障碍物排列方式对海洋平台蒸气云爆炸的影响*

刘俊雄，余建星，陈海成，杨政龙，孔凡冬，雷 云

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072 ； 2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240)

0 引言

海洋平台作为海洋油气资源开发过程中的基础性设施，具有技术要求高、投资成本高、作业环境恶劣、施工难度大、随机因素多等特点。除受常规重力、压力等工作载荷以及风、浪、流、冰等环境载荷外，还时常由于生产设施损坏、设备油气泄漏而受到火灾、爆炸等风险载荷作用，一旦出现事故，通常会造成重大的人员伤亡、经济财产损失以及生态环境破坏等严重后果[1]。因此，探索海上可燃性气体爆炸的规律，研究其影响因素，提出具有较高可行性的防控措施对于海洋工程安全运行和海洋油气事业的持续健康发展具有十分重要的意义。

在海洋平台油气泄漏引发的蒸气云爆炸预测的计算方面，国内外学者基于试验和理论分析提出了适用于海洋平台的可燃气体爆炸模型[2-4]，包括以TNT当量法为代表的经验方法、以TNO多能模型法为代表的经验与模拟结合方法和以CFD方法为代表的数值模拟方法。但TNT当量法仅适用于高强度气体爆炸远场强度预测，TNO多能法也仅适用于初期保守定性预测。以FLACS为代表的CFD数值模拟方法通过建立精确的蒸气云和障碍物模型，充分考虑各种影响因素，可以在更真实的场景下研究气体爆炸过程。

针对海洋平台的复杂条件，国外学者对封闭环境下障碍物对爆炸的影响进行了一系列实验。Moen等[5]进行了管型容器爆炸实验，发现阻塞率是影响爆炸超压的重要参数，阻塞率的增大会减小通气孔面积进而提高空气流速，速度的增加增大了孔板后的湍流，导致了爆炸超压增大；David等[6]进行了立方体容器爆炸实验，发现除了体积阻塞率影响爆炸强度外，对于障碍物对爆炸传播的影响而言，障碍物的形状及其布置也是关键因素；Dag等[7]在具有相同长度和相似障碍物的楔形和管道容器中进行的实验表明，管道容器内的末端火焰速度高于楔形容器；Dag等[7]进行了管道内障碍物的交错排列实验，发现障碍物的错动会导致更高的压力，这是仅用阻塞率等参数无法描述的。

国内的一些学者采用实验和数值模拟的方法研究了障碍物影响蒸气云爆炸的机理。Li等[8]利用计算流体动力学软件AutoReaGas分别研究障碍物量和体积阻塞率对天然气爆炸的影响，发现超压峰值和最大燃烧速度随着障碍物数量的增加而增加，随着体积阻塞率的增加先增大后减小；郭丹彤等[9]采用软件AutoReaGas设计了立方体模型爆炸实验，结果表明，障碍物同一结构下其阻塞程度在一定范围内与超压峰值呈正比，在障碍物阻塞率相同的情况下，立体障碍物对气体爆炸压力场的影响要大于平面障碍物；韩蓉等[10]采用数值模拟的方法，发现在密闭方管中的爆炸，球形障碍物错落排列造成的压力上升速率约为同位排列的100倍；周宁等[11]设计了一种管道实验装置，发现障碍物的空间位置对火焰加速的影响十分显著；魏存娟等[12]的实验证明了管道内障碍物间距的变化对蒸气云爆炸压力的影响并不显著。

蒸气云爆炸影响因素中包含了燃料类型、混合均匀度、点火能量、初始温度、障碍物等众多因素，其中障碍物决定湍流的发展，而湍流是导致火焰加速的关键参数[13]。障碍物作为影响气体爆炸的重要因素受到了广泛重视，然而目前研究通常采用体积阻塞率等参数来描述障碍物的阻塞程度，但仅使用阻塞率等参数无法描述障碍物交错排列会导致更高超压等现象[7]，需要对障碍物的排列方式做进一步的研究。

鉴于上述分析，本文采用基于CFD方法的FLACS软件建立蒸气云爆炸计算模型，选用欧洲共同体气体委员会资助的MERGE项目的系列爆炸实验进行模型验证，提出了用于衡量障碍物排列不均匀度的量化参数，通过爆炸超压峰值变化规律，研究障碍物排列方式对海洋平台蒸气云爆炸的影响。

