生，或者尽量缩短火灾的持续时间是应对断裂泄漏的有效对策。
关键词：海上平台    立管    喷射火    CFD    模拟    应急准备    
Numerical simulation and analysis of riser leakage and fire accident in the splash zone of the offshore platform
Tan Peicong1 , Li Xiaolong1 , Lu Dejie1 , Shi Yiding2     
1. CNOOC Deepwater Development Limited Company, Zhuhai 519000, China;
2. Lloyd's Register Consulting, Beijing 100013, China
Abstract: In this paper, simulation of jet fire in the splash zone due to 30″ riser leakage are performed by 3D CFD fire modelling software KFX to study the impacts of the jet fire on people safety and platform structure. The radiation flux of jet fire caused by 20 mm and 50 mm orifices leakage and rupture are analyzed as well as the influence to escape route, living quarter, life boat, helideck, platform structure and other risers. The simulation results show that the jet fire impacting area due to 20 mm and 50 mm orifice leakage is limited because of the obstruction of platform decks and blockage. The jet fire would not impair the escape route on platform significantly, but the escalation potential of other risers should be taken into consideration. The jet fire due to riser rupture would cause impairment of the platform structure. Ignition source isolation and shut down of the riser are the effective measures to mitigate the riser rupture accident.
Key Words: platform    riser    jet fire    CFD    simulation    emergency preparedness    

海上平台立管是海底管道爬上海上平台管段的总称。立管是海底管道系统中的薄弱环节。据统计，在1980~2005年间，英国大陆架固定式平台设施中，共有48起立管失效事故发生。1990~2000年间，在北海安装的立管中，共发生立管损坏事故60起，刚性立管泄漏事故12起，柔性立管泄漏事故12起，刚性立管附件泄漏13起。根据泄漏位置划分，发生在飞溅区的泄漏事件占总体泄漏事件的57%[1]。因此，立管在飞溅区的泄漏是最主要的立管泄漏情形。如果立管泄漏后被点燃形成火灾，将对平台人员及财产安全造成严重威胁。因此，研究立管飞溅区由于泄漏所导致的火灾影响，对于海上平台风险分析及应急准备管理具有实际意义。

近年来，国内外对于立管的泄漏风险研究均投入了较多精力，欧美国家特别是北海海域周边国家在该领域处于领先地位。从立管火灾后果研究方面来看，目前国外采用较多的是基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)的数值模拟技术进行的三维火灾模拟[2-3]。

CFD技术在火灾领域的应用是在工业技术的发展以及日益增长的安全要求背景下完成的。基于CFD技术的数值模拟软件能够获得更加接近真实的计算结果，在工程设计和风险评估领域得到了越来越广泛的应用，也是未来定量风险评估和安全设计领域的发展趋势[4]。由于实际立管喷射火实验代价高昂，难以实现，因此利用专业CFD软件进行火灾模拟，并结合平台情况进行应急准备分析具有实际工程意义。

本文将以国内某海上平台为例，模拟立管在飞溅区发生泄漏后形成的喷射火，分析火灾对平台的影响。分析还将考虑不同的泄漏孔径对火灾后果的影响，并对平台立管的风险管理和应急准备提出建议。

1 模拟软件介绍

Kameleon FireEx (KFX)是用于模拟气体扩散和火灾的三维瞬态模拟软件[5]。KFX可以进行封闭或开放空间的重质和轻质气体的扩散及烃类物质的池火、喷射火和喷雾火的模拟。KFX的孔隙度网格处理方法能够高效模拟复杂环境条件下，几何结构对通风、燃烧及传热的影响。KFX拥有先进的三维前后处理模块，可以高质量地表现气体、烟雾和温度场的发展和分布过程。该软件已经通过大量不同类型和尺度实验结果的验证以及工业领域的广泛实践[6]，得到世界范围内众多石油天然气公司、工程公司、咨询公司和科研机构的认可，广泛用于陆上及海上石油化工装置及工程设施的风险评估及设计工作。

