深水半潛式支持平臺火災煙氣蔓延規律

許鵬程， 高 瑾， 邱國志

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院， 上海 200240)

深水半潛式支持平臺(DWSSP)遠離陸地，是遠海油氣田作業人員的主要生活居住場所.DWSSP的艙室設計緊湊、通道狹窄、樓梯陡峭，一旦發生火災，人員疏散能力極易因煙氣蔓延而迅速減弱，從而造成重大人員傷亡.因此，研究DWSSP火災煙氣蔓延規律可為火災發生后如何保障平臺人員的安全提供重要的參考依據.

DWSSP是半潛平臺的重要分支.目前，國內外學者針對半潛平臺的火災安全性做了大量研究.Jin等[1]提出一種定量概率火災風險分析方法，用于確定可能的平臺失效區域.Wang等[2-3]建立了動態Bayesian網絡模型，得到了不同時刻平臺發生火災的動態概率以及人員、組織等因素對平臺火災的影響.Sun等[4]通過火災動力學模擬(FDS)軟件得到了風速、風向、火源位置、障礙物位置等因素對噴射火焰覆蓋區域、最高溫度覆蓋區域的影響規律.Rajendram 等[5]的研究表明，相對于基于固體火焰的建模方法而言，基于計算流體動力學(CFD)的建模方法而建立的火災場景更為精確.Kim等[6]研究了海洋平臺鋼管和混凝土管件在噴射火焰下的荷載特性.宋劍等[7]的研究表明當火災持續22 min后,平臺結構會因為受火區域的構件發生較大變形而傾覆.但是，目前的研究多集中于半潛平臺的火災風險評估[1-3]、半潛平臺的火災建模與仿真[4-5]、發生火災時半潛平臺的結構響應分析等領域[6-7]，而對半潛平臺火災煙氣蔓延規律的研究尚不多見.

本文以某7層DWSSP為例，利用FDS軟件中的數值計算方法對其火災煙氣的蔓延規律進行研究，得到了一些影響人員安全和人員疏散的危險因素的分布規律.研究結果可以為火災發生后的人員疏散路徑規劃、平臺消防設計優化提供一定的參考依據.

1 煙氣蔓延模型建立

1.1 煙氣蔓延物理模型

圖1 DWSSP模型Fig.1 Model of DWSSP

采用FDS數值計算方法建立DWSSP的煙氣蔓延物理模型，其結構如圖1所示.其中：底甲板(U)和間甲板(I)2層甲板為平臺的工作區和休閑區，其平面尺寸為67 m×71 m；主甲板(M)及A～D 5層甲板為平臺的生活區，其平面尺寸為67 m×25 m；平臺的溫度為20 ℃；相對濕度40%；氣壓為101 kPa(1個標準大氣壓).此外，該模型未設置滅火設施，不考慮熱輻射對平臺除火源房間外其余區域可燃材料的引燃效應.假定火災發生時，除著火房間房門和主甲板出口打開外，其余區域的門、窗均關閉.模型計算區域覆蓋整個平臺，網格尺寸為0.46 m×0.46 m×0.55 m，網格數為 520 344，模擬運行時間τ=1 500 s.

1.2 探測器布置

在火災環境中，溫度和CO濃度能夠直接造成人員傷亡，而能見度對人的視野和心理產生的影響則會導致疏散失序，這3個因素合力削弱了人員的移動能力，增加了人員的疏散時間，進而增大了人員的安全風險.因此，將溫度(T)、能見度(Lv)、CO體積分數(φ(CO))列為火災發生后影響人員安全疏散的主要因素[8].人眼的特征高度以1.6 m計；以各層甲板樓面為基準面，在各層甲板出口和樓梯口距離基準面1.6 m高度處設置3個探測器，記為一組測點，分別實時測定指定位置的T、Lv、φ(CO)，從而得到危險因素極值在甲板上的分布規律.A甲板測點的平面位置如圖2所示.其中：測點位于編號1～10標注的位置； 1、2、9、10表示甲板出口(通往室外樓梯)；3～8表示甲板樓梯口；I、II 表示火源房間位置；因建筑要求，D甲板無1、9出口，底甲板和間甲板無1、2、9、10出口和樓梯口6.其余各層測點位置和起火房間位置與A甲板相同，樓梯編號與對應的樓梯口編號相同.

