海洋平台油气火灾爆炸机理及其结构响应特性研究进展

魏超南，陈国明，朱 渊，刘 康

(中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心，山东青岛 266580)

海洋平台作为海上油气资源开发的基础设施，油气共存，作业环境恶劣，其风险主要来自设施本身的缺陷以及人为失误造成的生产设施、设备油气泄漏，遇点火源后燃烧，爆炸对人员、设备、环境等造成伤害和损失的事故等［1］。据HSE统计，油气意外泄漏引起的火灾、爆炸事故是造成海洋平台结构失效的主要原因之一。表1列出1980～2005年间英国大陆架海域固定式平台和浮式结构发生的事故类型及统计［2-3］。从表1可以发现，固定式平台和浮式海洋结构上的火灾、爆炸事故发生次数及频率仅次于物体坠落，远高于井喷、碰撞等事故，而且火灾、爆炸事故的后果严重度要远远高于其他类型事故。1988年7月6日，Piper Alpha平台由于压缩机模块可燃气泄漏引发的爆炸、火灾造成167人死亡，平台遭到严重损坏，直接经济损失近28.7亿英镑，成为迄今世界上最严重的平台火灾爆炸事故。2010年4月20日，位于美国墨西哥湾北部海域的“深水地平线”钻井平台发生井喷，泄漏出来的天然气携带原油引发剧烈爆炸，事故造成11人死亡，17人受伤，约500万桶原油泄漏［4］。

表1 英国大陆架海域固定平台和浮式结构事故统计(1980～2005年)Tab.1 HSE accidents data of fixed and floating platforms(1980～2005)

鉴于海洋平台油气火灾、爆炸事故的高风险性，1990～2011年，国外研究机构开展27项联合工程课题研究［5］，如BFETS JIP和EFEF JIP等。研究发现，海洋平台油气火灾、爆炸载荷在以前被大大低估，很多情况下在实际设计过程中并未考虑到这些载荷的影响。因此，如何评估油气火灾、爆炸载荷及平台结构在载荷作用下的动态响应规律已成为海洋工程设计准则的重要考虑内容，它对于海洋平台定量风险评估、海洋工程优化安全设计以及海洋石油工业的持续健康发展等具有重要意义。

1 油气火灾、爆炸机理

海洋平台火灾、爆炸事故的起因事件通常是烃类气体或原油的意外泄漏。图1为可燃气体或蒸发性液体意外泄漏后的不同发展模式。如果油气泄漏形成的可燃气云没有达到可燃极限或不存在点火源，可燃气云将逐渐随风扩散、消失。根据平台作业条件，点火可能会随泄漏立即出现，或延迟几十分钟。一旦立即点燃(即在燃料与空气充分混合之前)，最可能发生喷射火;如果形成大规模预混燃料-空气云后被点燃，可能发生剧烈爆炸，这通常也是最严重的情况。

平台作业条件不同，火灾类型不同。采油与井口平台可能发生的火险有井喷火、井喷流淌火(石油与天然气)以及人为性火灾;贮油平台火灾有油罐火、流淌火、设备爆炸火、输油泵站火。平台爆炸主要是可燃气体爆炸，可能发生在生产设备、油气管线或舱室中，也可能发生在开敞的露天作业区域，如钻台。爆炸强度可以按照最大压力分类。如最大压力小于20 kPa，可认为是“轻微爆炸”;当超过200 kPa，则认为是“剧烈爆炸”。

图1 油气意外泄漏后的发展事件树Fig.1 Event tree model of oil＆gas leakage incident

2 海洋平台油气火灾/爆炸试验

火灾、爆炸现象通常是大尺度的，具有高度非线性和随机性，理论分析存在较大难度，因此有必要开展真实场景下的油气火灾、爆炸试验，为海洋工程应用提供指导和设计依据。但鉴于试验条件及安全性方面的考虑，开展海洋平台油气火灾、爆炸现场试验的难度较大。