2 几何模型

以某平台为例，根据平台平面布置图，用KFX自带建模工具进行建模。模型尺寸为平台实际尺寸, 平台结构、设备布局及各单元撬块与设计尺寸相符。该平台三维几何模型见图 1。该平台下层甲板距离海平面19 m，带缆走道距离海平面9 m。生活楼位于平台上层甲板东侧，直升机甲板位于生活楼顶部, 救生艇位于生活楼一层的东侧。下层甲板西侧设有立管区，包含多根立管，其中直径最大的为30 in(1 in=25.4 mm)立管，该立管为气体管线。

图 1     平台东北方向鸟瞰图 Figure 1     Bird view of the platform from northeast

3 破坏准则

根据相关文献[7]，钢板、钢梁、导管架腿柱、工艺管道、立管、容器在火灾中失效的时间见表 1。表 1中的失效时间数据未考虑水喷淋冷却和被动防火保护措施。其火灾场景平均热通量分别为：喷射火200 kW/m2、池火100 kW/m2。

表 1    工艺设备和结构在火灾中失效的时间 Table 1    Failure time of the process equipments and structures in the fire

平台设计时采用水喷淋冷却措施保护工艺设备和管道。火灾试验和工业事故表明，对池火灾可以考虑水喷淋措施的减缓效果；但对喷射火，水喷淋的减缓效果可以忽略不计。根据NORSOK S001中的相关原则[8]，本文将不考虑水喷淋的作用。

在分析喷射火热辐射时，除需考虑辐射热外，还需考虑对流传热的贡献。对流传热的热通量与泄漏质量流量相关，但当烃类气体泄漏速率大于1 kg/s时，通常假设对流热通量为120 kW/m2 [9]。火灾中主要安全功能单元破坏准则列于表 2[10]。应用该准则对安全功能单元是否失效进行评估。

表 2    人员暴露和主要安全功能单元失效准则 Table 2    Failure criteria of the people and the main safety function unit

4 火灾场景定义及输入

以30 in立管为研究对象，分析其在飞溅区泄漏后的火灾后果。影响火灾后果的因素较多，例如压力、泄漏孔径、泄漏方向、风向、风速等。火灾场景会由于各因素的组合而出现数量众多的可能性。因此，在模拟场景的选择上需要考虑到两个方面，一方面需要能够尽可能地考虑到主要的泄漏类型；另一方面需要使场景能够尽量可信，后果保守。

主要考虑了3种泄漏情形，泄漏孔径分别为20 mm、50 mm和全孔径断裂。分析采用OLGA软件计算各孔径条件的泄漏质量流量。50 mm孔径泄漏情形下的泄漏质量流量随时间变化曲线见图 2，泄漏后1.5 min进行关断。泄漏发生后立管压力下降，泄漏质量流量随着时间逐渐降低，关断后，由于失去上游来料，泄漏质量流量下降更为迅速。根据表 1中失效时间判断，喷射火情况下，普通钢梁会在1 min发生屈服。因此，选择泄漏发生后第1 min的泄漏质量流量作为火灾模拟的输入。本文所分析的平台所在海域全年最大浪高平均值约为5 m，为最容易受海浪影响区域的上限。通常情况下，泄漏位置距离平台越近，火灾后果对平台影响越大。因此，保守选择泄漏位置位于海平面以上5 m。泄漏位置参见图 3。由于飞溅区所处区域几乎无障碍物和填充物，且泄漏速度很高，因此风速对喷射火灾的影响较小。根据平台所在海域的风频统计，采用全年平均风速5 m/s进行模拟。由于立管位于平台西侧，根据后果不利的原则，假设风向向东，即吹向生活楼。

图 2     30 in立管50 mm孔径泄漏质量流量随时间变化曲线 Figure 2     Leak rate vs time, leakage with 50 mm hold size of 30 inch riser