圖2 A甲板測點位置和火源房間位置示意圖Fig.2 Sketch map of positions of detectors and fire rooms on A deck

1.3 火災情境設計

為了對比研究火源層高度及火源在甲板的位置對煙氣蔓延規律的影響，根據火災布置最不利原則[9]，設計3類發生在生活區艙室的火災情境(Case 1, Case 2, Case 3).此外，考慮到人員集中在休閑區的緊急疏散情況，新增1類發生在休閑區吸煙室的火災情境(Case 4).火災模擬采用t2火模型[8].相比于穩態火模型和完整火模型，t2火模型能夠較完整地反映火災的發展情況，讓火災以最大熱釋放速率(HRR)進行燃燒.采用t2火模型不僅有利于研究DWSSP的煙氣蔓延規律，還可為日后火災環境下的半潛平臺人員疏散安全性研究提供最不利火災環境.表1所示為t2火模型中的4類火災情境的主要參數.其中：α為火災增長系數；t為達到HRR所需時間.底甲板吸煙室在圖2中無法表示；吸煙室距離樓梯口8最近，較接近樓梯口7.

表1 4類火災情境的主要參數信息Tab.1 Major parameters of four kinds of fire cases

2 煙氣蔓延規律分析

利用FDS數值計算方法進行DWSSP火災煙氣蔓延模型數值模擬后，通過Smokeview軟件觀察煙氣蔓延現象并總結煙氣蔓延的規律.

2.1 煙氣蔓延現象

煙氣涌出火源房間后，沿火源層走廊蔓延至樓梯，進入樓梯間后分別向上層和下層蔓延，并逐漸進入其余各層甲板.此外，在走廊的蔓延過程中，煙氣首先沿走廊頂板從火源房間或樓梯間向走廊端部蔓延；當蔓延至走廊端部時，煙氣下沉，走廊的煙氣層高度隨之不斷下降，直至走廊充滿煙氣.

2.2 煙氣沿樓梯的蔓延規律

4類情境的樓梯煙氣蔓延情況如圖3所示.其中：紅色箭頭表示煙氣從火源層沿樓梯向上蔓延；藍色箭頭表示煙氣從火源層沿樓梯向下蔓延；棕色箭頭表示煙氣從火源層以上甲板沿樓梯向下蔓延；綠色箭頭表示煙氣從火源層以下甲板沿樓梯向上蔓延.各樓梯與圖2中的樓梯口編號相對應.Case 1(見圖3(a))：火源位于A甲板房間 II，火源層A甲板的煙氣主要沿靠近火源的樓梯3、5、6向上蔓延，樓梯5的煙氣向上蔓延得最為迅速；煙氣蔓延至火源層以上甲板后沿走廊在甲板上擴散，部分煙氣沿遠離火源的樓梯4、7、8向下蔓延，與從火源層A甲板沿樓梯4、7、8向上緩慢蔓延的煙氣在A甲板融合；然后與從A甲板沿樓梯4、7、8向下蔓延的煙氣共同向下蔓延，并逐漸在火源層以下甲板擴散.Case 2(見圖3(b))：火源位于C甲板房間 II，與Case 1中煙氣沿火源層及以上甲板樓梯的蔓延規律相同，但在Case 2中，出現了煙氣從低層甲板沿樓梯3、5、6向上蔓延的現象.Case 3(見圖3(c))：火源位于C甲板房間I，煙氣沿靠近火源的樓梯3向上蔓延得最為迅速，在遠離火源的樓梯4、8中未出現向上蔓延的煙氣；Case 3和Case 2中煙氣沿其余樓梯的蔓延規律相同.Case 4(見圖3(d))：火源位于底甲板吸煙室，火源層底甲板煙氣主要沿靠近火源的樓梯8向上依次蔓延至各甲板并在甲板上擴散，然后逐漸沿其余樓梯向下蔓延；此外，底甲板也有少部分煙氣沿較接近火源的樓梯7向上緩慢蔓延，與沿樓梯7向下蔓延的煙氣在主甲板融合.

