海上油气平台泄漏池火灾害研究*

骆正山，张宁宁，张新生

（西安建筑科技大学管理学院，陕西西安710055）

海上油气平台泄漏池火灾害研究*

骆正山，张宁宁，张新生

（西安建筑科技大学管理学院，陕西西安710055）

海上油气平台泄漏引发的火灾会给人身安全和财产安全造成巨大的损失。为了研究池火灾害的基本特征和破坏规律，对海上油气平台池火灾害建立各参数模型，并采用Mudan提出的热辐射通量计算分析方法。以某轻质原油为例，分析目标距离液池中心水平距离的大小与热辐射通量的传播规律之间的关系。结果表明，目标接受热辐射通量的下降速度随水平距离的增大有先快后慢的特点，且距离液池中心越近，人身财产受到的伤害就越大。因此，对海上油气平台池火灾害进行研究可以为减少人员伤亡和财产损失提供有力的指导，并对海上油气平台和管道的安全运行有现实意义。

海上油气平台；池火灾害；参数模型；热辐射通量；人员伤亡

随着油气勘探从陆上转向海洋，海上油气开发平台灾害风险评估也成为国内外关注的热点问题。由于海上油气平台分布着各种电气设施和油气管道且平台空间有限，因此一旦发生油气泄漏就有可能导致池火灾害的发生，进而会造成人员伤亡和财产损失［1-2］。而且池火灾害会产生强烈的热辐射，对周边群众的安全造成威胁，使救援人员难以靠近［3］。目前国内外很多学者已对池火灾害进行了研究。例如，1950-1980年代的Rew P J和Hulbert在详细阅读了大量相关论文的基础上讨论了当前池火热辐射模型的研究现状［4］；孙标和郭开华对常用的热辐射模型（点源模型、LNGFire3和PoFMISE模型）做了对比研究，并研究了风速、环境温度和湿度等因素对LNG池火热辐射安全距离的影响［5］；开方明、马夏康等人建立了油罐区泄漏瞬时排放和连续排放的油气扩散数学模型以及目标接受的热辐射通量模型［6］。然而这些研究大多集中在陆上管道泄漏引发的池火灾害分析上，对海上平台泄漏引发的池火灾害的研究目前还是一片空白。本文通过建立海上油气平台泄漏速率、特性参数及热辐射强度模型，对池火灾害的基本特性、破坏规律进行分析研究，并结合案例对池火灾害产生的热辐射通量的传播规律进行分析总结，为以后池火火灾的预防和保证设施的安全运行有着重要的指导意义，对减少经济损失以及对危害后果进行评估和预测有着重要意义［7］。

1 泄漏速率模型

泄漏事故的发生是造成海上油气平台池火灾害的根本原因，导致泄漏事故发生的原因主要有管件失效、腐蚀和错误操作等。海上油气平台上出现以上情形中的一种或多种，就有可能导致油气泄漏从而引发池火灾害，并且平台上发生油气泄漏事故时会出现气、液两相流动现象，因此本文对平台泄漏采用两相流动泄漏模型，相应的计算公式［8］为：

式中：Q0为两相流泄漏速率，kg／s；Cd为两相流泄漏系数，可取0.8；A为裂口面积，m2；P为两相混合物压力，Pa；Pc为临界压力，Pa，可取Pc＝0.55（Pa）；ρ为两相混合物的平均密度，kg／m3；ρ1为气体密度，kg／m3；ρ2为液体密度，kg／m3；FV为气体占总量的比例；CP为两相混合物的定压比热容，kJ／（kg·K）；T为两相混合物的温度，K；Tc为临界温度，K；H为汽化热，kJ／kg。

相关火灾研究表明在对池火灾害进行研究时FV的值不可能大于或等于1。所以，FV∈（0，1），并且FV如果很小，那么海上油气平台上的泄漏速率可以近似按液体泄漏公式进行计算。因此，建立两相流动泄漏模型避免了早期对油气泄漏导致的池火灾害研究只考虑液体流动现象的缺陷，更能准确地反映出气体与液体分别对油气泄漏速率的影响。