1 FLACS数值模拟

FLACS是专业气体爆炸分析软件，在油气工业生产和研究领域有着广泛的应用。FLACS基于CFD数值计算方法，能够模拟气体的泄漏、扩散和传播过程，以及可燃性气体混合物点燃后，模拟火焰传播和爆炸引起的超压变化。同时，可以监测整个计算空间任意位置处相关变量的时间历程，例如压力、火焰速度、燃料浓度等。

CFD数值模拟方法以流体力学基本方程和化学反应动力学方程为基础，利用有限元计算对爆炸过程进行数值求解。能量守恒方程如式(1)所示[14]：

(1)

表1 通用变量赋值Table 1 Generic variable assignment

表1中的物理符号含义如下：ui为速度分量，m/s；μ为动力黏度，N·s/m2；p是流体微元上的压力，N；Si为动量守恒方程的广义源项；T为温度，K；k为流体传热系数，W/(m2·K)；cp为比热容，J/(kg·K)；ST为黏性耗散项；cs为某组分s的体积浓度，mL/m3；Ds为某组分s的扩散系数，m2/s；Ss为通过化学反应某组分s的生产率(单位时间单位体积产生的质量)，kg/(s·m3)。

湍流模型采用经典的两方程模型k-ε模型，包括湍流动能k方程和湍流动能的耗散率ε方程，如式(2)～(3)所示：

(2)

(3)

式中：μeff为有效黏度，N·s/m2；Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，J；Cε1，Cε2为经验常数；σk和σε分别为湍流动能k和耗散率ε对应的Prandtl数。

其中湍动黏度μt由Boussinesq涡流黏度模型模拟得到，μt和k，ε的关系通过1个经验常数Cμ以式(4)表达：

(4)

有效黏度则设定为层流黏度μ和湍动黏度μt之和，如式(5)所示。

μeff=μ+μt

(5)

在k-ε模型中使用的参数值如表2所示。

表2 k-ε模参数值Table 2 Parameter values of k-ε model

2 数值模拟方法的实验验证

为了验证FLACS数值模拟方法用于海洋平台典型结构内部爆炸预测计算的有效性，选取MERGE项目已完成的一系列实验进行对比验证，将数值计算结果与实验结果进行对比分析。MERGE项目主要研究了均匀分布障碍物尺寸与体积阻塞率对蒸气云爆炸的影响。

实验具体装置如图1所示，实验中障碍物阵列的尺寸约为4.5 m×4.5 m×2.25 m，圆形管障碍物直径为86 mm，其布置规格为10个×10个×5 个(X方向×Y方向×Z方向)，在各方向上的中心间距均为400 mm。给定气体空间由聚乙烯薄膜包围封闭，充满甲烷与化学计量比的空气预混合气体。着火点位于障碍物中心的地平面上，使用低能量火花点燃。在沿X轴方向的地平面上，距离点火源1.0,1.2，1.6，2.0，4.0 m的位置处设置5个压力传感器。实验所得数据如表3所示[15]。

图1 MERGE项目实验装置Fig.1 Experimental device of MERGE project

X轴距离/m1.01.21.62.04.0超压峰值/ kPa10.88810.79410.3899.8055.814

基于FLACS软件选择实验场景中的相关几何尺寸参数，建立图2所示障碍物模型并进行计算，对该实验进行数值模拟验证。

图2 数值模拟内部障碍物排列Fig.2 Internal obstacles arrangement of numerical simulation

FLACS求解器进行数值模拟计算，提取各监测点的超压，将MERGE实验数据与FLACS重现该实验所得的数值计算数据进行对比，结果如图3所示。

图3 数值模拟与实验结果数据对比Fig.3 Comparison between results of numerical simulation and experiment

数值计算结果与实验结果对比分析显示，爆炸超压峰值的相对误差在-4.7%到7.1%之间，满足工程误差要求，验证了利用FLACS软件数值模拟方法研究实际海洋平台典型结构内部阻塞空间中可燃性蒸气云爆炸的有效性。