圖3 4類情境中樓梯煙氣蔓延情況Fig.3 Situation of smoke spread in stairwells in four fire cases

由上述分析可知，煙氣主要沿靠近火源的樓梯向上蔓延，沿遠離火源的樓梯向下蔓延，且樓梯距離火源越近，煙氣向上蔓延的速度越快.此現象說明煙氣沿樓梯向上蔓延的能力與樓梯和火源之間的間距相關，樓梯距離火源越近，煙氣沿此樓梯向上蔓延的能力越強.這是由于靠近火源樓梯的熱量高于遠離火源的樓梯，熱量越高，煙氣向上蔓延的動力越大.此外，當火源層增高時，出現煙氣從火源層以下甲板沿煙氣向上蔓延能力強的樓梯向上蔓延的現象.

2.3 煙氣在甲板上的蔓延規律

通過對比4類火災情境下煙氣充滿各甲板所需時間τfill(見圖4)，可以獲得火源層高度及火源在甲板的位置對煙氣在甲板上蔓延規律的影響.圖中僅列出4類情境下被煙氣完全充滿的甲板；圓圈標記火源層，Case 4的火源層由于在 1 500 s內未充滿煙氣而未標出.由圖4可知，Case 2中的煙氣充滿火源層以上甲板所需時間小于Case 1中的煙氣所用時間，而充滿火源層以下甲板所需時間大于Case 1中的煙氣所用時間.這是由于Case 2中火源層距通風層主甲板的距離更遠，導致煙氣沿樓梯整體向上蔓延的能力增強、速度加快，而向下蔓延的速度減慢的緣故.同樣地，正是因為煙氣沿樓梯整體向上蔓延的能力隨火源層的增高而增大，導致了當煙氣沿遠離火源的樓梯蔓延至火源層以下甲板時，煙氣沿靠近火源的樓梯向上蔓延的能力增強，從而產生Case 2和Case 3中的煙氣從火源層以下甲板沿煙氣向上蔓延能力強的樓梯向上蔓延的現象.另外，Case 3中的煙氣充滿各甲板所需時間大于Case 2中的煙氣所用時間，這是由于Case 3中火源位于甲板角落，煙氣在各甲板上蔓延的距離增大的緣故.由于Case 4中的煙氣蔓延距離最大， 故煙氣充滿各甲板所需的時間最長.在各類情境中，煙氣充滿甲板所需的時間由高層甲板向低層甲板遞增，說明了煙氣在甲板上的蔓延速度隨甲板高度的降低而減小.

圖4 4類情境中煙氣充滿各甲板所需時間Fig.4 Required time of smoke filling decks in four fire cases

3 煙氣蔓延結果分析

3.1 溫度分析

模擬分析運行最終時刻(τ=1 500 s)各甲板出口和樓梯口的溫度.出口和樓梯口的溫度取決于蔓延至此的煙氣溫度，而煙氣溫度在蔓延過程中因熱量耗散而不斷降低.溫度的臨界條件為60 ℃[10]，即當T>60 ℃時，人員安全將受到嚴重威脅.

4類情境中，各甲板出口及樓梯口的溫度如圖5所示.其中：位置編號1、2、9、10表示對應編號的出口；位置編號3～8表示對應編號的樓梯口；各甲板相同編號的出口或樓梯口記為一組(下同)；圖中數字表示該組出口或樓梯口的最高溫度；紅色為臨界溫度線；圖中未列出出口和樓梯口的溫度未發生變化的甲板.由圖5(a)可知：Case 1中火源層以上B、C、D甲板樓梯口的最高溫度分別位于樓梯口6、樓梯口5、樓梯口5，這些是煙氣向上蔓延能力強的樓梯口；而火源層以下主甲板樓梯口的最高溫度位于遠離火源的樓梯口8.其余情境同樣存在火源層以上甲板樓梯口的最高溫度位于煙氣向上蔓延能力強的樓梯口，火源層以下甲板樓梯口的最高溫度位于煙氣向上蔓延能力弱的樓梯口這一現象.這是由于煙氣沿不同樓梯向上蔓延的能力有所差異，導致從不同樓梯口進入非火源層甲板的煙氣溫度不同的緣故.

