浅海平台油气火灾事故模拟评估应用

杨冬平，陈国明，牛更奇，李晶晶，郭爱洪，师吉浩，常 琳，高莎莎

(1.中国石化胜利油田技术检测中心，山东东营 2570622.中国石油大学机电工程学院，山东青岛 2665803.公安部天津消防研究所，天津 300381)

海洋平台作为海上油气开发主要设施，具有造价高昂、结构紧凑、高度拥挤、逃生困难、所涉及物料易燃易爆等特点，较容易发生火灾事故，且往往造成灾难性后果并引发多米诺效应。

近年来全球多次发生平台重大火灾事故，不仅造成巨大的经济损失和人员伤亡，也造成严重的环境污染和不良社会影响[1-3]。针对浅海油气开发过程中的平台火灾事故风险，建立相应的火灾数值分析模型，研究导致事故发生的灾变机理和事故后果，为今后开展海上平台的火灾风险分析和防范提供可靠的理论支持。

1 浅海平台火灾危险性分析

1.1 浅海平台火灾特点

a)燃烧蔓延速度快。平台上存在大量的易燃物质，且空间紧凑、距离小，容易顺着电线、出入口或者其他易燃物质蔓延至四周，短时间内扩散成大面积的立体火灾。

b)火灾载荷大，烟气浓且多。平台在油气开采、试油、生产、运输过程中接触到大量油气，油气蔓延可能扩大平台的危险区域，并形成较高的火灾载荷。

c)救援难度大。浅海平台是离开陆地的相对独立场所，在初期难以依靠外界救援。其空间狭小发生火灾时平台人员扑救存在一定难度。海洋环境如海流、风力等也会影响救援船舶的靠近。

d)损失严重。火灾事故一旦发生，若不能及时救援，易于造成人员伤亡。平台钢结构耐火性能差，易存在结构变形、坍塌、设备破坏，易于造成严重的环境污染和恶劣的社会影响。

1.2 浅海平台火灾类型

浅海平台火灾类型主要分为4种：喷射火、池火、球火和闪火，其中喷射火和池火发生概率较大。

a)喷射火：平台油气泄漏前具有初始动量，突然释放时一旦遇到点火源就会被点燃引发火灾，同火焰喷射器一样，形成喷射火。

b)池火：石油泄漏形成液池，遇到火源而引起的火灾。平台所有油气工艺物质单元都可能导致池火。池火还可以发生在海面上，影响或损坏逃生、撤离和援救设备。

c)闪火：当泄漏气体或所形成的蒸气云到空气中与之混合并被延迟点燃时所发生的非爆炸性的蒸气云燃烧过程。

d)球火：瞬间泄漏的天然气立即被点燃，燃料的快速湍流燃烧将形成球火，以火焰球上升和迅速扩大形式存在。

2 浅海平台火灾数值模型

2.1 火灾模型与过程求解

火灾模型指运用物理量来描述火灾从某一位置燃烧，向周围地区扩散并传播火焰和热量的过程，其求解结果可以为各类火灾危险性评估和消防决策提供定量依据。

火灾的数值求解过程如图1所示，虽然人们早就推导出反应流控制方程组，但由于各方程本身的强非线性以及方程之间的非线性耦合，导致绝大部分的情况都无法得到方程的解析解。近年来，计算机技术和燃烧计算理论的发展，相关实验数据的积累，为燃烧火灾的模拟提供了技术支持。

2.2 模型假定及边界条件[4,5]

以浅海某油田中心平台组为研究对象，该平台组包括消防平台、生活平台、动力平台、生产平台、储油平台和连接各个平台的栈桥，结构布局见图2所示。其中生产平台和储油平台是发生油气火灾的高度危险区域，危险设备包括计量加热器、计量分离器、闭式排放罐、高效三相分离器、生产分离器和储油罐等。平台上的复杂危险设备，采用实体分解近似模拟建模，并且综合考虑计算时间和计算结果准确度前提下简化对火灾模拟影响较低的结构和设备。

图1 火灾模型数值求解步骤

图2 中心平台组火灾分析模型

泄漏影响的主要参数是泄漏口的尺寸和形状。孔泄漏是最为主要的泄漏形式，根据机械能守恒定律，流动过程中不同能量遵守方程如下：

(1)

假设泄漏密度为常数、轴功为0、摩擦损失用流出系数代替，则面积A的小孔泄漏质量流率为

(2)

