海上平台采油树火灾后果数值模拟研究.pdf

?、?事故分析与预防2023 年第 23 卷第 4 期编辑 宋书峰DOI:10.3969/j.issn.1672-7932.2023.04.005SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT28 海上平台采油树火灾后果数值模拟研究王红红1,王浩东2,3,周 伟1,曹 杨1(1.中海油研究总院有限责任公司,北京 1000282.中国石油大学(北京),北京 1022493.应急管理部油气生产安全与应急技术重点实验室,北京 102249)收稿日期:2023-02-14第一作者简介:王红红,高级工程师,1992 年毕业于北京化工学院检测技术及仪器专业,现主要从事安全评价和安全分析等技术工作。通讯作者简介:曹杨,高级工程师,2019 年博士毕业于北京科技大学安全科学与工程专业,现主要从事海洋石油安全风险评估与应急管理方面的研究工作。基 金 项 目:中 国 博 士 后 科 学 基 金 资 助(2020M670603),关键泄漏扩散条件下海上平台设施可燃气云团时空演变规律研究。摘 要:采油树火灾是海上平台最为严重的火灾事故类型之一,以某海上平台采油树为研究对象,针对采油树原油泄漏引发的火灾事故,采用Pyrosim 软件建立海上平台情境下的池火灾模型,研究了邻近支撑、采油树及周边设备的温度、热辐射通量等参数的时空变化特征,根据温度、热辐射通量伤害准则,确定出邻近火灾的设备设施损坏程度。研究结果表明:部分主支撑的热辐射通量超过了 37.5 kW/m2,部分斜支撑的表面温度超过了550,热辐射通量超过了37.5 kW/m2;在井口区的 15 个采油树中,8 个采油树的热辐射通量超过了 37.5 kW/m2;三甘醇再生撬、井口控制盘、火炬分液罐、生产测试管汇的热辐射通量超过了37.5 kW/m2。结合研究结果,为火焰探头的布置和灾后邻近设备设施的强度校核提供依据。关键词:海上平台;采油树;火灾;高温;热辐射中图分类号:TG178 文献标识码:A文章编号:1672-7932(2023)04-028-100 前 言采油树火灾事故是海上平台最为严重的火灾事故类型之一,其后果能够造成人员伤亡、设备设施破坏以及环境污染。开展采油树火灾产生的高温、热辐射等后果产物研究,掌握其时空变化特征及影响规律,对海上平台火灾防控与后果评估具有重要意义1-4。目前,很多学者在海上平台火灾相关方面开展了较多的研究:梁瑞,等5采用 ANSYS FLUENT软件开展某海洋平台池火灾环境下的温度场模拟,考虑海洋环境风速及挡风墙的影响,得到了池火灾的发展趋势和平台温度场的空气温度分布情况;王强,等6利用 FDS 软件建立数值模型,结合某海洋平台实际工作情况,确定了平台发生火灾事故后烟气、温度随时间的扩散情况,建立了人员疏散的数学模型;谭珮琮,等7采用 KFX 软件进行数值模拟分析,以某海上平台立管在飞溅区发生的喷射火为模型,根据相关行业及破坏准则,研究了不同工况下泄漏喷射火对海上平台救逃生路线、结构等的影响;刘博,等8基于 PHAST 软件建立了天然气泄漏喷射火模型,研究了海洋平台三相分离器腐蚀泄漏后发生火灾对周围人员和设备造成的严重损害;王红红9运用 KFX 软件开展数值模拟,以海上平台原油发电机火灾事故为模型,研究了高温、热辐射对周围设备设施的影响。综上,目前针对海上平台采油树地火灾后果影响方面研究较少。2023 年第 23 卷第 4 期事故分析与预防 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT29 鉴于此,本文运用 Pyrosim 软件建立了海上平台火灾模型中的池火灾模型,以采油树泄漏火灾为事故模型开展数值模拟分析,探究邻近火灾的采油树、支撑及设备的温度、热辐射的时空变化特征,以期为火灾的后果评估、火灾探头的布置和设备的强度校核提供参考。1 火灾事故场景本文以某海上平台为例,井口区共设有 15 个采油树,选取井口区最外侧 4 个采油树(A1、A5、A11、A15)及邻近的 4 个主支撑、8 个斜支撑和 7 个设备进行分析研究,主要设备为三甘醇再生撬、三甘醇再生撬附属装置、井口控制盘、火炬分液罐和生产测试管汇,如图 1 所示。图中 A1A15 为采油树;Z1Z4为主支撑;X1X8 为斜支撑;S1、S2 为三甘醇再生撬附属装置;S3、S4 为三甘醇再生撬;S5 为井口控制盘;S6 为火炬分液罐;S7 为生产测试管汇。图 1 井口区及邻近物平面 以某海上平台采油树发生油气泄漏为场景,采油树 A13 泄漏出的油气汇聚到邻近采油树 A8,泄漏油气遇点火源,发生火灾事故,点火源位置如图 2 所示。图 2 下层甲板几何模型2 火灾数值模拟2.1 几何建模本文采用 Pyrosim 软件对海上平台下层甲板进行几何建模并进行网格的划分,如图 2 所示。