基于FLACS的海上钻探平台井喷爆炸事故后果模拟分析*

李佳航，杨国梁，多英全，吴宗之

(1.华北科技学院，河北 廊坊 065201； 2.中国安全生产科学研究院，北京 100012；3.国家卫生健康委员会职业健康司，北京 100713)

0 引言

随着我国对石油能源需求量增加，海洋油气开采强度增大。由于海洋环境恶劣，作业程序复杂，一旦海上钻探平台发生井喷失控，会在钻台周围迅速形成大规模可燃气云并易发生爆炸[1]。海上钻探平台井喷燃爆事故具有损失大、频率高的特点，是海上钻探平台较为严重的事故类型，一旦发生井喷爆炸事故易产生连锁效应，造成人员伤亡、环境污染等重大生产安全事故。因此，研究海上钻探平台井喷燃爆事故后果，对于井喷事故风险防控具有重要意义。

鉴于爆炸试验的破坏性和非经济性，基于理论模型开展流体力学数值模拟计算，该模型具有交互友好、成本低、可重复性等优点，被广泛应用于解决工程问题[2]。李修峰等[3]利用Fluent软件对平台天然气喷射扩散行为进行数值模拟，分析甲烷爆炸气云时空分布规律；Ma等[4]采用FLUENT模拟重庆市开县“12·23”特别重大天然气井喷失控事故发展过程；Ai等[5]采用CFD技术对陆地井喷失控后的可燃气云爆炸和喷射火进行三维数值模拟；张林[6]通过CFD软件Autoreagas对天然气平台可燃气体爆炸超压和高温热辐射进行模拟，并对爆炸超压和热辐射的伤害范围进行对比分析。在流体力学软件中，FLACS软件能够研究复杂结构的通风情况，定义泄漏源种类以及气体泄漏到复杂结构的扩散过程，可以在更真实场景下研究爆炸过程。戴伟等[7]应用FLACS软件针对典型海洋平台上部结构进行建模，研究海洋平台上部结构布置排列对爆炸超压分布的影响；Talberg等[8]采用FLACS软件对海洋平台气体扩散进行模拟；Li等[9-10]利用FLACS研究安全距离和施加防爆墙影响下海上船舶LNG扩散及气云爆炸后果。

目前，针对海上钻探平台井喷爆炸影响参数(井喷速率、风向、点火位置等)对爆炸特性参数的影响研究较少。因此，本文通过FLACS软件对某深海钻探平台井喷燃爆事故后果进行数值模拟，研究不同事故场景下气云爆炸发展过程及平台荷载分布规律，讨论井喷速率、风向、点火位置等条件对井喷燃爆产生的冲击波超压分布的影响，研究结果可为平台的阻隔防爆性能设计与应急响应提供指导。

1 模型建立

1.1 数学模型

利用FLACS对可燃气云扩散爆炸进行模拟时，各状态参数仍基于质量守恒、动量守恒、能量守恒3大守恒方程，控制方程如式(1)所示[11]：

(1)

式中：ρ为流体密度时间平均值，kg/m3；u为速度时间平均值，m/s；φ为通用变量时间平均值；Г为φ的湍流输运系数；Sφ为针对不同φ项的源项。

爆炸过程中燃料质量分数如式(2)所示[12]：

(2)

式中：uj为j方向的质点运动速度矢量，m/s；mfu为气体燃料的质量分数；Гfu为气体燃料输运特性的湍流耗散系数；xj为在流物中第j坐标轴方向；Rfu为气体体积燃烧速度，m3/s。

1.2 物理模型

本文气云爆炸数值模拟分析以某半潜式海上钻探平台为例，通过CFD软件FLACS的前处理软件CASD建立三维物理模型。该平台主要由下浮体、立柱及上部结构3部分组成：下浮体提供平台大部分浮力；立柱用于连接工作平台和扶梯，支撑工作平台；工作平台即上部结构，按照功能不同可分为生活区、钻井工作区、管件处理区，主要用于布置钻井设备、钻井器材、起吊设备、安全救生、人员生活设施以及动力、通讯和导航等设备。生活区端为船艏，远离生活区端为船艉。平台从下浮体底部到上甲板之间高度38.6 m，平台整体宽度78.68 m，长度114.07 m，井口直径0.762 m。海上钻探平台三维模型如图1所示。