式中，Pg——压强，Pa；

g——重力矢量，m/s2；

ρ——密度，kg/m3；

α——修正系数；

z——高度，m；

Ws——轴功，N·m；

m——质量流速，kg/s；

C0——流出系数。

按照APIRP579相关标准，以圆形作为泄漏口形状，三种不同泄漏量的模拟状况计算结果如表1所示。

2.3 火灾危险性判别准则

油气燃烧产生的热量以热传导、对流和辐射 方式向四周传播，火焰和热辐射可能会引起人员烧伤甚至死亡，设备损坏。火灾热辐射危险判据见表2[6]。

表1 不同孔径下泄漏状况

表2 火灾热辐射危险性判据

当火场环境温度高于180 ℃时，会对人体造成严重伤害；当烟气层下降到与人体直接接触高度时，临界值达到115 ℃以上人体烧伤；温度高于88 ℃时，人体体温在10 min内达到临界值，处于危险状态；处于43～48 ℃会影响人正常思维和行为；火灾及烟气会造成人员恐慌，影响控制火势或救援。

在火灾高温高热作用下，平台各容器内介质膨胀超压，设备设施结构耐火性降低会导致结构变形或毁损；甲板结构支撑能力下降失去稳定性和承载能力，可能会引发连锁反应，扩大火灾后果。

3 平台火灾事故后果评估

3.1 三相分离器喷射火事故后果

3.1.1火灾事故场景假设

三相分离器及其管线属于高压设备，发生破裂造成油气泄漏的概率最大。泄漏时气体及蒸汽在压力下高速喷出，其夹杂的固体颗粒或者液体杂质与泄漏口摩擦产生静电，放电火花引起泄漏气液体燃烧引发喷射火，会严重威胁平台安全。假设发生泄漏后立即燃烧，三相分离器操作压力为11 MPa，泄漏孔位于最易被腐蚀的分离器与管道连接处，泄漏为水平无阻挡喷射，泄漏类型为小于0.041 m3/s的小量持续泄漏，事故环境为全开放空间无风条件。

3.1.2火灾发展过程

火灾发生后，在不到2 s时喷射火火焰已经接近4 m，3.6 s时火焰已达到7 m处的计量分离器位置，10 s时火焰形状基本稳定，长度保持在10 m左右，火焰高度达到20 m。同时烟气量显著增加，由于计量分离器和天然气洗涤器的阻挡在一定程度上将喷射火V形喷射形状改变并且横向扩大火焰面积。三相分离器火灾事故模拟部分结果见图3。

3.1.3火灾事故分析

临近设备含有油气等易燃易爆物质，距离喷射孔10 m范围内的设备安全受到严重威胁。操作人员在现场会存在烧伤危险和死亡威胁。15 m以外是安全区域，人员和设备均无伤亡威胁。

计量分离器附近峰值为355 ℃。分离器及其附近管线安全与稳定性能受到威胁，可能出现一定程度变形和损坏，增加油气泄漏可能性，易引发连锁反应扩大事故后果。

距离喷射口喷射垂直方向3 m范围内热辐射强度在35 kW/m2以上，存在设备全部损坏和1 min内人员100%死亡危险。在6 m范围内热辐射强度在10 kW/m2，设备可能会受到轻微损伤，人员存在烧伤危险性。

图3 三相分离器火灾事故模拟

3.2 管线交叉处喷射火事故后果

3.2.1火灾事故场景假设

假设在计量分离器和三相分离器之间管线连接处由于人员焊接不牢或者在使用过程中维护不当等原因发生泄漏，泄漏后立即燃烧。喷射方向正对着栈桥Y+向，水平无阻挡喷射。

3.2.2火灾发展过程

1.68 s时喷射火火焰长度达到5 m，越过生产平台甲板蔓延至与生产平台相连的栈桥。3.66 s时火焰已达到栈桥中心点，喷射距离13 m并且火焰出现较大幅度抬升。9 s火焰到达储油平台但遇到栈桥末端的浮头式换热器阻挡火焰形状出现变化。10 s时火焰基本稳定，长度保持在20 m左右，同时烟气量显著增加。管线交叉处火灾事故模拟部分结果见图4。

图4 管线交叉火灾事故模拟

3.2.3火灾事故分析

生产平台喷射口15 m范围内热辐射强度均超过临界值，在此范围内设备连续暴露30 min以上会被严重破坏甚至烧尽，三相分离器末端、储油罐和栈桥应重点防护，提前采取减轻事故后果措施。同时人员在1 min若不能及时逃生，将有死亡威胁。

管线和栈桥热辐射强度均在短短几秒之内达到损坏临界值，设备装置强度迅速降低，暴露30 min以上可能会引起管线坍塌、管内原油泄漏造成二次事故，并且栈桥由于热辐射强度影响存在坍塌危险性，影响人员逃生和增大事故救援难度。

3.3 生产平台池火事故后果

3.3.1火灾事故场景假设

假设生产平台计量分离器、高效三相分离器和连接管线由于人员失误、设备失效、管理等原因造成油管和设备发生油气泄漏，在甲板表面形成15 m×10 m×0.3 m的油池。一定温度下原油蒸发在表面形成原油蒸气。在油池表面上方存在点火源。平台所处外部空间为全部开放状态，无风条件、常压。

