立管水下泄漏事故条件下直升机甲板可用性研究

刘百臣， 李小龙， 谭珮琮， 石一丁

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000； 2.劳氏瑞安咨询(北京)有限公司， 北京 100013)



立管水下泄漏事故条件下直升机甲板可用性研究

刘百臣1， 李小龙1， 谭珮琮1， 石一丁2

(1.中海石油深海开发有限公司，广东 珠海 519000； 2.劳氏瑞安咨询(北京)有限公司， 北京 100013)

为研究立管水下泄漏对海上平台直升机甲板可用性的影响，应用专业三维CFD模拟软件KFX对某海上平台0.76 m立管水下泄漏后的气体扩散和火灾进行模拟。根据相关行业标准及破坏准则，分析了事故后果对直升机甲板的影响，评估其可用性。研究还考虑了不同泄漏孔径和泄漏水深条件、风向及风速对后果的影响。分析结果表明，断裂泄漏在未点燃情况下，应尽量避免使用直升机甲板，保证直升机飞行安全，同时避免发生火灾事故。断裂泄漏被点燃发生火灾情况下，直升机甲板不具备使用条件。50 mm孔径泄漏条件下，不建议使用直升机甲板，如果必须使用，需要根据现场风向和风速情况进行评估和判定。

海上平台；立管；扩散；火灾；直升机甲板；可用性

0　引言

海上平台立管是海底管道爬上海上平台管段的总称。立管是管道工程的一个重要环节，也是海底管道系统中的薄弱环节。据统计，1980年～2005年，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年～2000年，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，发生在水下的泄漏事件占总泄漏事件的29%[1]。立管发生水下泄漏后，气体到达海面时会形成较大的释放面，气体扩散及火灾均会对平台产生影响。

海上平台直升机甲板作为应急情况下重要的人员撤离工具，在事故情况下，可能由于可燃气体、火灾热辐射或烟雾等影响而无法使用。因此，了解其在事故情况下的可用性对于平台风险管理及应急准备具有重要意义。英国和挪威均有相关工业标准明确要求在进行直升机甲板设计时需要考虑环境影响，一般的环境影响主要包括湍流、温升和可燃气体浓度等。标准还对分析方法有明确地描述，目前较为可行的是用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法进行模拟研究[2-4]。

立管水下泄漏事故后果主要包括气体在水面的扩散、火灾和爆炸。目前国外对于海上装置的气体扩散、火灾和爆炸的后果分析多采用的方法是基于CFD的数值模拟技术[5,6]。CFD技术在气体扩散和火灾爆炸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。由于二维后果计算工具在某些领域已无法达到对精确度的要求，而基于CFD技术的数值模拟软件能够克服二维经验模型和统计模型的多种缺陷，获得更加接近真实的计算结果。因此，CFD技术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[7]。

该文以国内某海上平台为例，模拟0.76 m立管在水下发生泄漏后在水面形成的气体扩散和火灾事故，分析气体扩散和火灾对平台直升机甲板可用性的影响。分析还将考虑不同的水深、泄漏孔径、风向和风速等影响因素，并对平台直升机甲板在立管海底泄漏事故条件下的风险管理和应急准备提出建议。

1　计算模型及模拟软件

立管的水下泄漏包含3个阶段，分别是初始泄漏阶段，气体在水中扩散阶段和气体在海面上的扩散或火灾阶段。对于这3部分的计算和模拟将采用不同的模型和CFD模拟软件。

1.1泄漏计算

应用CFD软件OLGA进行泄漏瞬态模拟计算。OLGA是专业瞬态多相流CFD模拟软件，由主要的国际石油公司资助开发，在世界上广泛应用。OLGA在油井、管线以及接收装置中油水气等各种流体的模拟方面处于世界领先地位，可以精确地模拟和分析流体真实动力学过程。OLGA具备先进高效的网络处理能力，允许定义分叉和网状的输运和工艺线路，同时也可以分析闭环情形。