2 池火灾害模型

油气泄漏后聚集在开发平台上形成平面液池，遇明火燃烧并迅速在液体表面进行传播形成池火。池火火焰产生的强烈热辐射不仅会危害人员、设备，而且还会威胁海洋生态环境。下面通过对池火各特征参数和产生的热辐射进行研究来分析池火灾害的危害程度和范围。

2.1 特征参数模型

对海上平台由于泄漏原因造成的池火灾害基本特性分析选取圆柱形池火为研究对象，主要研究的特征参数有池火的燃烧速度、液池的当量直径、池火火焰高度和火焰倾斜角。

（1）燃烧速度

当周围环境温度小于液池中的油气沸点时，液体表面上单位面积的质量燃烧速度计算公式为［9］：

反之，周围环境温度高于液池中的油气沸点时，液体表面上单位面积的质量燃烧速度的计算公式为：

式中：m0为液体的质量燃烧速度，kg／m2·s；Hc为液体燃烧热，kJ／kg；H0为液体的汽化热，kJ／kg；CP为液体的定压比热容，kJ／（kg·K）；Tb为液体常压沸点，K；T0为环境温度，K。

（2）液池的当量直径

液池的大小决定着池火灾害产生危害的程度。假定建立池火灾害模型时选取池火火焰为圆柱形、液池形状为圆形为研究对象，因此就要把不规则形状的液池将其转换为圆形，则转换圆形的当量直径的表达式如下所示。

式中：S为液池面积，m2；D为液池当量直径，m；π通常取3.14。

（3）火焰高度

风速、液池大小、周围环境空气密度都是影响海上油气平台池火火焰高度的重要因素，因此在考虑风速影响的情况下火焰高度的计算公式如下所示。

式中：L为火焰高度，m；D为液池直径（火焰直径），m；m0为液体单位面积的质量燃烧速度，kg／m2·s；g为引力常数，一般取9.81 m／s2；ρ0为周围环境空气的密度，kg／m3；μw为10 m高处的风速，m／s；μ0为特征风速，m／s。

（4）火焰倾角

海上平台上的池火火焰遇风发生倾斜，采用倾斜角来表示火焰倾斜程度，则倾斜角的大小的可以通过下式计算。

式中：α为火焰倾斜角，（°）；μw为10 m高处的风速，m／s；D为直径，m；υo为空气的动粘度，m2／s。

2.2 热辐射模型

通常池火火焰向外发散的辐射可以通过两种方法得到：一种是假定一定分数的燃烧能量作为辐射发散出来；另一种是用关系式定义火焰的表面发射能量，在研究热辐射灾害中这种方法被广泛使用［10］。本文采用这种关系式定义法并利用上述建立的火焰高度等参数模型来建立池火相关热辐射模型。

（1）总辐射通量

首先假定火焰产生的能量由圆柱体火焰侧面和顶部向周围均匀辐射，那么池火火焰的总辐射能量Φ计算公式为［11］：

式中：Φ为总辐射能量，kW；D为液池直径，m；L为池火火焰高度，m；π为圆周率，其值取3.14；m0为液体单位面积的质量燃烧速度，kg／m2·s；Hc为液体燃烧热，kJ／kg；η为效率因子，其值取0.2。

（2）火焰表面热辐射通量

假设池火火焰为圆柱形，则可燃液体产生的池火火焰表面热辐射通量计算公式如下所示。

表1 不同热辐射强度引起的伤害

对于本文研究的油池火而言，表面热辐射通量为Δ×（1－ε）＋20×ε，其中ε为0.8。式中：Δ为火焰表面平均热辐射通量，kW／m2；m0为油气的单位面积的质量燃烧速度，kg／m2·s；D为液池直径，m；Hc为液体燃烧热，kJ／kg；γ为热辐射系数，其值取0.2；L为火焰高度，m。