图 3     泄漏位置 Figure 3     Leakage position

由于立管出海面后为竖直向上，对于泄漏孔径20 mm和50 mm，泄漏方向最大的可能是垂直于管壁，即沿水平方向泄漏，因此泄漏方向为水平朝向平台东侧，即生活楼方向。而对于断裂情形，泄漏方向最大的可能性为竖直向上。喷射火模拟场景及输入条件见表 3，假设泄漏物质为100%的甲烷。

表 3    立管飞溅区泄漏火灾模拟场景 Table 3    Fire scenarios due to leakage of the riser in splash zone

5 结果与讨论
5.1 小型泄漏(20 mm孔径)喷射火

图 4为20 mm孔径泄漏条件下，喷射火的三维效果图。图 5为沿泄漏方向竖直面的热通量分布云图。模拟结果表明，热辐射影响区域在下层甲板以下。由于下层甲板的阻挡作用，各层甲板上方热通量均低于4.7 kW/m2。直升机甲板和救生艇可用。

图 4     小型泄露(20 mm孔径)喷射火三维效果图 Figure 4     Jet fire flame of the ignited small leakage (hole size is 20 mm)

图 5     小型泄漏(20 mm孔径)喷射火泄漏点所在竖直面 (东西向)热通量分布云图 Figure 5     Heat flux contours on the vertical plane (from east to west) in which the leak hole is located-jet fire of the ignited small leakage (hole size is 20 mm)

图 5表明，热通量为200 kW/m2的范围达到34 m，大于30 in立管与邻近桩腿和其他立管之间的距离。考虑到泄漏方向的随机性，如果泄漏方向朝向邻近的桩腿或立管，且这些立管和桩腿未进行被动防火保护(Passive Fire Protection, PFP)，则桩腿会在15 min内失效，立管会在5 min内失效。平台东侧桩腿和立管所受热通量低于12.5 kW/m2，可以忽略失效风险。下层甲板上部分主梁所受热通量大于37.5 kW/m2，小于200 kW/m2，会在60 min内屈服。

5.2 中型泄漏(50 mm孔径)喷射火

图 6为50 mm孔径泄漏条件下喷射火的三维效果图，图 7为沿泄漏方向竖直面的热通量分布云图。由于下层甲板的阻挡作用，中型泄漏的热辐射影响范围主要为下层甲板以下，其他区域不受影响。救生艇和直升机甲板可用。但热通量为200 kW/m2的影响距离大于70 m，即能够影响到平台东侧的桩腿。

图 6     中型泄漏(50 mm孔径)喷射火三维效果图 Figure 6     Jet fire flame of the ignited medium leakage (hole size is 50 mm)

图 7     中型泄漏(50 mm孔径)喷射火泄漏点所在竖直面(东西向)热通量分布云图 Figure 7     Heat flux contours on the vertical plane (from east to west) in which the leak hole is located-jet fire of the ignited medium leakage (hole size is 50 mm)

考虑到泄漏方向的随机性，如果桩腿或立管未进行PFP保护，则都有失效的可能性，桩腿会在15 min内失效，立管会在5 min内失效。下层甲板上部分主梁所受热通量大于200 kW/m2，会在1 min内屈服，5 min内坍塌。

5.3 断裂泄漏(762 mm孔径)喷射火

图 8为断裂泄漏条件下，喷射火的三维效果图。图 9为沿泄漏方向竖直面的热通量分布云图。图 10为上层甲板上方1.5 m处水平面热通量分布。大型泄漏的热辐射影响范围很大，人员和平台结构安全都将受到严重威胁。救生艇和直升机甲板均无法使用。

图 8     断裂泄漏(762 mm孔径)喷射火三维效果图 Figure 8     Jet fire flame of the ignited rupture leakage (hole size is 762 mm)

图 9     断裂泄漏(762 mm孔径)喷射火泄漏点所在竖直面(东西向)热通量分布云图 Figure 9     Heat flux contours on the vertical plane (from east to west) in which the leak hole is located-jet fire of the ignited rupture leakage (hole size is 762 mm)

图 10     断裂泄漏(762 mm孔径)，上层甲板上方1.5 m处热通量分布云图 Figure 10     Heat flux contours on the horizontalplane with elevation of 1.5 m above upper deck-jet fire of the ignited rupture leakage (hole size is 762 mm)