2.1 油气泄漏、扩散试验

1990年，挪威CMR试验室在1∶5比例的海洋平台模型上进行可燃气体泄漏、扩散试验［6］，研究泄漏方向和速率、环境风速和风向等因素影响下的气体扩散行为和规律。储气罐体积为3 m3，初始压力为5×105～20×106Pa，气态甲烷、丙烷通过直径为420 mm的喷嘴泄漏进入模型内，通风速率为0～1.0 m/s。试验发现，中等和大型喷射泄漏条件下，气体扩散行为主要由喷射行为控制，气体浓度受自然通风影响;小型喷射泄漏条件下，自然通风主导可燃气体的扩散模式及浓度分布。Cleaver等［7］进行了类似试验，通过先进的图像和传感技术得到0.9～8.6 m/s风速下甲烷/氮气混合物以0.5～10 kg/s稳态泄漏时的浓度分布情况。试验表明，不同试验条件(泄漏方向和速率、风速等)下，泄漏事件会导致不同规律的扩散行为和气体累积效应。

1970年，美国能源管理局发布《Hazards of LNG Spillage in Marine Transportation》，指出海上液化天然气(LNG)储运过程中存在巨大风险［8］，如快速相变导致的高压、爆燃、爆轰、蒸气云火灾以及池火灾等。随后，国外研究机构针对LNG海面和陆地扩散开展大量试验和理论研究工作［9］，如Esso，Shell Jettision Tests，Maplin Sands tests，Burro tests，Falcon tests等。LNG气云扩散距离受蒸发率、障碍物、环境条件、泄漏模式等多种因素影响。试验结果说明，障碍物、粗糙地形以及高湿度、不稳定大气条件会减小燃烧下限(LFL)距离;在低风速、高大气稳定度条件下，甲烷LFL距离最远。

2.2 油气火灾试验

海洋平台上火灾严重性及灭火系统等应急措施的有效性方面还存在很多不确定性因素。Shell公司进行一项重要的海洋平台舱室火灾研究项目［10］，试验采用135 m3钢制隔热装置，内部由1 mm厚的不锈钢片完全隔热，燃料使用壳牌公司的商品柴油，得到了不同通风条件下火势向准稳定态发展过程中的热通量、温度、燃烧速率和燃烧产物浓度等数据。试验显示，火灾严重度(热通量和温度)受自燃通风率影响，可以表示为舱室温度的函数，舱室温度又受舱室边界的绝热程度影响;在通风良好且受限条件下，火灾更严重;常规水喷淋灭火系统则可以有效降低火灾燃烧速率并控制周围环境温度。

目前，国内外对于钢质海洋平台被动抗火方面的研究主要集中在寻求良好的抗火材料和基于试验、计算的构件抗火设计。为了提高被动防火材料的抗火性能，有必要进行真实场景下的火灾试验。SOFIPP项目中，Shell公司首先进行大型高压天然气喷射火作用下被动防火材料的性能研究试验［11］。由于试验耗资巨大，且需要特殊设备，不便推广作为被动防火材料的标准测试程序。1992年3月，UK HSE与挪威石油管理局合作组建喷射火试验研究组，在SINTEF试验基础上开发被动防火材料的小型标准喷射火测试程序。1996年4月，SwRI对内径203 mm的管状结构进行8次喷射火试验，评估结构外层被动防火材料的抗火性能［12］，试验中热通量峰值达到293 kW/m2。研究表明，试验室规模的喷射火测试程序可有效用于评估管状结构被动防火材料的抗火性能，但其最大内径限于500 mm;内径为500 mm时，总热通量比大型喷射火热通量低20%，可靠性降低。文献［13］总结被动防火材料抗火性能研究方面的大、中型喷射火试验，对比分析试验设备和喷射火规模，总热通量峰值约为290 kW/m2。国外开展喷射火试验的主要研究机构有British Gas Spadeadam，Southwest Research Institute(SwRI)，Health＆ Safety Laboratories(HSL)和 Norwegian Testing Facility(SINTEF)。

池火、喷射火是海洋平台上的主要火灾类型。根据BFETS F3，SINTEF Energy在挪威火灾试验室采用凝析油、气态丙烷进行15次喷射火和7次池火试验，研究喷射火、池火在容器、管线等结构上产生的热载荷及水喷雾系统的有效性，为海洋平台火灾后果风险评估提供了基础数据［14］。

海上LNG池火与蒸气云火灾风险研究方面也进行过一些著名试验，包括U.S.Coast Guard China Lake tests、Maplin Sands tests、Coyote tests等，为LNG火灾风险研究奠定了试验基础。

