李修峰,賈廷亮,王磊
中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司伊拉克分公司(天津 300456)
油氣泄漏引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故是海洋油氣作業(yè)面臨的主要風(fēng)險(xiǎn),可燃?xì)庠迫急a(chǎn)生的高溫、高壓和熱輻射將會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害,引起更大量的天然氣泄漏而加劇事故風(fēng)險(xiǎn)[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋作業(yè)油氣燃爆風(fēng)險(xiǎn)已開展廣泛研究,包括可燃?xì)怏w泄漏擴(kuò)散過程、燃爆超壓、高溫、熱輻射變化規(guī)律[2-5],海洋平臺(tái)油氣燃爆事故頻率計(jì)算方法及燃爆風(fēng)險(xiǎn)管理方法[6],燃爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架[7],燃爆風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)[8]等。采用場(chǎng)模擬理論,利用CFD軟件模擬泄漏天然氣燃爆及火災(zāi)發(fā)展過程,分析可燃?xì)庠品植技盎馂?zāi)高溫傷害范圍,定量評(píng)價(jià)井口天然氣泄漏燃爆危險(xiǎn)性。
井口泄漏天然氣點(diǎn)燃后發(fā)生燃燒爆炸并產(chǎn)生高溫和熱輻射。采用CFD 數(shù)值仿真軟件模擬泄漏天然氣被點(diǎn)燃后火災(zāi)發(fā)展過程及高溫、熱輻射的危害范圍。CFD 仿真模型中,采用計(jì)算高效、應(yīng)用廣泛的混合分?jǐn)?shù)燃燒模型模擬泄漏氣體的燃燒過程,通過求解混合組分分布的輸運(yùn)方程以計(jì)算燃燒產(chǎn)物各組分的分布。
混合分?jǐn)?shù)燃燒模型的基本假設(shè)條件是:流體的瞬時(shí)熱化學(xué)狀態(tài)僅與單一的守恒標(biāo)量混合分?jǐn)?shù)f相關(guān)。其計(jì)算公式為:
式中:Zk為元素k的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Zi,ox為氧化劑入口處的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Zi,fuel為可燃物入口處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。燃燒過程中對(duì)化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算,可采用化學(xué)平衡假設(shè)和基于燃燒富限值方法的非化學(xué)平衡假設(shè)。
采用P-1 輻射模型考慮燃燒熱輻射散射作用,求解輻射能力傳遞方程,計(jì)算燃燒過程中的熱輻射。輻射熱量計(jì)算公式為:
式中:qr為輻射熱量;α為吸收系數(shù);σs為散射系數(shù);C為線性各相異性相位函數(shù)系數(shù);G為入射輻射。
以某鉆井平臺(tái)為例(圖1),建立數(shù)值仿真模型及網(wǎng)格模型(圖2),設(shè)置邊界條件,通過設(shè)置參數(shù)可在模擬軟件中分析可燃?xì)馊紵蠡鹧姘l(fā)展過程。
圖1 某鉆井平臺(tái)
圖2 數(shù)值分析網(wǎng)格模型
網(wǎng)格模型中計(jì)算域?yàn)?00 m×200 m×300 m(長(zhǎng)、寬、高),由于計(jì)算域較大,劃分網(wǎng)格模型時(shí)設(shè)置網(wǎng)格單元按增長(zhǎng)倍數(shù)(1.01)從井口向四周區(qū)域逐漸增大,既可有效模擬井口附近可燃?xì)馊紵^程,又可節(jié)省計(jì)算資源,總網(wǎng)格數(shù)為500萬。
求解時(shí),井口設(shè)置為mass flow inlet定義泄漏氣體的質(zhì)量流速,平臺(tái)表面及計(jì)算域底面設(shè)置為Wall,計(jì)算域來風(fēng)面設(shè)置為velocity inlet定義風(fēng)速大小,計(jì)算域頂面和兩側(cè)設(shè)置為symmetry,出流面設(shè)置為outflow。
計(jì)算分兩步:①求解泄漏天然氣擴(kuò)散后形成的可燃?xì)庠频姆植挤秶?;②井口設(shè)置點(diǎn)燃點(diǎn),求解可燃?xì)庠泣c(diǎn)燃后火焰的溫度和熱輻射的影響范圍。
井口泄漏天然氣主要成分為CH4,其體積分?jǐn)?shù)為99.6%,作業(yè)海域海況記錄平均風(fēng)速5.5 m/s。該井天然氣試采量為(1~100)×104m3/d。選取危險(xiǎn)等級(jí)最高的100×104m3/d 氣量分析泄漏天然氣擴(kuò)散過程,計(jì)算過程中假設(shè)氣體持續(xù)泄漏,平均流量為700 m3/min。