1.2水下气体扩散

国内外均有关于气体在水下扩散的理论、实验研究及工程应用[8-10]。目前工业界应用较多的为Fannelфp羽流模型[8],Fannelфp羽流模型描述如下：

气体在水下发生瞬态泄漏时会形成大量的气泡并开始上升。这些气泡连同水一起形成了半球形的“帽子”。这个“帽子”在上升过程中将经历大量来自垂直方向静态水的拖曳和夹带。水底正在上升中的羽状气流将会在“帽子”下形成,“帽子”的垂直速度小于羽状气流，因此羽状喷射将会不断的提供气相质量和动量给“帽子”。在羽状气流中，湍流的形成会减小气泡的尺寸从而使气泡变得更小，直径较小的气泡以更规则的形式分布在羽状喷射内部。经过一段时间后，“帽子”逐步上升并最终到达海面。“帽子”的顶端到达水面后，下方的羽流继续往“帽子”增加重量，“帽子”仍将继续变大。“帽子”到达水面并开始向大气释放气体，随着“帽子”的上升释放面变得越来越大。由于羽流喷射的持续供给,“帽子”还在继续增大,“帽子”达到半球形时结束，“帽子”到达海面后的发展过程如图1所示。

图1　“帽子”到达海面后的发展过程

该文应用Fannelфp羽流模型，计算0.91 m立管发生断裂泄漏后气体在水中的扩散。主要计算结果是气体到达海面后“帽子”的平均直径及相应的气流垂直流速。由于气体在整个释放面的流速不同，呈现中间高，边缘低的特点。因此，模拟将按照释放面所释放气体的质量流量占总质量流量的百分比划分为5个同心圆。计算出中心圆和各圆环内气体垂直方向流速随时间的变化，其结果将用于火灾的瞬态CFD模拟。

1.3气体到达海面后的扩散和火灾模拟

气体到达海面后，将在风力作用下发生扩散。如果气体到达邻近平台或过往船只，有被点燃的风险。如果气体被点燃，由于气体持续泄漏，将在海面形成类似于池火的火灾。气体释放面的位置、面积以及气体流速决定了气体扩散或火灾的影响范围。

该文将采用3维CFD软件KFX进行气体扩散和火灾的模拟。重点关注火灾后果对邻近海上平台的风险。研究将考虑气体释放面和平台相对位置以及风向和风速的影响。

Kameleon FireEx (KFX)[11]是用于模拟气体扩散和火灾的三维瞬态模拟软件，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，还可以计算水喷淋对火灾后果的影响。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，可以用同一个几何模型进行气体扩散和火灾等不同任务的模拟，还可以高质量的表现模拟结果中气体、烟雾和温度场的发展和分布过程。

2　几何模型

以某平台为例，根据平台结构图和各层甲板平面布置图，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，达到CFD模拟对几何模型的要求。平台三维几何模型示意图如图2所示，该平台主要由下层甲板、中层甲板和上层甲板组成。下层甲板距离海平面19 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，平台的东北角。

图2　平台东北方向鸟瞰图

3　直升机甲板可用性判定准则

该文主要研究立管泄漏事故情况下，气体扩散和火灾对直升机甲板的影响，因此，可以从直升机甲板的环境影响因素和人员的逃生方面选择直升机甲板的破坏准则。目前，CAP 437[2]和NORSOK C-004[4]均对直升机甲板的环境影响因素提出了明确的要求。其中温升和湍流标准是关于直升机甲板在海上平台正常运行状态下的环境要求，主要关注直升机甲板在平台正常使用状态下的可用性。针对直升机甲板正常使用的情况，国内也有文献根据CAP 437对国内某平台直升机甲板的可用性进行了分析[12]。由于立管泄漏事故主要的后果为可燃气体的扩散和火灾，因此可以参考CAP 437中关于直升机操作区域可燃气体浓度的要求作为可燃气体扩散事故下直升机甲板可用性的判定准则。

CAP 437要求：“直升机飞行区域烃类气体可以存在的最大浓度为可燃浓度下限(LFL)的10%。因为烃类气体浓度超过10%可能导致直升机发动机发生喘振甚至熄火，从而给直升机和乘客带来风险。同时，直升机也可能作为可燃气体的潜在点火源，对平台产生威胁”。该文中，假设可燃气体为100%甲烷，甲烷的LFL为5%体积浓度，因此，10%LFL为0.5%体积浓度。

火灾对直升机甲板的影响主要为热辐射和由于烟雾而导致的能见度降低。根据石油天然气行业相关标准，火灾中主要安全功能单元破坏准则见表 1[13]。可以视直升机甲板为集合区域而使用4.7 kW/m2作为热辐射判定准则，能见度用4 m作为判定准则。

