王 強， 楊冬平，朱麗國，高莎莎，魏 旭，郭愛洪，王偉斌

(1.勝利油田技術(shù)檢測中心，山東東營 257062 2.勝利油田檢測評價研究有限公司，山東東營 257062)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

海上鉆井平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，油氣設(shè)備集中，油氣開采過程中可能會有大量的易燃易爆物質(zhì)逸散，引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。海洋平臺空間有限，距離陸地較遠，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故后火災(zāi)撲救和人員疏散較為困難。為有效應(yīng)對油氣開采處理過程中的火災(zāi)事故，需要掌握火災(zāi)的蔓延規(guī)律，制定針對性的控制措施，這對提高海洋油氣安全管理水平具有重要意義。

目前，國內(nèi)外對火災(zāi)蔓延模型及人員疏散的研究多集中于建筑隧道和地鐵等領(lǐng)域，海洋平臺方面則主要研究油氣泄漏擴散及燃爆模擬分析，對人員疏散更多偏重理論分析，依據(jù)實際情況建立仿真模擬的研究較少。蘇石川等以油池及甲板污油為火源點,基于 FDS 軟件平臺采用大渦模擬方法對某船舶機艙火災(zāi)進行了數(shù)值模擬。劉明路等利用火災(zāi)場景模擬軟件考慮了海洋環(huán)境風(fēng)速及燃燒物功率對某現(xiàn)役海洋平臺進行了火災(zāi)作用下的溫度場模擬。Yoshida通過變換火源強度、通風(fēng)及排煙的工況，進行了船舶通道內(nèi)(艙室、走廊和樓梯)煙氣蔓延過程的實驗研究。Jaluria等針對水平通風(fēng)孔在火災(zāi)中的熱量和質(zhì)量流動對船舶水平通風(fēng)孔的煙氣擴散規(guī)律做了研究。楊冬冬等針對含硫天然氣井噴失控擴散問題，綜合考慮天然氣爆燃與硫化氫毒害風(fēng)險因素，預(yù)測和評估天然氣擴散所形成的危險區(qū)域和硫化氫氣體擴散所形成的毒害范圍。郭杰等針對某海洋平臺下層甲板油氣處理系統(tǒng)為研究對象，使用FDS軟件通過溫度、熱輻射強度、煙氣層高度(厚度)和能見度等4個火災(zāi)危險性評價指標(biāo)，對火災(zāi)影響后果進行了評價。

鑒于此，本文建立海上鉆井平臺火災(zāi)疏散模型，主要針對油氣泄漏導(dǎo)致火災(zāi)爆炸的情況進行模擬仿真，結(jié)合實際工況和人員信息對火災(zāi)熱輻射和人員疏散路徑進行分析，進而討論人員疏散的影響因素并進行優(yōu)化改進。

2 海上鉆井平臺火災(zāi)疏散建模

海上鉆井平臺火災(zāi)疏散主要是指鉆井平臺發(fā)生井噴事故，引起較大的火災(zāi)并失去控制，平臺上人員需要立即撤離。利用FDS軟件來分析火災(zāi)溫度、煙氣對平臺上人員的影響以及疏散路徑和疏散時間問題。建立了平臺設(shè)施及疏散通道模型，為判斷火災(zāi)對疏散人員影響設(shè)定了火災(zāi)參數(shù)記錄探測器。

2.1 火災(zāi)疏散計算網(wǎng)格及設(shè)置

平臺總長97.7 m，寬66 m，船體深10.1 m。根據(jù)平臺整體的功能布局，將火災(zāi)疏散模型的疏散區(qū)域分為鉆井區(qū)、生活區(qū)、主甲板區(qū)，主要區(qū)域布置如圖1所示。

圖1 火災(zāi)疏散模型及網(wǎng)格區(qū)域

以平臺目標(biāo)作業(yè)區(qū)域的氣藏條件作為模擬對象，主要氣體為甲烷93.2%、乙烷5.1%、丙烷1.6%等，井口無阻流量為120×10m/d。

2.2 平臺火災(zāi)計算網(wǎng)格(圖2)及條件設(shè)置

圖2 火災(zāi)計算網(wǎng)格

建立平臺火災(zāi)計算網(wǎng)格主要目的是觀察火災(zāi)熱輻射、煙氣對人員疏散的影響?；馂?zāi)計算網(wǎng)格的建立采取分區(qū)建立的方法，以減少計算時間，同時提高計算精度。

根據(jù)FDS對網(wǎng)格建立的要求，將整體平臺網(wǎng)格劃尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m，在主甲板和生活區(qū)進行了網(wǎng)格加密，總計網(wǎng)格數(shù)量為4 118 400個，并通過網(wǎng)格無損性檢查表明網(wǎng)格有效?；馂?zāi)計算網(wǎng)格的上、左、右、前、后5個面，設(shè)置出口面，屬性為開放，即將火災(zāi)計算網(wǎng)格外部區(qū)域設(shè)置為開放空間，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣可以自由擴散到外部空間，以增強火災(zāi)計算的真實性。為探索最危險疏散情況，設(shè)定環(huán)境風(fēng)從平臺鉆臺區(qū)域吹向生活區(qū)，根據(jù)平臺作業(yè)海區(qū)平均風(fēng)速，取風(fēng)速4 m/s。

