鉆井平臺(tái)井口泄漏天然氣燃燒危險(xiǎn)性分析

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(guò)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(guò)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。

1 數(shù)值仿真模型

1.1 理論模型

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(guò)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(guò)程，通過(guò)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(guò)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(guò)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。

1.2 數(shù)值仿真模型

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(guò)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(guò)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^(guò)程，又可節(jié)省計(jì)算資源，總網(wǎng)格數(shù)為500萬(wàn)。

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(lái)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虎诰谠O(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。

2 井口泄漏天然氣可燃?xì)庠品植?/h2>

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(guò)程，計(jì)算過(guò)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(guò)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瑏?lái)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>

3 泄漏天然氣燃燒危險(xiǎn)性分析

井口泄漏天然氣擴(kuò)散穩(wěn)定后，可燃?xì)庠品植挤秶畲螅僭O(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(guò)程。

圖6 可燃?xì)庠迫急^(guò)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A(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(lái)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(guò)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瑖?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。火焰臨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^(guò)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(guò)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(guò)20 s 可能造成二度燒傷；半徑超過(guò)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

4 結(jié)論

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。