井口天然氣泄漏后,高速流動(dòng)的氣體在井口壓力作用下迅速擴(kuò)散,短時(shí)間內(nèi)沿井口方向擴(kuò)散距離即達(dá)到60 m,并沿平臺(tái)橫向和縱向形成一定的擴(kuò)散范圍。100 s左右各方向擴(kuò)散范圍即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),如圖3 所示。通過軟件計(jì)算,圖4 為穩(wěn)定狀態(tài)下井口天然氣可燃?xì)庠疲?%CH4)分布,主要分布在鉆臺(tái)上方井架附近。穩(wěn)定狀態(tài)下,可燃天然氣積聚覆蓋體積為517.81 m3,水平面覆蓋半徑達(dá)到23.43 m,垂直方向最遠(yuǎn)擴(kuò)散至61.56 m,覆蓋鉆臺(tái)上方絕大部分區(qū)域。受井口高壓作用,可燃?xì)庠浦饕植荚诰谏戏骄芨浇?,來風(fēng)作用下可燃?xì)庠品植计顓^(qū),如圖5所示。
圖3 泄漏氣體擴(kuò)散范圍變化
圖4 井口泄漏天然氣可燃?xì)庠?/p>
圖5 可燃?xì)庠破矫娣植?/p>
井口泄漏天然氣擴(kuò)散穩(wěn)定后,可燃?xì)庠品植挤秶畲?,假設(shè)在井口附近遇點(diǎn)火源并引發(fā)爆燃,圖6為可燃?xì)庠迫急l(fā)展過程。
圖6 可燃?xì)庠迫急^程
可燃?xì)庠圃邳c(diǎn)火源作用下發(fā)生燃燒(圖6(a)),火勢(shì)瞬間擴(kuò)大,短時(shí)間內(nèi)向四周快速蔓延(圖6(b)),呈燃爆狀態(tài)。外部流動(dòng)氣流作用下火焰頂端燃燒范圍迅速增大,火焰邊緣急劇膨脹,呈現(xiàn)蘑菇云形狀(圖6(c))。隨著井架上方可燃?xì)庠迫紵?,預(yù)混可燃?xì)饬繙p小,火焰燃燒范圍縮小并逐漸穩(wěn)定,并在來風(fēng)作用下火焰開始向下風(fēng)向逐漸偏斜。從點(diǎn)燃開始經(jīng)過10 s 左右,燃爆演變?yōu)榉€(wěn)定的噴射火燃燒。根據(jù)燃燒火焰?zhèn)εR界溫度,建立燃燒火焰形成的臨界損傷溫度等值面分布,如圖7所示。
根據(jù)燃燒火焰?zhèn)εR界溫度,391 K 溫度界面將造成人體灼傷,453 K 溫度界面將造成人體嚴(yán)重傷害,673 K溫度界面將造成鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度部分失效,873 K溫度界面將導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)全部失效。
T=873 K 和T=673 K 溫度場(chǎng)主要分布在鉆臺(tái)上部井架區(qū)域,持續(xù)燃燒使得井架及設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)即喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,失去承載能力,造成井架倒塌、設(shè)備損毀,進(jìn)而引發(fā)其他事故。T=453 K和T=391 K溫度場(chǎng)分布范圍明顯增大,該區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員可能受到嚴(yán)重?zé)齻?,?yán)重時(shí)會(huì)有生命危險(xiǎn)。若人員不及時(shí)撤離,可能造成較大的人員傷亡事故?;鹧媾R界損傷溫度分布范圍見表1。
圖7 火焰臨界損失溫度分布
表1 火焰臨界損傷溫度危害范圍
燃燒火焰形成的熱輻射對(duì)人員和設(shè)備造成損傷,越接近火焰中心,熱輻射強(qiáng)度越高,熱輻射場(chǎng)以輻射核心為中心呈向外圍空間發(fā)展,熱輻射強(qiáng)度逐漸減弱。
如圖8 和表2 所示,熱輻射強(qiáng)度35 kW/m2等值面最大覆蓋半徑為20.77 m,此范圍內(nèi),短時(shí)間內(nèi)井架結(jié)構(gòu)將受到嚴(yán)重?fù)p壞,作業(yè)人員100%死亡;在覆蓋半徑為20.77~25.76 m 時(shí),熱輻射強(qiáng)度為25~35 kW/m2,鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)暴露30 min 以上將發(fā)生明顯變形;作業(yè)人員暴露10 s 內(nèi)將嚴(yán)重?zé)齻^1 min 將導(dǎo)致100%死亡;半徑在25.76~30.02 m,熱輻射強(qiáng)度為13.5~25 kW/m2,井架結(jié)構(gòu)受輕微破壞,超過1 min人員有生命危險(xiǎn);在半徑30.02~36.96 m 時(shí),熱輻射強(qiáng)度為9.5~13.5 kW/m2,人員暴露超過20 s 可能造成二度燒傷;半徑超過48 m 范圍后,熱輻射等級(jí)不會(huì)對(duì)井架及平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成影響。
圖8 燃燒熱輻射分布
表2 熱輻射強(qiáng)度等值面空間范圍
1)井口泄漏天然氣在井架附近形成可燃?xì)庠疲扇細(xì)庠频目臻g體積達(dá)517.81 m3,覆蓋半徑可達(dá)23.43 m。
2)可燃?xì)庠票稽c(diǎn)燃后初期呈現(xiàn)燃爆狀態(tài),短時(shí)間內(nèi)(約10 s)即轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的噴射火。
3)燃燒半徑19.88 m 范圍內(nèi)受高溫作用鋼結(jié)構(gòu)短時(shí)間失去承載能力,32.17 m范圍內(nèi)作業(yè)人員面臨生命危險(xiǎn)。
4)燃燒半徑30.02 m 范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)受熱輻射損害,48 m范圍內(nèi)人員受熱輻射傷害。