3.3.2火灾发展过程

在0～10 s火焰初期火势增长缓慢，10～35 s之间呈t2增长态势，40 s后热释放速率稳定进入发展期。

生产平台池火火灾事故模拟部分结果见图5。

图5 生产平台池火火灾事故模拟

3.3.3火灾事故分析

火灾进入稳定期后，由于烟气不断向周围开放环境扩散，油池四周温度比中心温度高，整体温度300 ℃以上，人员在此环境中10 s内100%死亡。

分离器之间管线受影响较大，温度在600 ℃以上钢材20 min内基本丧失全部强度，管线安全与稳定性能受到较大考验。

燃烧18.2 s之后三相分离器和闭式排放罐靠近油池部位热辐射值超过临界值，待进入燃烧稳定期后危险区域扩大到油池及其附近3 m，处于其中的分离器、管线、天然气加热器等均在30 min遭到严重损坏、钢结构坍塌，1 min操作人员死亡可能性100%。

3.4 储罐平台池火事故后果

3.4.1火灾事故场景假设

假设储油平台油罐发生泄漏，泄漏的原油在防火堤内聚集。在某一点遇到明火点火源燃烧，随后火灾逐渐扩大。火灾模拟时间为120 s，油罐提前有防火层等保护措施，在模拟时间内油罐没有出现坍塌等危险，罐内原油还未燃烧。并且根据事故最大化原则，不考虑喷淋设施和人工应急措施的启动。

3.4.2火灾发展过程

在0～10 s火焰初期火势增长缓慢，10～60 s热释放速率直线上升。60～80 s之间出现暂时性稳定，火焰燃烧速度增长缓慢，80～100 s火灾功率直线上升但是增长速率降低，90 s之后整个油池已经完全燃烧。以90 s作为燃烧分界点，之前为快速增长期，之后是稳定期。储罐平台池火火灾事故模拟部分结果见图6。

3.4.3火灾事故后果

油池燃烧面积仅局限于防火堤内区域，可以3 m作为最小安全间距，人员工作区域划分、设备和应急开关等布置尽量在安全区域以外。

栈桥表面温度均维持在环境温度11.7 ℃，在1.5 m高度处右侧栈桥相对较危险。40 s之后稳定在80 ℃，根据温度危险性判别准则，10 min内将达到人体承温极限值会处于危险状态。

图6 储罐平台池火火灾事故模拟

相比较温度影响范围和程度，热辐射是主导因素。火灾发展稳定后危险区域为油池及其附近3 m处。油罐整体受到较大影响，结合热辐射和温度分析而言，油罐受到热辐射影响较大，30 min内应采取紧急措施进行处理。

4 结论与展望

4.1 结论

a)三相分离器喷射火在小于0.041 m3/s时火焰垂直方向15 m与水平方向5 m以外较安全，人体无死亡威胁。危险区域内计量分离器、三相分离器以及连接管线是受到影响最严重的，应重点加强防护。

b)管线交叉处喷射火在小泄漏情况下火焰最大长度为20 m，距离喷射火焰轴向5 m以外区域基本不构成威胁。栈桥存在坍塌和引发原油泄漏危险性，应制定安全对策措施进行防范。

c)平台发生池火灾时，热辐射是主要的致灾因素，油池及其附近3 m内是主要危险区域。处于危险区域内设备30 min严重损坏、操作人员1 min死亡可能性100%。

4.2 展望

a)目前平台设计很少进行平台油气火灾事故后果评估，由于平台火灾导致后果的毁灭性，建议在平台设计时考虑进行火灾事故灾害评估，确保火灾不能涉及重要的油气管道和储藏设施，要注重平台的结构布局，油气工艺设施尽量远离平台生活区域。

b)要降低平台的火灾风险，可以考虑从以下几个方面采取措施，包括平台结构布局、应急关断系统、起火控制、溢漏控制、应急系统、消防系统、检修和维护等。此外，增加对平台作业人员的消防培训和应急演练能有效控制火灾后果的恶化。

c)目前胜利海域存在大量的超期服役平台，应加强对平台油气工艺系统中的焊接连接、法兰结构、平台立管等部位的腐蚀检测，防止严重腐蚀导致泄漏的存在，同时应加强对平台油气探测、火灾探测和消防系统的检测，确保海上油气生产的可持续进行。

d)目前缺乏详细的浅海火灾事故数据统计资料，今后可进一步对火灾事故发生概率、类型、后果等进行统计和研究，以便得到更普遍有效的分析数据，同时，也可开展平台烟气对人员中毒窒息和逃生路线的影响。