2.2 火灾模型设置环境主风向为东北风,风速为 5.0 m/s,海上平台所处的环境温度为 20.0,采油树泄漏发生火灾,可近似按照池火模型进行模拟。池火面积为 1.9 1.3 m2,液池深度为 0.1 m。泄漏的原油组分主要为 C6和 C7,密度为 0.863103kg/m3,火灾模拟时长设置为 300 s。2.3 火灾数值模拟理论基础火灾模拟过程中遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,分别如式(1)(3)所示。t+u=0(1)ut+u()u+p=g+f+(2)h()t+hu=DpDt-kT+hlDlYl(3)式中:密度,kg/m3;t 时间,s;u 速度分量,m/s;p 压力,Pa;g 重力矢量,m/s2;f 施加在流体上的外力,N;粘性应力张量,Pa;h 总焓,J/kg;T 温度,K;Dp/Dt 压力随时间的变化率,Pa/s;hl 组分 l 的焓;k 热导率,W/(mk);Dl 组分 l 的扩散系数,m2/s;Yl 组分 l 的质量浓度,kg/m3。热辐射计算采用的传输方程如式(4)所示:sIx,s()=-K(x,)+s(x,)I(x,s)+B(x,)+s(x,)44(s,s)I(x,s)d(4)式中:I(x,s)波长 的辐射强度,W/sr;s 辐射强度的方向矢量,W/sr;K(x,)局部吸收系数,m-1;王红红,等.海上平台采油树火灾后果数值模拟研究?、?事故分析与预防2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT30 s(x,)散射系数,m-1;B(x,)散射源;(s,s)为 s 方向上的辐射能,W。方程右边为来自其他方向的向内辐射。2.4 泄漏理论模型采油树原油的泄漏速率与泄漏孔径、孔口形状、环境压力等因素有关。根据 DNV Z-01311可知,海上平台设备设施以中小型泄漏为常见10,泄漏速率的计算如公式(5)所示:Qm=CdA2(P-P0)+2gh(5)式中:Qm 采油树原油的泄漏速率,kg/s;Cd 原油泄漏系数,取 0.55;A 泄漏面积,m2,取泄漏口为长 0.01 m,宽 0.005 m 的长方形;原油密度,kg/m3,取0.863103kg/m3;P 采油树内压力,Pa,取 4.5106Pa;P0 环境压力,Pa,取 1.01105Pa;g 重力加速度,取 9.81 m/s2;h 泄漏处上液位高度,m,取 0。将各参数的取值代入式(5)中可得:Qm=2.39 kg/s。3 模拟结果分析3.1 温度对邻近设备设施的影响分析3.1.1 主支撑的温度变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的主支撑 Z1 Z4,其温度随时间的变化曲线如图 3所示。图 3 主支撑表面温度变化特征 图 3 表示主支撑在整个过程中温度随时间的变化,由于前 50 s 的变化趋势与整个过程的变化趋势基本相同,因此用前 50 s 的曲线图来代表整个过程的温度变化特征,以便于观察。主支撑表面的温度呈现出上下波动特征,由于各个主支撑与火灾的位置和距离不同,因此,主支撑表面的温度变化特征均不同。在 2.7 s 时刻,主支撑 Z1 的温度开始上升,至3.6 s 时刻,温度达到第一个峰值 68.2,之后温度上下波动,出现多个温度峰值,其中在 232 s 时刻,温度峰值达到最大值 819,整个过程的平均温度为 65.3。在 9.0 s 时刻,主支撑 Z2 的温度开始上升,至 9.3 s 时刻,温度达到第一个峰值 144,之后温度继续上下波动,出现多个温度峰值,其中在 213 s 时刻,温度峰值达到最大值 612,整个过程的平均温度为 101。主支撑 Z3 的温2023 年第 23 卷第 4 期事故分析与预防 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT31 度变化幅度很小,整体平均温度为 20.6,基本无变化。在 11.7 s 时刻,主支撑 Z4 的温度开始快速上升,至 13.2 s 时刻,温度达到第一个峰值 74.5,随后温度快速下降至 37.5,之后温度上下波动,出现多个温度峰值,在 161 s 时刻,温度峰值达到最大值 78.3,整个过程的平均温度为 34.9。3.1.2 斜支撑的温度变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的斜支撑 X1 X8,其温度随时间的变化曲线如图 4所示。图 4 斜支撑表面温度变化特征 由图 4 可观察到,在邻近火灾的 8 个斜支撑中,斜支撑 X1、X2 的温度变化幅度较大,而其他 6个斜支撑的温度变化很小,斜支撑表面的温度呈现出上下波动特征。在 3 s 时刻,斜支撑 X1 的温度开始升高,至3.9 s 时刻达到第一个峰值 605,之后温度上下波动,相继出现多个温度峰值,在 95.7 s 时刻,温度峰值达到最大值 1 280,整个过程的平均温度为 671。