（3）目标接受热辐射通量

池火产生的最主要的危害是火焰所产生的热辐射，本文采用Mudan提出的估算目标接受池火热辐射通量的模型，可以通过下式计算：

式中：x为目标距离液池中心的水平距离，m；δ为池火火焰对距离液池中心水平距离x的某一处目标接受的热辐射通量，kW／m2；Δ为火焰表面平均热辐射通量，kW／m2；F为视角系数；τ为大气透射率。

视角系数F的计算公式如下［12］：

式中：

式中：S为目标到火焰垂直轴的距离与火焰半径的比值；h为火焰高度与火焰半径的比值；a，b，K，Vv，A，B为中间变量。

由于上式计算量非常大且计算复杂容易出错，因此计算视角系数时可采用如下简化公式：

3 热辐射危害

海上油气平台池火灾害上部有无约束空间，充足的氧气，可以达到完全燃烧状态且燃烧形态上呈圆柱形。这种情况下，池火灾害对人员、设备及周围环境的影响主要在于其所产生的强烈的热辐射。强烈的热辐射会造成一定程度上的人员伤亡及财产损失等，人员和设备遭受的损害程度取决于其所接受的热辐射通量和暴露时间［13］。

海上油气平台池火灾害产生的热辐射会引起周围环境温度升高。当热辐射足够大时，周围设备压力会增加，材质许用应力会发生变化，周围物体会发生变形甚至出现燃烧现象。表1所示为不同热辐射值对设备、人员的伤害及伤害半径，其中Q0是上面介绍过的泄漏速率。

由表1可知，随着目标接受的热辐射强度的增大，设备、人员受到的损害就越大，相应的伤害半径则有不同程度的减小。当热辐射强度达到35 kW／m2左右时，设备会遭到严重损害，人员的死亡率很高，伤害半径很小，这时人员遇到池火灾害很难逃离现场。当热辐射强度达到1.6 kW／m2时，人员、设备基本不受热辐射的影响，若造成伤害则需要很长一段时间，这时人们遇到池火灾害可以趁机逃离火灾现场。

4 计算实例

应用上前面介绍的池火的相关模型来计算下面的实例。已知某轻质原油的燃烧热为4.443×104kJ／kg，定压比热为1.70 kJ／（kg·K），液体常压沸点为398.8 K，环境温度为293.1 K，液体的汽化热为400 kJ／kg，周围环境的空气密度为1.259 kg／m3，泄漏为持续泄漏，泄漏时间为3.6×103s，原油体积为8.5×104m3，泄漏面积为1.44×104m2，10m处的风速为5 m／s。计算此池火灾害的各特征参数值如表2所示。

表2 火焰各参数值

利用表2所得的火焰表面热辐射通量Δ以及上述F和τ的计算模型可以进一步求出一定距离处的目标接受的热辐通量值，相关计算如下所示。

距离为10 m时：

距离为30 m时：

距离为90 m时：

距离为160 m时：

表3 一定距离处目标接受的热辐射通量值

由表3可知距离液池中心较近时，目标接受的热辐射通量非常大，且热辐射通量的下降速度非常迅速。随后随着水平距离的逐渐增加，热辐射通量的下降速度却逐渐变慢。因此，距离液池中心越小，目标受到的热辐射通量越大，受到的危害也就越大。本文可以设定一个对人员基本无影响经济损失极小的安全辐射通量，得出安全距离，只要控制人员、设备在安全距离中就可以免受灾害，本例安全距离可以设定为400 m之外。

5 结论

笔者经过综合全面的分析，选择了一些较为成熟、先进的方法，并在建立海上平台油气泄漏速率模型时，在传统的池火泄漏速率模型的基础上考虑了气体对整个泄漏速率的影响，并提出了海上油气平台泄漏池火灾害的热辐射危害准则，最后结合案例分析得到池火灾害的热辐射通量传播规律。

开展海上油气平台泄漏池火灾害的特性参数计算、热辐射危害准则和热辐射通量传播规律，有助于科学的预测池火热辐射的危害程度、危害范围和使人员、设备免受危害的安全距离，并为以后制定池火灾害事故应急预案提供依据，从而可以达到降低风险、减少经济损失及人员伤亡的目的，保证海上油气平台的安全运行。

［1］ 骆正山，顾建荣，何宏璧.陆上长输石油管道泄漏池火灾害分析［J］.灾害学，2014，29（2）：1-3.