2.3 油气爆炸试验

1980～1990年，CMR在试验基础上最先开始可燃气体爆炸现象的研究，让业界对工业环境下的可燃气体扩散和爆炸机制有了初步了解。随后，国外众多研究机构针对海洋平台可燃气体爆炸开始广泛的试验研究，发现爆炸超压受多种因素影响，也是导致巨大破坏性的主要原因。

1990年，国外石油公司联合开展的BFETS(The Blast＆Fire Engineering Project for Topside Structures，BFETS)是海洋平台油气火灾、爆炸风险研究方面的重要课题，基于海洋平台环境的大型气体爆炸试验是该项目的重要内容。阶段2(1994～1997年)［15］，British Gas(GL)在英国Spadeadam试验基地采用25.6 m×8 m×8 m装置进行27次大型可燃气体爆炸试验。试验发现，在特定结构下可燃气体爆炸会产生极大超压;而水喷雾系统能够有效降低超压。为了进一步研究爆炸超压产生机制及控制措施，UK HSE启动阶段3A，采用以甲烷为主的天然气进行约45次全尺寸海洋平台爆炸试［16-18］，主要研究低限制度、高拥挤度环境下的可燃气体爆炸现象。文献［16］分析45次试验的方案设计及原始数据，并提出相关建议。文献［19］总结了阶段2和阶段3A的Spadeadam爆炸试验数据。阶段3B试验的主要目的是研究扩散气体的点燃爆炸及真实可燃气云的爆炸发展规律。Advantica，GexCon等研究机构在Sotra试验基地采用8 m×2.5 m×2.5 m装置进行约100次中等规模(50 m3)爆炸试验，在Spadeadam试验基地采用28 m×12 m×8 m装置进行20次大型爆炸试验，同时为NORSOK(2001)提出的概率性风险评估方法提供验证数据。另外，在Thornton试验基地采用导管装置进行的180次试验室规模的爆炸试验，证明二氧化碳比氮气在减轻超压方面的效果好;高级烃(如乙烷和丙烷)会增加爆炸超压。

1993年，Shell UK采用550 m3装置进行 SOLVEX(Shell Offshore Large Vented Explosions)系列试验［20］。装置的一个壁面设有5.9 m×4.6 m的通风口，内部有两组半径为0.5 m的可移动垂直管线。分别在两组管线、一组管线和无管线情况下进行17次甲烷-空气、丙烷-空气爆燃试验，最大爆燃压力达到3×104Pa。试验结果被用于唯象爆炸模型SCOPE的验证和改进。

1994年，British Gas在英国Spadeadam试验基地进行的MERGE系列试验是开敞结构气体爆炸研究的重要突破［21-22］，在不同缩放比例的拥挤敞形结构中研究管径、管距对火焰发展速度和爆炸压力的影响。试验发现，管径减小50%，体积堵塞率减小10%时，峰值爆燃压力增加5～7倍;管径减小50%，体积阻塞率减小20%时，峰值爆燃压力增加2～5倍。该试验还被用于验证和改进相关的爆炸模型［23］，并体现出缩放比例法的优势和局限性。

海洋平台结构复杂，不同环境条件下气体爆炸现象差别很大，影响因素也各异。根据海洋平台结构特点，国外学者分别针对管型、楔形和立方体边角结构中的可燃气体爆炸现象及影响因素进行试验研究［24］。管型结构爆炸试验中，通过孔口环数及内径的变化来改变体积阻塞率，爆炸压力范围1×105～1.4×106Pa;试验发现，体积阻塞率是影响爆炸压力的重要参数。楔形结构爆炸试验中，当顶部限制比例为50%时，爆炸压力小于5×103Pa;限制比例从80%增至100%，爆炸压力增加近2个数量级。试验还发现，在爆炸早期及时将高温燃烧产物排放出去是一种减缓火焰加速蔓延的有效手段。立方体边角结构容器爆炸试验中，障碍物密集布置条件下的火焰速度由无障碍物条件下的10 m/s增加到1 000 m/s，爆炸压力从数千帕增大至4×105Pa。试验表明，体积阻塞率和障碍物大小、形状都是影响爆炸压力的重要因素;相同障碍物条件下，阻塞率增大，压力升高;相同阻塞率时，障碍物尺寸减小，压力升高［25］。将上述试验对比发现，立方体结构中爆炸压力最小，楔形次之，管型最大;其内部火焰传播模式分别为球形、圆柱形和平面形。由于球形模式下压力波扩张更自由，其正面反馈机制没有平面模式强烈，如产生相同的爆炸压力，球形火焰则需要更大的火焰速度。试验表明，圆柱型和平面结构中的终端火焰速度大于楔形结构中的终端火焰速度。因此，从工程应用角度来看，舱室和海洋平台模块应避免设计成瘦长结构，因为这种结构中平面火焰模式占主导地位，会产生较高的爆炸压力。