在 8.1 s 时刻,斜支撑 X2 的温度开始大幅度上升,至 9.3 s 时刻,达到第一个峰值1 023,此后温度上下波动,相继达到多个温度峰值,整个过程的平均温度为 696。整个过程中,斜支撑 X3X8 的温度均不超过 550。可见,斜支撑 X1、X2 的温度超过了 550,且持续了一段时间,说明火灾对斜支撑 X1、X2 的强度和变形恢复已经构成了威胁,后续需对其进行强度校核,进一步判断其是否需要更换。3.1.3 采油树的温度变化特征本次火灾模拟中,选取最外侧 4 个采油树 A1、A5、A11、A15,来代表井口区整体采油树的温度变化特征,根据模拟结果,绘制其温度随时间的变化曲线,如图 5 所示。由图 5 可以看出,在 4 个采油树中,采油树A11 的温度长时间处于 550 以上,采油树 A1 的个别峰值温度超过 550。整个过程中,采油树A5、A15 的温度均不超过 60。可见,火灾对采油树 A1、A11 的强度和变形恢复已经构成了威胁,对于采油树 A5、A15 不构成强度和变形恢复的威胁。取时间为 50 s、高度为 0.5 m 处的温度分布图,如图 6 所示,在第 50 s 时,在井口区 15 个采油树中,8 个采油树温度超过了 550,即火灾对A1、A2、A6、A7、A8、A11、A12、A13 均已构成了强度和变形恢复的威胁。王红红,等.海上平台采油树火灾后果数值模拟研究?、?事故分析与预防2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT32 图 5 采油树温度变化特征图 6 时间为 50 s,高 0.5 m 处井口区温度分布3.1.4 邻近设备的温度变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的设备 S1S7 的温度变化特征,其温度随时间的变化曲线如图 7 所示。由图7 所示,在邻近火灾的设备中,设备 S5、S6的温度曲线大幅度上下波动,最高温度分别可达1 434.7,1 423.1。经计算可得,整个过程中,设备S5、S6 超过550 的持续时间分别为 102,98 s,而其他设备的温度变化幅度较小,均未超过550。图 7 邻近设备的温度变化特征 可见,在采油树邻近的所有设备中,该火灾对设备 S5、S6 的强度和变形恢复构成了威胁,而设2023 年第 23 卷第 4 期事故分析与预防 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT33 备 S1、S2、S3、S4、S7 均未超过临界条件。3.2 热辐射对邻近设备设施的影响分析火灾产生的热辐射会对人体健康和设备设施的结构稳定性造成不同程度的威胁,当人体或设备设施接受到的热辐射通量超过所能承受的临界热辐射通量时,会产生不同程度的伤害。热辐射通量伤害准则如表 1 所示13。3.2.1 主支撑的热辐射通量变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的主支撑 Z1 Z4,其热辐射通量随时间的变化曲线如图 8 所示。表 1 热辐射通量伤害准则热辐射通量/(kWm-2)对设备的损害对人员的伤害37.5设备严重损坏1 min 内死亡率 100%;10 s 内 1%死亡率25.0设备钢结构开始变形1 min 内死亡率 100%;10 s 内重大损伤12.5有火焰时,木材燃烧及塑料熔化的最低能量1 min 内死亡率 1%;10 s 内 1%烧伤率4.7不考虑对设备的损害暴露 16 s,裸露皮肤有痛感;无热辐射屏蔽设施时,操作人员穿上防护服可停留几分钟图 8 主支撑热辐射通量变化特征 由图 8 可见,在邻近火灾的 4 个主支撑中,主支撑 Z1、Z2 的热辐射通量变化幅度较大,而主支撑 Z3、Z4 的热辐射通量基本不发生变化。在1.2 s时刻,主支撑 Z1 的热辐射通量开始上升,至 2.7 s时刻,热辐射通量升至第一个峰值 169.4 kW/m2,随后热辐射通量迅速下降至 80.2 kW/m2,之后不断上下波动,相继达到多个峰值,其中在 232 s 时刻,热辐射通量峰值达到最大值 392.1 kW/m2,但持续时间很短,整个过程的平均热辐射通量为 75.8kW/m2。在 1.5 s 时刻,主支撑 Z2 的热辐射通量开始上升,至 3.9 s 时刻,热辐射通量升至第一个峰值 51.7 kW/m2,之后不断上下波动,相继达到多个峰值,其中在 213 s 时刻,热辐射通量峰值达到最大值 292.7 kW/m2,但持续时间很短,整个过王红红,等.海上平台采油树火灾后果数值模拟研究?、?事故分析与预防2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT34 程的平均热辐射通量为 99.2 kW/m2。