图1 海上钻探平台三维模型

1.3 网格及监测点设置

为保证计算结果准确性同时提高计算机的运行速度，在进行爆炸模拟网格划分时分为核心区域和非核心区域。以平台上部结构为核心区域，核心区域网格选择平均划分，网格尺寸为0.5；平台上部结构之外为非核心区域，拉伸系数为1.2，最大网格尺寸为5.99，共计5 877 711个网格单元，网格划分见表1。所有方向边界均设置为plane wave边界。

表1 网格划分

本文主要考虑爆炸对平台建构筑物的伤害，因此，监测点主要布置在生活区、泥浆室、操作台、立管存放处、停机坪位置处，主要监测参数为超压值。

2 方案设计

可燃性气体爆炸是指气体在瞬间膨胀并伴随迅速能量释放的过程。爆炸时具有高密度、高压、高速的生成气体迅速膨胀，爆源周围空气介质受强烈的压缩作用形成突变界面—爆炸冲击波阵面，受压缩后空气在爆炸气体前方传播和发展并形成爆炸波[13]。当可燃性气体被点燃，将产生带有化学反应的火焰波，火焰波燃烧迅速扩散形成具有破坏作用的空气冲击波，由于火焰波阵面传播速度小于压力波阵面速度，使前驱冲击波扰动尚未燃烧的气体产生湍流，气体扰动越大，火焰与气体接触后的燃烧速度越大，爆炸超压上升。影响可燃性气体爆炸强度因素包括气云浓度、可燃气云均匀度和尺寸、环境中障碍物等。

在FLACS中，气体混合物层流燃烧速度取决于相对于氧气浓度的燃料浓度以及燃料类型。采用当量比法测量燃料-氧气相对浓度，其定义如式(3)所示：

(3)

式中：(mfuel/moxygen)actual表示可燃气云中实际化学反应燃料和氧气的质量比；(mfuel/moxygen)stoichiometric表示理论化学反应中燃料和氧气的质量比；(Vfuel/Voxygen)actual表示可燃气云中实际化学反应燃料和氧气的体积比；(Vfuel/Voxygen)stoichiometric表示理论化学反应中燃料和氧气的体积比。

根据可燃气云爆炸传播机理及影响因素，模拟选取泄漏速率、风向、点火位置3个变量进行研究。设计井喷位置为隔水管顶端，位于主甲板下方，主要模拟流体成分为天然气。具体模拟场景见表2。

表2 井喷燃爆事故模拟场景

3 影响因素分析

平台上部区域可燃气体含量变化如图2所示。由图2可知，无论在何种工况下，平台上的燃料含量在200 s后基本趋于稳定，持续的井喷不会对模拟关注区域内的燃料含量和分布产生影响。因此，为简化计算将200 s时刻的可燃气云分布导入爆炸模块进行分析。

图2 平台上部区域可燃气体含量变化

通过事故经验、TNO的爆炸超压影响分析及海上部件可得到超压抗力的理论计算分析，爆炸超压影响准则见表3。

表3 爆炸超压影响准则

3.1 泄漏速率对爆炸超压的影响

在保持点火位置、风向风速等其他工况不变情况下，调整泄漏速率大小，使其分别以60 kg/s的完全井喷和40，12 kg/s的不完全井喷进行泄漏。

泄漏速率为12，40 kg/s的爆炸超压分布如图3所示。由图3可知，泄漏速率为12 kg/s时，爆炸压力波及范围内大部分区域压力较小，最大超压值约为4.91 kPa，相比泄漏速率为40 kg/s其爆炸强度较弱，爆炸压力场影响范围相对最小，平台上部区域承受的爆炸超压处在可接受范围。这是因为泄漏产生的可燃气云大部分区域气体浓度较低，气云尺寸较小。

图3 不同泄漏速率下爆炸超压分布

对比60，40 kg/s泄漏速率气云分布如图4所示。由图4可知，受钻台结构影响，当泄漏速率减小时，积聚在生活区附近的气云增多，部分气云扩散至生活楼2楼内部；当泄漏速率为40 kg/s时点燃气云，爆炸影响严重程度大于泄漏速率为60 kg/s的爆炸影响严重程度，在立管存储区及固控设备间部分区域产生的超压大于35 kPa，该区域存放的立管及区域内的工艺设备会发生破裂，防爆墙及钢墙被炸毁，尤其在生活区2楼区域，爆炸产生的超压值最高达到77 kPa，整个生活区受到严重破坏。