表1　人员暴露和主要安全功能单元失效准则

4　火灾场景定义及输入

4.1泄漏速率计算

用CFD软件OLGA计算管道泄漏。假设立管直径为0.91 m，内径700 mm。管道流量为10亿立方米/年，管道入口和出口表压分别为18.7 MPaG和6.9 MPaG。模拟考虑了2种泄漏孔径，分别为断裂泄漏(泄漏孔径700 mm)和50 mm孔径泄漏，作为简化处理，假设气体为100%甲烷。计算得到断裂泄漏条件下，气体泄漏的瞬态过程，即泄漏质量流量随时间的关系。泄漏前1 000 s内的泄漏速率随时间变化曲线如图 3所示，图3(a)为断裂泄漏，图3(b)为50 mm泄漏。泄漏速率随计算结果将用于气体水中扩散模型的输入，计算气体在水中的扩散。

图3　泄漏速率变化曲线

4.2水下气体扩散计算

根据Fannelфp羽流模型，计算气体在水中的扩散结果。采用4.1节中的瞬态泄漏速率，对不同水深的泄漏进行计算。断裂泄漏所处海水深度为189 m，50 mm孔径泄漏所处海水深度为70 m，计算结果包括气体在海面释放面的直径及气体的垂直流速。模拟将按照释放面所释放气体的质量流量占总质量流量的百分比划分为5个同心圆，分别占质量流量的20%、40%、60%、80%和95%。计算出各同心圆的半径以及中心圆和各同心圆之间的气体垂直流速，计算结果将作为气体在海面扩散和火灾模拟的输入。由于水下气体扩散的特点以及泄漏速率随时间的变化，各同心圆半径会随时间发生变化。图4为释放面半径随时间的变化曲线，包含5个同心圆，图4(a)为189 m水深断裂泄漏，图4(b)为70 m水深的50 mm孔径泄漏。考虑到后期CFD模拟的可行性，计算出5个同心圆半径在分析时间内的平均值，用于CFD模拟边界条件的设定。气体释放面5个同心圆半径的平均值见表 2，各同心圆(平均半径)之间区域气体平均垂直流速如图 5所示。计算结果表明，泄漏水深和泄漏孔径对气体释放面和气体流速影响较大。表 2中数据将用于KFX模拟，定义气体泄漏面网格范围，同时利用图 5中瞬态数据作为扩散和火灾模拟的输入。

图4　海面气体释放面半径随时间变化曲线

图5　释放面各同心圆之间气体平均垂直流速随时间变化曲线

泄漏水深及泄漏孔径占总泄漏速率20%的释放面半径/m占总泄漏速率40%的释放面半径/m占总泄漏速率60%的释放面半径/m占总泄漏速率80%的释放面半径/m占总泄漏速率95%的释放面半径/m189m水深断裂泄漏31.947.263.283.4114.570m水深50mm孔径泄漏8.814.419.726.136.0

4.3模拟场景定义

该文以0.91 m海管为研究对象，模拟水下泄漏后气体在海面的扩散和火灾后果。基于保守考虑，假设气体到达海面后的释放面位于平台下方。根据4.2节中的计算结果，在KFX中定义气体释放面，释放面由5个同心圆组成，不同的同心圆之间定义不同的气体流速，且气体流速是随时间变化的瞬态值。图 6为KFX中水平面网格分布及定义的气体释放面示意图，场景为189 m水深的断裂泄漏，气体流速沿同心圆由内向外依次减小。

图6　KFX中气体释放面定义及网格示意图举例

由于气体到达海面后流速较低，因此外部风速对气体扩散和火灾会产生影响。对于气体释放面位于平台下方的情况，平台的存在会对释放面周围流场产生影响。模拟考虑了吹向平台西和平台南的两种风向，同时考虑不同风速。该文模拟的气体扩散和火灾场景见表 3，假设泄漏物质为100%的甲烷。

表3　海底泄漏火灾模拟场景

5　结果与讨论

5.1可燃气体扩散对直升机甲板可用性的影响

当立管发生水下泄漏时，气体到达海面后进行扩散。扩散影响范围会受泄漏速率和风速条件影响。该文考虑了2种泄漏孔径及水深条件，并进行不同风速和风向的模拟。图 7为189 m水深断裂泄漏情况下，可燃气体体积浓度为0.5%的等值面图。模拟结果表明：气云体积随风速的增大而减小。风速为1 m/s时，直升机甲板上方可燃气体浓度达到10%LFL(体积浓度0.5%)，风速为5 m/s和11 m/s时，直升机甲板上方可燃气体浓度低于10%LFL，但平台东侧上层甲板及火炬臂部分区域可燃气体浓度大于10%LFL。可以推测，如果风向向东或东北，则直升机甲板上方可燃气体浓度会高于10%LFL。根据CAP 437中相关要求，对于低风速情况(风速低于4 m/s)，直升机甲板会由于可燃气体浓度高于10%LFL而无法使用。而当风速大于5 m/s时，只有风向为向东或东北时，直升机甲板不可用。同时需要注意的是，在直升机甲板可用情况下，直升机在起降过程中需要注意避免经过平台的下风向，因为有可能接触到浓度高于10%LFL的可燃气体。