3 障碍物排列对可燃性气体爆炸的影响

海上平台发生的意外气体爆炸具有复杂传播特征，爆炸与几何形状之间有很强的耦合关系。在数值模型中，难以精确地考虑每个几何细节，原因是建立复杂几何模型需要大量的数值网格点。Hjertager[16]提出了另一种方法来描述海上平台爆炸的几何形状并建立其对爆炸的影响模型，该方法建立了立方体模型和杆状障碍物(方形和圆形)，利用阻塞率和分布阻力的概念，模拟了复杂几何结构中的爆炸传播。其中分布阻力函数依赖于体积参数，如障碍物的尺寸和方向等。本文采用类似的几何模型，用密闭立方体模型中平行或垂直于底面的管状障碍物模拟海洋平台中的复杂结构。

目前研究障碍物对气体爆炸强度的影响一般采用面积阻塞率和体积阻塞率等参数来描述阻塞程度。然而，在阻塞率相同的情况下，障碍物的排列分布对爆炸传播过程也会产生重要影响。

建立海洋平台典型结构的简化形式，假定X，Y，Z3个方向排列规律相同，分别设定不同排列分布方式，包括：均匀排列、中间密两边疏、中间疏两边密3类共9种工况，如图4所示。考虑X方向分布情况，每种工况中障碍物间均设置9个间隔，间隔距离由抛物线函数确定，如式(6)所示:

图4 障碍物排列方式Fig.4 Arrangement modes of obstacles

(6)

式中：x为障碍物坐标位置，通过改变参数a的值来改变障碍物排列不均匀度，具体间隔设置如表4所示。

定义排列不均匀度CDO(Confusion Degree of Obstacles )为障碍物间距的均方差，如式(7)所示:

(7)

表4中情景0～3是中间疏两端密的布置方式，这种情景下排列不均匀度CDO取为各个间隔标准差的相反数，为负值；情景4是均匀排列布置方式，这种情景下排列不均匀度CDO取为各个间隔标准差，即为0；情景5～8为中间密两端疏的布置方式，这种情景下排列不均匀度CDO取为各个间隔标准差，为正值。

3.1 排列不均匀度与爆炸超压关系

使用FLACS软件模拟MERGE项目中的实验场景，障碍物均匀排列，按照式(7)所定义，排列不均匀度CDO为0。计算得到各测点超压时间历程曲线，图5中P5，P6，P8，P10，P20代表了5个测点处的数值变化情况。

表4 模拟情景设置Table 4 Setting of simulation scenarios

图5 不均匀度为0时超压时间历程曲线Fig.5 Time history curves of overpressure when CDO was 0

分别选取不均匀度为-16.8与16.8 这2组情景，绘制不均匀度分别为正和负时各测点超压—时间曲线，如图6～7所示。

图6 不均匀度为-16.8时超压时间历程曲线Fig.6 Time history curves of overpressure when CDO was -16.8

图7 不均匀度为16.8时超压时间历程曲线Fig.7 Time history curves of overpressure when CDO was 16.8

从图5～7可以看出，爆炸产生的冲击波传播至监测点处时，开始正压作用阶段，之后超压快速增长到达峰值，跨越峰值拐点后，呈指数衰减到达大气压力，爆炸产物由于惯性继续向外膨胀造成冲击波后方产生负压，开始负压作用阶段，负压阶段压力相对较小。同时可以看出，不均匀度为0时，爆炸超压在5个测点处各时刻均处于最大。而测点P20由于在障碍物范围之外，距离爆心位置最远，超压峰值最低。

分别对表4中所述9种不同情形下的障碍物排列方式进行爆炸冲击模拟计算，提取不同排列不均匀度下5个监测点的超压峰值，得到其与不均匀度的关系如图8所示。

图8 5个监测点的超压峰值Fig.8 Peak overpressures at five monitoring points

如图8所示，排列不均匀度正负区域的超压峰值关系体现出不同的特征，在CDO为负的区域内，障碍物排列中间稀疏两端密集，爆心位置附近空间相对较大，随着障碍物间隔方差的减小，障碍物趋于均匀排列，气体爆炸超压峰值近似呈线性增加。在CDO为正的区域内，障碍物排列中间密集两端稀疏，爆心位置附近空间相对较小，随着CDO数值的变化，气体爆炸超压峰值出现波动，说明在爆心位置较密时，爆炸冲击波情况变得更为复杂。