总体来看,主支撑 Z1、Z2 的热辐射通量超过了 37.5 kW/m2,说明主支撑 Z1、Z2 达到了严重损坏的临界条件。主支撑 Z3、Z4,能够达到的最大热辐射通量分别为 9.7,5.3 kW/m2,整个过程的平均热辐射通量分别为 5.7,2.4 kW/m2,因此该火灾对主支撑Z3 和 Z4 不构成威胁。3.2.2 斜支撑的热辐射通量变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的斜支撑 X1X8。由于斜支撑 X1、X2、X5 的热辐射通量变化幅度较大,而斜支撑 X3、X4、X6、X7、X8的热辐射通量变化幅度较小,因此将斜支撑 X1X8 按热辐射通量变化幅度大小分为两组,以便于直观地反映热辐射通量的变化特征,其随时间的变化曲线如图 9(a)和(b)所示。图 9 斜支撑热辐射通量变化特征2023 年第 23 卷第 4 期事故分析与预防 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT35 由图 9(a)可见,在 1.2 s 时刻,斜支撑 X1 的热辐射通量开始大幅度上升,至 3.3 s 时刻,热辐射通量升至第一个峰值 168.0 kW/m2,之后不断上下波动,相继达到多个峰值,其中在 69 s 时刻,热辐射通量峰值达到最大值 933.7 kW/m2,整个过程的平均热辐射通量为 297.8 kW/m2。在 6.6 s时刻,斜支撑 X2 的热辐射通量开始上升,至 9.3 s时刻,热辐射通量升至第一个峰值 738.9 kW/m2,之后不断上下波动,相继达到多个峰值,其中在54 s时刻,热辐射通量峰值达到最大值 1 407.2kW/m2,整个过程的平均热辐射通量为 509.6kW/m2。在 2.7 s 时刻,斜支撑 X5 的热辐射通量升至最大值 214.5 kW/m2,之后不断上下波动,相继达到多个峰值,整个过程的平均热辐射通量为64.4 kW/m2。可见,斜支撑 X1、X2、X5 的热辐射通量均高于 37.5 kW/m2,达到了钢结构严重损坏的临界条件。如图 9(b)可见,整个过程中,斜支撑 X6 的平均热辐射通量为 24.2 kW/m2,热辐射通量曲线在24.2 kW/m2上下波动,在较长一段时间内,热辐射通量超过 25.0 kW/m2,因此,斜支撑 X6 达到钢结构发生变形的临界条件。对于斜支撑 X3、X4、X7、X8,整个过程的平均热辐射通量分别为 7.1,6.7,12.9,3.7 kW/m2,均未超过25.0 kW/m2,因此,斜支撑 X3、X4、X7、X8 均未达到发生变形的临界条件。3.2.3 采油树的热辐射通量变化特征本次火灾模拟中,研究了最外侧 4 个采油树A1、A5、A11、A15,根据火灾模拟结果,绘制其热辐射通量随时间的变化曲线,如图 10 所示。图 10 采油树热辐射通量变化特征 由图 10 可见,4 个采油树中,采油树 A1、A11的热辐射通量上升幅度较大,呈现出上下波动的变化特征,最高热辐射通量分别 可 达 429.2,1 118.4 kW/m2,整个过程的平均热辐射通量分别为 116.3,708.1 kW/m2;而采油树 A5、A15 的热辐射通量变化较小,整个过程的平均热辐射通量分别为 17.5,20.4 kW/m2。总体来说,4 个采油树中,采油树 A1、A11 达到了结构严重损坏的临界条件,而采油树 A5、A15 均未达到结构开始变形的临界条件。取时间为 50 s、高度为 0.5 m 处的热辐射通量分布,如图 11 所示。从图中可以看出,在第50 s时,在井口区 15 个采油树中,8 个采油树热辐射通量超过了 37.5 kW/m2,即 A1、A2、A6、A7、A8、A11、A12、A13 均已达到了严重损坏的临界条件。王红红,等.海上平台采油树火灾后果数值模拟研究?、?事故分析与预防2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT36 图 11 时间为 50 s,高 0.5 m 处井口区热辐射通量分布3.2.4 邻近设备的热辐射通量变化特征本次火灾模拟中,研究了采油树火灾邻近的设备 S1S7,其热辐射通量随时间的变化曲线如图 12 所示。由图 12 可见,设备 S5、S6 的热辐射通量变化幅度较大,呈现出大幅度上下波动的特征,最高热辐射通量分别可达 1 353.6,1 117.7 kW/m2,整 个 过 程 中 的 平 均 热 辐 射 通 量 分 别 为437.5,389.6 kW/m2;设备 S4、S7 的热辐射通量呈现出小幅度上下波动的特征,最高热辐射通量分别可达 119.8,197.5 kW/m2,整个过程中的平均热辐射通量分别为 43.7,50.2 kW/m2;而设备S1-S3 的热辐射通量上升幅度很小,基本不发生变化,其平均热辐射通量分别为 1.8,2.0,10.7kW/m2。