图7　气体浓度等值面图，189 m水深断裂泄漏

图 8为70 m水深50 mm孔径泄漏情况下，可燃气体体积浓度为0.5%的等值面图。模拟结果表明：高风速条件下(风速大于11 m/s)，直升机甲板可用性不受影响。当风速为5 m/s时，平台上层甲板西侧和火炬臂部分区域有可燃气体浓度高于10%LFL。可以推测，如果风向向东或东北，则直升机甲板上方可燃气体浓度可能大于10%LFL，导致直升机甲板不可用。对于风速1 m/s，当风向向东或东北时，直升机甲板可能无法使用。在直升机甲板可用情况下，直升机在起降过程中需要注意避免经过平台的下风向，因为有可能接触到浓度高于10%LFL的可燃气体。

图8　气体浓度等值面图，70 m水深50 mm孔径泄漏

5.2海面火灾对直升机甲板可用性的影响

当立管发生水下泄漏时，气体到达海面后如果被点燃，会导致火灾，火灾影响范围会受泄漏速率和风速条件影响。该文考虑了2种泄漏孔径及水深条件，进行不同风速和风向的模拟。

图9为189 m水深断裂泄漏情况下，直升机甲板上方1.5 m处水平面热辐射分布。图10为能见度小于4 m的区域的三维等值面图。结果表明：在风速小于11 m/s的条件下，整个直升机甲板及邻近区域均面临大于4.7 kW/m2的热辐射，甚至有些工况下，热辐射能够导致直升机甲板损坏。风速为11 m/s时，部分直升机甲板所受热辐射高于4.7 kW/m2。能见度方面，当风速低于11 m/s时，虽然风向向南时，直升机甲板上方能见度大于4 m，但整个平台周围大部分区域的能见度低于4 m。风速为11 m/s时，直升机甲板上方及周围的能见度高于4 m，直升机甲板可用。结合热辐射及能见度的判定标准，可以判定断裂泄漏情况下，如果气体被点燃，直升机甲板将由于受到较大热辐射的影响，且能见度较低而无法使用。

图9　热辐射分布等值面图，189 m水深断裂泄漏

图10　能见度4 m等值面图，189 m水深断裂泄漏

图11为70 m水深50 mm泄漏情况下，直升机甲板上方1.5 m处水平面热辐射分布。图12为能见度小于4 m的区域的三维等值面图。结果表明：在风速1 m/s的条件下，整个直升机甲板所受热辐射小于4.7 kW/m2，但甲板东侧热辐射强度大于4.7 kW/m2。风速为5 m/s时，直升机甲板部分区域所受热辐射大于4.7 kW/m2。风速为11 m/s时，直升机甲板及其邻近区域所受热辐射均小于4.7 kW/m2，具备使用条件。能见度结果表明：只有风速为1 m/s时，直升机甲板能见度低于4 m，其他风速情况下，直升机甲板能见度满足使用条件。综合热辐射及能见度的判定标准，50 mm泄漏情况下，如果气体在海面被点燃，在风速低于11 m/s时，直升机甲板不可用，风速高于11 m/s时，直升机甲板可用。

图11　热辐射分布等值面图，189 m水深断裂泄漏

图12　能见度4 m等值面图，189 m水深断裂泄漏

5.3直升机甲板可用性及风险管理

0.91 m立管水下泄漏的气体扩散和火灾后果对直升机甲板可用性的影响见表4。如果能够获得平台所在海域的风频统计数据，就可以计算由于立管泄漏事故所导致的直升机甲板不可用率。如果能够获得立管泄漏频率分布，就可以计算由于某类立管事故所导致的直升机甲板不可用率。计算结果可以定量的分析由于立管泄漏事故导致的直升机甲板不可用频率，从而评估直升机甲板在事故条件下的使用效率。