Case 2和Case 3中，平臺的最高溫度分別為174和183 ℃，且均位于D甲板；而Case 1和Case 4中，平臺的最高溫度分別為106和139 ℃，且均位于火源層.這可能是由于Case 2和Case 3的火源層更高，煙氣向上蔓延能力強且煙氣在D甲板蔓延迅速，導致煙氣在D甲板的蔓延過程中溫度降幅較小的緣故.此外，由于煙氣在低層甲板蔓延緩慢，相比于Case 1，Case 4中的最高溫度位于火源附近的樓梯口8.由于樓梯口靠近火源且熱釋放速率更大，故Case 4的最高溫度比Case 1的更高.

由圖5可知：Case 1中有2個出口溫度達到臨界條件；Case 2中有1個出口和5個樓梯口溫度達到臨界條件；Case 3中有1個出口和1個樓梯口溫度達到臨界條件；Case 4中有2個出口和7個樓梯口溫度達到臨界條件.

圖5 τ=1 500 s時4類情境中各甲板出口和樓梯口的溫度Fig.5 Temperature of exits and staircases in four fire cases at τ=1 500 s

3.2 能見度分析

能見度達到臨界條件所需的時間取決于出口和樓梯口與火源之間的距離及煙氣的蔓延速度.能見度的臨界條件為5 m[10]，即當Lv<5 m時，人員無法正常移動.

圖6 4類情境中各出口和樓梯口的τVRCCFig.6 τVRCC of exits and staircases in four fire cases

4類情境中，各出口和樓梯口的能見度達到臨界條件所需的時間(τVRCC)如圖6所示.其中：黑色數字為該組出口或樓梯口的能見度達到臨界條件的最短時間；Case 1中，紅色數字為間甲板對應樓梯口的τVRCC；圖中未列出出口和樓梯口能見度未達到臨界條件的甲板.由圖6(a)可知：Case 1中火源層以上B、C、D甲板能見度最早達到臨界條件的樓梯口分別為樓梯口5、樓梯口6和樓梯口5，這些是煙氣向上蔓延能力強的樓梯口；而火源層以下主甲板能見度最早達到臨界條件的樓梯口是遠離火源的樓梯口8.其余情境類似，該現象的成因與甲板樓梯口最高溫度分布現象的成因相同，此處不再贅述.

由圖6(b)和(c)可知，與Case 2相比，除靠近火源的出口1和樓梯口3外，Case 3中甲板B～D的其余出口和樓梯口的τVRCC更長，這是由于Case 3的火源位置位于甲板角落，煙氣蔓延距離更長.此外，Case 3比Case 2的煙氣蔓延范圍更廣，具體表現為Case 3中主甲板和間甲板出口和樓梯口均達到能見度的臨界條件.這是由于Case 3中火源位于靠近樓梯3的甲板角落位置，距樓梯4、7、8較遠，導致煙氣沿樓梯4、7、8向上蔓延的能力進一步減弱，煙氣向下蔓延的傾向加劇的緣故.

由圖6可知：Case 1和Case 3中，間甲板、主甲板及A～D甲板各出口和樓梯口均達到能見度臨界條件；Case 2中，B～D甲板各出口和樓梯口均達到能見度臨界條件；Case 4中，所有出口和樓梯口均達到能見度臨界條件.