图4 泄漏速率40，60 kg/s爆炸超压分布对比

3.2 风向对爆炸超压的影响

选取场景4，5分析风向对爆炸超压的影响，场景4风向为船艉吹向船艏(生活区)的+Y方向，场景5风向为船艏(生活区)吹向船艉的-Y方向，泄漏速率为60 kg/s时不同风向气云爆炸超压分布如图5所示。

由图5(a)可知，风向为+Y时，井喷发生后气云向生活区方向扩散，在生活区积聚的气云较多，爆炸发生后生活区附近超压超过20 kPa，其中，固控设备间承受的爆炸超压相对最大，约为31 kPa；远离生活区的钻平台下侧爆炸超压值较小，基本在6～10 kPa，不会对平台结构造成影响[14]。由图5(b)可知，当风向为-Y时，井喷后气云向远离生活区的方向扩散，由于远离生活区方向区域拥塞度较低，所以爆炸发生后超压较大的地方仍然在生活区方向，但超压值减小，最大超压值为22 kPa，在泥浆室附近会产生轻微损毁；远离生活区的钻杆堆放处附近拥塞度较小，因此其超压变化不是特别明显。

图5 泄漏速率60 kg/s风向+Y，-Y的爆炸超压分布

3.3 点火位置对爆炸超压的影响

井喷发生后，不同位置处分布的可燃气云浓度不同，障碍物会对气云扩散及爆炸强度产生影响，其他条件相同时，点火位置位于不同ER值时的平台爆炸超压情况如图6所示。

图6 不同ER值点火时的平台爆炸超压

在化学理论当量比处(ER=1.089)点燃气体，生活区承受的爆炸超压相对最大，在立管存储区及固控设备间处最大超压可达31 kPa；当在ER>1.089位置点火时，由于点火位置相差较小，爆炸超压相比于ER=1.089时变化不明显，超压最大值约为29.9 kPa，出现在压力罐及生活楼前；当在ER<1.089且靠近生活区位置点火时，平台主甲板区域承受超压值明显减小，在立管存储区超压值较大，最大超压值约为19.5 kPa，平台其他区域基本小于10 kPa，平台结构不会受到破坏。

不同点火位置时的爆炸超压如图7所示。通过对比图7(a)～(b)可以发现，当井喷速率为60 kg/s、风向为+Y时，远离生活区端点火产生的爆炸超压最高达到48.385 kPa,明显比靠近生活区端点火时大，最大超压值相差约30 kPa,相比于靠近生活区点火，平台受损情况更为严重。同样，如图7(c)～(d)所示，改变风向后规律相同，这是因为点火位置在远离生活区边缘时，火焰加速距离较长，给爆炸成长提供较大的时间和空间。同时，在生活区附近，设施及建筑物分布较为密集，拥塞度较高，更容易造成火焰加速和扰动，因此产生的爆炸超压更大。

图7 不同点火位置时的爆炸超压对比

4 结论

1)爆炸严重程度不仅与井喷速率密切相关，同时也受结构影响；点火位置会对爆炸超压产生影响，当在可燃气体与空气混合气体比例为化学理论当量比处点燃气体，生活区承受爆炸超压相对最大，通过对不同浓度点火位置对爆炸产生的影响进行分析，可对平台上的潜在点火源进行优化布局。

2) 通过对不同风向、相同ER值条件下不同点火位置处的爆炸超压进行分析可知，拥塞度对平台爆炸超压的影响较大，风向会对可燃气云分布产生影响，当其他影响因素不变，可燃气云分布在拥塞度较高区域时，产生的爆炸超压较大；当可燃气云分布情况不变，在远离拥塞度较高的地方点火，产生的超压更大。因此，海上钻探平台在进行应急准备时，应结合事故模拟分析并充分考虑风险和结构的影响，制定最优应对方案。

3)三维数值模拟对多因素耦合下的平台井喷燃爆事故后果分析具有可行性，对井喷燃爆事故的阻隔防爆结构设计、应急响应具有指导意义。