表4　直升机甲板不可用的条件汇总

通过以上分析可以发现，由于直升机甲板的使用条件较为苛刻，因此在事故状况下，是否使用直升机需要根据现场事故情况做出充分的分析和判断。

对于立管的断裂泄漏扩散，如果风向可以将可燃气体吹向直升机甲板，则直升机甲板无法使用。此时不仅直升机的安全受到影响，同时直升机也可能作为外部点火源将可燃气体点燃形成后果更为严重的火灾。低风速条件下也无法使用直升机甲板。因为低风速条件下，不利于气体扩散，气体容易在平台上及附近聚集。考虑到实际情况下，风向和风速的随机变化性，可能直升机到达时和到达前的风条件不同，由可用变为不可用。因此，对于断裂泄漏扩散，不建议使用直升机，如果使用，需要时刻关注风条件的变化情况并时刻监测直升机甲板上方的可燃气体浓度。

对于立管50 mm孔径的泄漏扩散，后果有所减缓。只有当风能够将可燃气体吹向直升机甲板时，直升机甲板可用性受到影响，且风速大于11 m/s时，由于风的强稀释作用，使得有限的泄漏气体被稀释至浓度低于10%LFL。因此，此种情况下，直升机可以作为有效的撤离工具，但需要注意直升机到达时的风条件并时刻监测直升机甲板上方的可燃气体浓度。

对于立管断裂泄漏火灾，由于热辐射和能见度问题，直升机甲板在任何风条件下都不可用。对于立管50 mm孔径的泄漏火灾，在风速大于11 m/s时，直升机甲板可用。但考虑到风速变化的随机性，不建议使用直升机，火灾情况下可以优先选择救生艇进行人员撤离。

通过对比可以发现，立管泄漏事故后果的最重要的影响因素是泄漏质量流量。因此50 mm孔径泄漏事故后果要明显弱于断裂泄漏，如果能够采取措施减小事故情况下泄漏质量流量，可以减小气体扩散或火灾后果的影响范围，从而改善直升机甲板的使用条件。

6　结论

采用三维CFD模拟软件KFX对立管水下泄漏所导致的水面气体扩散和火灾事故进行模拟。研究考虑了2种泄漏孔径和泄漏水深条件，并研究了不同风速和风向对后果的影响。参考直升机甲板环境影响及其他相关行业标准，根据模拟结果分析立管水下泄漏后气体扩散和火灾后果对直升机甲板的影响，评估直升机甲板在事故条件下的可用性。根据精确定量的分析结果对直升机甲板的使用及平台立管的风险管理提出建议：

(1) 立管发生水下断裂泄漏，如果气体未点燃，不建议使用直升机。如果必须使用直升机，需要根据现场风向条件进行评估和决定。立管发生50 mm孔径泄漏，如果气体未点燃，可以根据现场风向和风速条件，评估直升机甲板是否可以使用。

(2) 立管发生水下断裂泄漏，如果被点燃发生火灾，则在任何风向和风速条件下都不能使用直升机甲板。立管发生水下50 mm孔径泄漏，如果被点燃发生火灾，不建议使用直升机，如果必须使用，需要在高风速条件下使用(风速大于11 m/s)。

(3) 如果探测到立管水下泄漏事故，需要尽快启动相应措施，通过关断和放空等措施减小气体泄漏速率和持续时间。尽量避免使用直升机，防止对直升机造成风险，更重要的是避免直升机作为外部点火源导致火灾事故发生。如果发生火灾，优先使用救生艇进行人员撤离。

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Helideck Availability Analysis in Conditions of Riser Subsea Release Accident

LIU Bai-chen1, LI Xiao-long1, TAN Pei-zong1, SHI Yi-ding2

(1.CNOOC Deepwater Development Limited, Guangdong Zhuhai 519000, China；2.Lloyd's Register Consulting, Beijing 100013, China)

In order to assess the effect of dispersion and fire to the availability of helideck on platform, gas dispersion and fire simulations on the sea surface following the subsea leakage of 0.76 m riser of platform were performed by 3D technical software KFX. The influence on the helideck of the accident consequences of dispersion and fire were analyzed, and the helideck availability was assessed according to relevant industry standards and impairment criteria. Many factors to the consequences such as leak hole size, water depth of leak position, wind direction and wind velocity were taken into consideration. The analysis shows that using of helideck in the situation of dispersion due to rupture of riser should be avoided, which can make helicopter in unsafe condition and put the platform in a risk of potential fire. The helideck is not available in the fire accident following a subsea rupture of riser. It is recommended not to use helideck in a 50 mm hole size subsea leakage. Assessment and judgement of the wind direction and velocity is needed to determine whether the helideck is available when use the helideck.

platform; riser; dispersion; fire; helideck; availability

2015-08-26

国家科技重大专项“南海深水油气开发示范工程”(2011ZX05056)。

刘百臣(1970-)，男，工程师。

1001-4500(2016)04-0027-10

TE58

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