下层甲板主梁、甲板、桩腿及立管均受到热辐射，热通量为250 kW/m2。下层甲板部分主梁会在1 min内屈服，5 min内塌陷。如果桩腿未做PFP保护，则部分桩腿会在15 min内失效，部分立管会在5 min内失效。生活楼北侧和南侧墙面所受热通量大于150 kW/m2，如果不是防火墙，会在短时间内失效。西侧墙面所受热通量基本低于50 kW/m2，如果是H类型防火墙，耐火时间较长；东侧墙面的则基本低于12.5kW/m2，处于安全状态。

5.4 立管飞溅区喷射火对平台影响及事故升级可能性

30 in立管飞溅区泄漏火灾后果对平台的影响列于表 4。根据对平台关键设施和结构的影响情况，可以判定事故升级的可能性。

表 4    立管飞溅区泄漏火灾场景后果归纳 Table 4    Conclusion of the fire results due to riser leakage in splash zone

通过模拟结果可以判断，30 in立管飞溅区小型泄漏(泄漏孔径小于20 mm)喷射火，其影响范围较为有限，人员救逃生不受火灾影响。邻近的桩腿及其他立管会受其影响。由于立管泄漏事件中，小型泄漏占比例最高。因此，需要考虑立管飞溅区小型泄漏喷射火对平台东侧桩腿及立管的影响。由于小型泄漏较难发现，因此采用适当的措施提高对小型泄漏的探测能力，及时采取措施避免火灾或缩短火灾的持续时间，可以减少事故升级的可能性。目前，可以采取的措施包括下层甲板下方的火气探测、紧急关断和放空。关键部位的被动防火保护也是保护平台结构，延长承受火灾时间的措施之一。

飞溅区中型泄漏(20 mm < 泄漏孔径 < 50 mm)喷射火，其影响范围主要局限于下层甲板以下。人员救逃生不受火灾影响。平台所有桩腿及其他立管会受火灾影响，下层甲板及部分主梁也会在火灾中发生屈服甚至失效。对中型泄漏喷射火的主要对策是及早发现并采取措施，缩短火灾可能的持续时间。可以采取的措施包括下层甲板下方的火气探测、紧急关断和放空，对关键部位进行被动防火保护。

飞溅区断裂泄漏喷射火，各层甲板及救逃生措施都将面临严重的火灾影响。应急方面，尽快确定险情并尽快启动应急响应是保证人员安全的关键。在断裂泄漏早期，及时切断或隔离点火源，尽量避免火灾的发生是最为关键的措施。如果火灾发生，及时的探测报警、关断及放空，缩短泄漏持续时间，可以减轻火灾后果。一些关键部位和设备的水喷淋保护能够适当降低由于辐射热所导致的温升，减缓或避免火灾事故升级。关键部位的被动防火保护可以延长承受火灾的时间，为火灾处置及人员撤离提供更多的宝贵时间。

6 结论

采用三维CFD火灾模拟软件KFX对立管在飞溅区的喷射火进行模拟。以石油天然气行业相关标准为准则，根据模拟结果分析立管喷射火对平台人员、关键单元和结构的影响。根据定量的分析结果对平台立管的风险管理和应急准备提出如下建议：

(1) 立管小型和中型泄漏喷射火不会对人员救逃生产生影响，但火灾持续时间过长会对平台结构产生破坏。因此，建议加强事故的早期探测及处置，避免事故升级。

(2) 立管断裂泄漏喷射火对人员逃生及平台结构均造成严重威胁。因此，需要确保泄漏的早期探测和点火源隔离，尽量避免火灾发生。如果火灾发生，需要及时探测报警、确保人员尽快逃生撤离。启动紧急切断和放空，缩短火灾持续时间，使火灾持续时间小于结构或设备失效时间，从而防止事故升级。

(3) 平台关键部位和单元的被动防火保护可以延长结构失效时间，为应急处置及人员撤离提供时间。

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