［2］ 翁永基.油气管道泄漏事故的定量风险评价［J］.石油学报，2004，25（5）：108-112.

［3］ 刘志勇.池火火灾模型及伤害特征研究［J］.消防科学与技术，2009，28（11）：803-805.

［4］ Rew P J，HulbertW G.Development of pool Fire Thermal Radiation Model［R］.HSE Contractor Report WSA／RSU8000／018，1995.

［5］ 孙标，郭开华.LNG池火热辐射模型及安全距离影响因素研究［J］.中国安全科学学报，2010，20（9）：51-55.

［6］ 开方明，马夏康，尹谢平，等.油储罐泄漏及火灾危险危害评价［J］.安全与环境学报，2004，4（3）：3-6.

［7］ 崔辉，徐志胜，宋文华，等.有毒气体危害区域划分之临界浓度标准研究［J］.灾害学，2008，23（3）：80-84.

［8］ 《管道完整性管理技术》编委会.管道完整性管理技术［M］.北京：石油工业出版社，2011.

［9］ 蔡宾斌.油池火热辐射危害模型计算及对比分析研究［J］.中国应急援救，2013（2）：47-50.

［10］宋雪飞，陆建辉.海洋平台池火火灾模型概述［J］.石油工程建设，2011，37（2）：1-4.

［11］国家安全生产监督管理局.危险化学品安全评价［M］.北京：中国石化出版社，2003，147-150.

［12］胡超，朱国庆，吴维华，等.池火危害模型化计算分析研究［J］.消防科学与技术，2011，30（7）：571-572.

［13］骆正山，王小完.基于天然气泄漏的危害性分析及应用［J］.灾害学，2009，24（1）：98-100.

The Hazard Analysis of the Pool Fire Based on the O ffshore Oil and Gas Platform s Leakage

Luo Zhengshan，Zhang Ningning and Zhang Xinsheng
（School of Management，Xi’an University of Architecture＆Technology，Xi’an 710055 China）

Fires caused by offshore oil and gas platform Leakage can cause huge losses to personal property safety.To study the basic characteristics of pool fire hazard and the propagation of thermal radiation of flame，the parametersmodels based on offshore oil and gas platform are established and the thermal radiation flux calculation method proposed by Mudan is used.With a light crude oil as an example，the impact of the atmospheric transmittance and view factor on thermal radiation fluxes the target accepts are analyzed.The decline speed based on the thermal radiation flux target accepts is showed from the results has the characteristic of fast to slow，and the closer distances from the center of the liquid pool，the greater the damage to personal property.Therefore，the study based on the offshore oil and gas platform pool hazard can provide powerful guidance to reduce casualties and property losses and has practical significance to the safe operation of offshore oil and gas platform and pipeline.

offshore oil and gas platform；pool hazard；parametersmodels；thermal radiation flux；casualties

X43；X45；X93

A

1000-811X（2015）04-0039-05

10.3969／j.issn.1000-811X.2015.04.008

骆正山，张宁宁，张新生.海上油气平台泄漏池火灾害研究［J］.灾害学，2015，30（4）：39-42.［Luo Zhengshan，Zhang Ningning and Zhang Xinsheng.The Hazard Analysis of the Pool Fire Based on the Offshore Oil and gas Platforms Leakage［J］.Journal of Catastrophology，2015，30（4）：39-42.］

2015-04-03

2015-05-27

国家自然科学基金项目“陆上油气管线风险评估技术研究”（61271278）；陕西省重点学科建设专项资金资助项目“管理科学与工程重点学科”（E08001）；陕西省教育厅自然科学基金“基于可靠性的海上油气管道风险评估技术研究”（14JK1416）

骆正山（1969-），男，陕西汉中人，博士，教授，主要从事管道风险评估理论、建模与方法、企业信息化方面的教学和科研工作.E-mail：luozhengshan＠163.com