2.3 火災(zāi)參數(shù)探測器布置

火災(zāi)發(fā)生后，伴隨火災(zāi)產(chǎn)生的是熱輻射、高溫?zé)煔?。分析這些影響人員疏散的因素，需要布置相應(yīng)的測量儀器，主要有熱電偶、能見度、熱輻射等探測器。以主甲板為例，探測器主要位于人員疏散通道和日常工作時人員聚集的區(qū)域，主甲板共設(shè)置了33組探測器，見圖3，整個平臺總計設(shè)置了162組探測器。

圖3 主甲板探測器設(shè)置

火災(zāi)發(fā)生時，人員的聚集位置主要分布于鉆井區(qū)、生活區(qū)。根據(jù)設(shè)定的人員分布和人員類型，確定位于井場周圍的人反應(yīng)時間為5 s，生活區(qū)反應(yīng)時間為20 s。

3 火災(zāi)演化及人員疏散分析

3.1 平臺火災(zāi)結(jié)果及分析

鉆井作業(yè)時，懸臂梁伸出且鉆臺具有高度，故井場井噴火災(zāi)發(fā)生后，主甲板所在區(qū)域與鉆井區(qū)具有一定的間隔，火災(zāi)造成的溫度提升對主甲板的影響有限。根據(jù)計算結(jié)果，在主甲板所在的大多數(shù)區(qū)域，其溫度與環(huán)境溫度基本等同，未發(fā)生顯著變化。僅在臨近鉆臺所在區(qū)域，溫度間歇性較高，但溫差也未超過20 ℃。由此，從主甲板區(qū)域人員疏散的角度，火災(zāi)溫度的影響較低。

井場溫度云圖如圖4所示，井場大部分地區(qū)被火災(zāi)所覆蓋，井場所在平面溫度保持在200～400 ℃左右。井場一旦發(fā)生較大火災(zāi)，人員應(yīng)當(dāng)及時撤離到主甲板上，避免發(fā)生嚴(yán)重人員傷害事故。

圖4 井場溫度云圖

平臺煙氣云圖如圖5所示，火災(zāi)煙氣并不會大量擴散到主甲板上，主要是在井場周圍聚集，并將井場的大部分地方掩蓋。在這種強熱輻射和高濃度煙氣的情況下，井場的工作人員順暢地疏散到主甲板較為困難。

圖5 火災(zāi)煙氣云圖

3.2 人員疏散結(jié)果及分析

當(dāng)平臺發(fā)生火災(zāi)時，人員疏散與火災(zāi)發(fā)生是同步進行的。根據(jù)平臺規(guī)定的逃生方案，確定不同區(qū)域人員逃生目標(biāo)見表1(√表示逃生人員須向該處逃生，×表示不應(yīng)向該處逃生)。

表1 火災(zāi)疏散中人員逃生目標(biāo)

根據(jù)模擬，在不同時刻，人員疏散軌跡如圖6。

圖6 人員疏散軌跡

人員主要從鉆井區(qū)和主甲板區(qū)向外疏散。鉆井區(qū)人員向位于船體兩側(cè)的逃生通道向逃生艙疏散；主甲板區(qū)人員向位于船艏的逃生通道向直升機甲板疏散。

當(dāng)井場發(fā)生井噴火災(zāi)時，且沒有人員受傷的情況下，30 s內(nèi)人員可從鉆井區(qū)疏散至主甲板。但由于主甲板是主要設(shè)備設(shè)施的布置場所，所形成的障礙對人員疏散具有較大影響，且人員進入逃生通道需要額外的時間。在70 s時，鉆井區(qū)疏散的人員將在逃生通道處形成堵塞。與之相比，生活區(qū)具有良好的疏散條件，人員疏散過程順暢，50 s人員基本已疏散進入逃生通道抵達直升機甲板。

將平臺規(guī)定的火災(zāi)疏散設(shè)定目標(biāo)與模擬結(jié)果進行對比，見表2?？梢?，在現(xiàn)有平臺疏散目標(biāo)條件下，逃生艙處需疏散的人員數(shù)量超過了疏散設(shè)定目標(biāo)，具有較大的風(fēng)險隱患，必須予以改進。建議在可能的前提下，清除疏散路徑上的障礙，并重新規(guī)劃人員疏散安排，如增加通過直升機坪的疏散人員數(shù)量。

表2 火災(zāi)疏散設(shè)定目標(biāo)與模擬結(jié)果對比

4 結(jié)論

借助FDS工具，針對某平臺井噴火災(zāi)人員疏散過程，開展了煙氣、溫度等多危害下的火災(zāi)人員疏散過程模擬，以確定火災(zāi)對人員疏散影響。研究表明，井噴火災(zāi)可對平臺鉆井區(qū)造成顯著的傷害，一旦發(fā)生事故人員需要立即疏散。在整個疏散過程中，由于疏散通道的阻礙，將造成人員在主甲板逃生艙處發(fā)生聚集，超過了設(shè)定的疏散目標(biāo)，不利于疏散工作的開展。建議在有條件下的情況下清除設(shè)備設(shè)施等阻礙物，并增加從直升機坪疏散的人員數(shù)量，以實現(xiàn)平臺人員安全疏散。