3.3 φ(CO)分析

分析各類情境中煙氣向上蔓延能力最強的樓梯口的φ(CO).4類情境中樓梯口的φ(CO)變化情況如圖7所示.其中，未列出φ(CO)未發生變化的甲板.由圖7(b)可知：當τ<1 100 s時，Case 2中D甲板樓梯口5處的φ(CO)比C甲板樓梯口5處的φ(CO) 高，符合煙氣沿靠近火源的樓梯向上蔓延能力強的規律；當τ>1 100 s時，C甲板樓梯5處的φ(CO) 迅速攀升，D甲板樓梯5處的φ(CO) 也有迅速上升的趨勢，這是由于CO首先沿樓梯4、7、8向下蔓延至C甲板，當τ>1 100 s時又沿樓梯5向上蔓延并在C甲板和D甲板處迅速聚集的緣故，符合Case 2中的煙氣蔓延規律.由圖7(c)可知，Case 3中C甲板樓梯口3處，當τ>1 400 s時同樣出現了φ(CO) 迅速上升的現象，但由于Case 3中火源位置和樓梯3位于甲板角落，CO在甲板的蔓延距離大于Case 2，導致了Case 3中C甲板樓梯口3處的φ(CO) 在τ=1 500 s時并未達到Case 2的水平.而Case 1和Case 4中，由于火源層高度低，當τ<1 500 s時CO沒有從下層甲板沿靠近火源的樓梯向上蔓延聚集，所以并未出現φ(CO)在靠近火源最近的樓梯口迅速增大的現象(見圖7(a)和(d)).

分析τ=1 500 s時各甲板出口和樓梯口的φ(CO) 分布規律.φ(CO)取決于CO的聚集程度.φ(CO) 的臨界條件為500×10-6 [10]，即當φ(CO)>500×10-6時，人員安全將受到嚴重威脅.

以Case 1和Case 4為例，當τ=1 500 s時，煙氣沿樓梯蔓延規律對φ(CO)分布的影響如圖8所示.其中：數字表示該組出口或樓梯口的最高φ(CO)； 圖中未列出出口和樓梯口φ(CO)未發生變化的甲板.由圖8(a)可見：火源層以上B、C、D甲板樓梯口的最高φ(CO)均位于靠近火源煙氣的樓梯口3；而火源層以下主甲板和間甲板樓梯口的最高φ(CO) 分別位于遠離火源的樓梯口8和樓梯口7.Case 4亦表現出相同現象，其成因與甲板最高溫度分布現象的成因相同，此處不再贅述.

圖7 4類情境中樓梯口的φ(CO)變化Fig.7 φ(CO) versus time in different staircases in four fire cases

圖8 1 500 s時兩類情境各甲板出口和樓梯口的φ(CO)Fig.8 φ(CO) on exits and staircases in two fire cases at 1 500 s

Case 1和Case 4中各出口和樓梯口均未達到φ(CO) 臨界條件；Case 2中C甲板和D甲板各出口和樓梯口均達到φ(CO)臨界條件；Case 3中C甲板各出口和樓梯口均達到φ(CO)臨界條件.

4 結論

(1) 在當前DWSSP火災安全性研究的基礎上，研究了DWSSP火災煙氣的蔓延規律，研究結果可為火災發生后人員的疏散路徑規劃、平臺的消防設計優化提供一定的參考依據.

(2) 煙氣沿樓梯向上蔓延的能力與樓梯距火源的距離呈負相關，即距離越近，煙氣向上蔓延的能力越強.具體表現為：煙氣主要沿距火源較近的樓梯向上蔓延，沿距火源較遠的樓梯向下蔓延；火源層以上甲板中，溫度最高、能見度最早達到臨界條件、φ(CO) 最高的樓梯口均為煙氣向上蔓延能力強的樓梯口；火源層以下甲板中，溫度最高、能見度最早達到臨界條件、φ(CO)最高的樓梯口均為煙氣向上蔓延能力弱的樓梯口.

(3) 火源層高度越高，煙氣整體向上蔓延的能力越強.具體表現為：火源層高度越高，煙氣充滿火源層以上甲板時間越短，平臺最高溫度越高且最高溫度位于更高層甲板；此外，隨著火源層高度的增高將會出現煙氣和CO從火源層以下甲板沿煙氣向上蔓延能力強的樓梯向上蔓延的現象，致使φ(CO)驟然增大并突破臨界值.

(4) 火源位置越靠近平臺角落，煙氣充滿甲板的時間越長，煙氣蔓延范圍越大，CO從火源層以下甲板向上蔓延的時間越滯后.

(5) 由1 500 s內達到臨界條件的出口和樓梯口數量可知，影響人員安全疏散的最危險因素是能見度，然后依次是φ(CO)和溫度.