按照CDO数值的正负分类，分别统计2类情景的爆炸超压峰值与爆心距离关系，如图9～10所示。

图9 CDO为正时，爆炸超压峰值与爆心距离关系Fig.9 Relationship between peak explosion overpressure and distance from explosion center when CDO was positive

图10 CDO为负时，爆炸超压峰值与爆心距离关系Fig.10 Relationship between peak explosion overpressure and distance from explosion center when CDO was negative

由图9～10可以看出，在相同可燃性蒸气云以及体积阻塞率不变的条件下，CDO为0时，即障碍物均匀排列时造成了最大的爆炸超压。对于相同的障碍物间隔，不同的排列顺序引发了不同的爆炸超压，说明可燃性气体爆炸对于障碍物排列方式比较敏感。障碍物排列中间密两端稀时，整体的超压水平大于障碍物排列中间稀两端密的布置方式，说明对超压产生和发展影响更大的是爆炸发展初期的障碍物阻塞程度，火焰前方的未燃烧气体受到障碍物阻塞越大则产生的湍流越强烈，增大了火焰阵面的扰动，提高了热量与物质传递速率，使得火焰加速从而导致更大的峰值压力。

3.2 障碍物管径与爆炸超压的关系

障碍物的阻塞程度会影响湍流的发展，是导致火焰加速的重要原因，障碍物的阻塞率是通常采用描述障碍物阻塞程度的参数。通过改变障碍物的管径来改变障碍物的阻塞率，将不同管径下，排列不均匀度分别为-16.8，0和16.8 3种排列方式的爆炸超压峰值绘制曲线，如图11所示。

图11 3种不均匀度在不同管径下的最大超压Fig.11 Maximum overpressure of three CDO under different pipe diameters

由图11可以发现，管径的大小影响了障碍物的阻塞率，同等条件下障碍物的阻塞率越高，将会导致更小的通过面积，增大空气的流速，增大障碍物后的湍流，从而导致了更大的超压。在相同的管径条件下，体积阻塞率一致，而障碍物均匀排列通常会导致最大的爆炸超压。

3.3 海上油气平台防控措施

在海洋石油钻井平台上，要划分出爆炸危险的区域范围，并且依据规定进行防爆管理，提高海洋石油钻井平台的安全性[17]。本文将海上平台上部结构的不同区域划分为4种类型，并根据上文所述爆炸超压与障碍物排列方式及阻塞率的影响规律，分别针对不同区域，给出如下安全防控建议：

1)油气泄漏高发区域，包括了燃油系统的燃油柜及附属的溢油管、滑油系统的滑油柜等设备。在易泄漏区域要减少非必要设备的布置，将管线沿甲板布置，减少悬空布置，同时管线和储罐储柜等设备布置时避免均匀排列。

2)不产生泄漏区域，包括了冷却水系统的冷却水管、排气系统的排烟管和排气管等设备，该区域不直接产生油气泄漏，但是与油气泄漏高发区域存在紧密联系。该区域尽量将设备远离易泄漏区域，将管线沿甲板布置，减少悬空布置，同时将管线避免均匀排列，增大靠近易泄漏区域的管线间隔。

3)着火点区域，主要包括了电气设备，泄漏油气所需点火能量较低，细微的电火花即可造成巨大危害，因此需要将着火点区域远离易泄漏区域，同时将电缆孔导板及电缆架的设备进行不均匀排列。

4)非危险区域，例如通风区域的通风管，建议将管线贴近甲板布置，减少管线均匀排列。

4 结论

1)基于FLACS软件建立海洋平台典型结构内部爆炸模型，利用MERGE项目实验进行数值模拟验证，取得了较高的一致度，验证了计算方法的有效性和可靠性。

2)提出用于衡量障碍物排列不均匀度的量化参数CDO，对障碍物排列方式的影响进行了研究，发现均匀排布的障碍物导致的爆炸作用最大；相同的间距在不同的排列顺序下对爆炸超压的影响不相同，中间密两边稀疏的排列方式产生的超压整体水平更高；在爆炸发展初期阶段，障碍物阻塞程度对超压产生和发展影响更加显著。

3)根据障碍物排列方式对蒸气云爆炸的影响规律，提出海洋平台油气爆炸安全防控的建议措施，在管线设计时努力避免悬空布置，减少管线均匀排列，增大靠近易泄漏区域的管线间隔。