图 12 邻近设备热辐射通量变化特征 综上所述,设备 S4S7 达到了严重损坏的临界条件,而设备 S1S3 未达到结构发生变形的临界条件。4 结论本文采用 Pyrosim 软件对海上平台采油树火灾进行模拟,研究了邻近火灾的支撑、采油树和设备的温度、热辐射通量的时空变化特征,得到以下结论:a)在邻近支撑中,火灾对主支撑 Z1、Z2,斜支撑 X1、X2、X5 构成了严重损坏的威胁;对斜支撑X6 构成了钢结构变形的威胁。在井口区的 15 个采油树中,8 个采油树 A1、A2、A6、A7、A8、A11、A12、A13 均存在严重损坏的威胁。在邻近设备中,火灾对三甘醇再生撬、井口控制盘、火炬分液罐、生产测试管汇构成了严重损坏的威胁。b)在风速为 5 m/s 下,达到结构变形和严重损坏临界条件的设备设施集中在火灾的下风向,2023 年第 23 卷第 4 期事故分析与预防 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT37 而位于火灾上风向的设备设施的温度和热辐射通量均低于相应伤害准则的临界值 550 与 4.7kW/m2,受火灾影响很小,无需采取防护措施。c)根据邻近火灾设备设施的温度、热辐射通量的时空变化特征,可以为井口区及邻近区域火灾探头的布置和灾后设备设施结构的强度校核提供参考。5 参考文献1 王彦富,李彪,秦桃,等.海洋钻井平台火灾疏散仿真研究J.中国安全科学学报,2018,28(3):68-73.2 李新宏,张毅,韩子月,等.基于风险与成本的海洋溢油事故应急控制决策J.中国安全科学学报,2021,31(4):184-190.3 魏超南,陈国明,朱渊,等.海洋平台油气火灾爆炸机理及其结构响应特性研究进展J.海洋工程,2014,32(5):113-122.4 曹杨.我国海洋石油安全事故分类与分级研究J.中国安全科学学报,2022,32(3):18-24.5 梁瑞,王芳钰,高中稳,等.池火灾环境下海洋平台的温度场J.兰州理工大学学报,2016,42(2):68-73.6 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pool fire modelunder the circumstance of offshore platform was estab-lished by the Pyrosim software.The temporal and spatialvariation characteristics of temperature and heat radia-tion flux of adjacent supports,christmas tree and sur-rounding equipment were studied.According to thedamage criteria of temperature and heat radiation flux,damage degrees of equipment and facilities in adjacentfire were determined.The results showed that the heatradiation flux of partial main supports exceeded 35.0kW/m2.The surface temperature of partial inclined sup-ports exceeded 550,and the heat radiation flux ex-ceeded 35.0 kW/m2.Eight of the fifteen christmas treeswere threatened with serious fire damage in the wellheadarea.The heat radiation flux of the Triethylene glycolregenerator,wellhead control panel,flare dispenser andproduction/test header package exceeded 35.0 kW/m2.The research results can provide a basis for the layout offlame probes and the strength check of adjacent equip-ment and facilities after disaster.Key words:offshore platform;christmas tree;fire;high temperature;thermal radiation王红红,等.海上平台采油树火灾后果数值模拟研究