为了改进海洋平台可燃气体爆炸事故的控制措施，国外众多研究机构针对防火用的常规水喷淋系统对可燃气体爆炸现象的减轻效应进行了大量试验研究［26-33］。应英国能源署要求，CMR使用一个1∶5比例的海洋平台模块模型进行水喷淋系统对可燃气体爆炸超压影响效果的试验研究。气体混合物采用甲烷-空气(8.5% ～10%)和丙烷-空气(4.25%)，水喷淋强度为121 L/min·m2。试验发现，丙烷-空气混合物爆炸超压约是甲烷-空气混合物的2倍。中心点火时，水喷淋系统没有明显作用，实际上爆炸峰值压力反而有所上升;而当端口点火且点火位置附近设有气窗时，水喷淋系统启动后爆炸超压明显降低，降低幅度可达1/3，证明了水喷淋系统对爆炸超压的抑制作用。

喷雾和悬浮微粒性质复杂，开展两相爆炸试验难度较大。Bowen等［34］采用SOLVEX试验装置研究海洋平台悬浮微粒爆炸现象，通过图像分析技术观察到特殊的外部涡流现象。试验表明，燃料挥发性是控制两相爆炸的主要因素。文献［35］全面总结了烃类物质两相(液体-蒸气混合物)爆炸研究的理论、试验和数值计算方法方面的最新进展。现有理论和技术可以实现两相爆炸的保守模拟分析，特定条件下可以将其作为可燃气体爆炸来研究;但当液滴半径达到20～30 μ时，上述方法不再适用。

3 可燃气体爆炸模型

海洋平台空间结构特点决定了可燃气体爆炸现象的复杂性，通过试验建立可靠的理论模型准确描述爆炸发展过程，符合工程应用的需要。国内外学者基于试验和理论假设提出适合海洋平台环境的可燃气体爆炸模型，主要分为经验模型、唯象模型和计算流体动力学(CFD)模型。

3.1 经验模型

经验模型是基于试验数据分析得到的关系式建立的，是评估爆燃超压的最简单方法，但其对爆炸理论的简化也影响模型的预测精度。常用的气体爆炸经验模型有:TNT当量模型、TNO模型、Multi-Energy模型、Baker-Strehlow模型、CAM(Congestion Assessment Method)模型和SLAM(Sedgwick Loss Assessment Method)模型等。

TNT当量模型已被广泛用于海洋平台可燃气体爆炸峰值压力的预测［36-37］，基本原理是将TNT爆炸的压力-距离曲线应用于可燃气体爆炸，根据爆炸气云中的能含量估计出与之等效的TNT炸药量。ME多能模型可用于开敞空间可燃气云爆炸的压力场研究。荷兰CPR14E手册采用TNO模型和TNT当量模型来计算逃离过程中爆炸事故的物理效应，在其修正版中，TNO模型被Multi-Energy模型取代。

3.2 唯象模型

唯象模型以理想系统(即一个含有大量湍流生成网格的单独放气室)为基础，描述爆炸现象的基本特征，可预测较大范围内的爆炸超压。

SCOPE模型(Shell Code for Over-pressure Prediction in gas Explosions)是阻塞通风空间内可燃气体爆炸预测方面发展最为完善的唯象模型，由壳牌石油公司桑顿研究中心开发，可预测海洋平台受限或阻塞空间内的蒸气云爆燃超压。

CLICHÉ模型(Confined LInked CHamber Explosion)由Advantica开发，可模拟具有许多分散障碍物的受限空间蒸气云爆炸现象。模型最初用于建筑内部的受限爆炸模拟，在通风容器爆炸方面得到很好应用，目前其应用已发展至海洋平台及岸上装置的可燃气体爆炸模拟研究。

3.3 CFD模型

CFD(Computational Fluid Dynamic，计算流体动力学)模型即数值模型，根据气体动力学方程、湍流方程、燃烧方程共同描述气云的爆炸过程，利用有限元法、有限差分法或有限体积法对方程进行求解。CFD模型能精确描述高度非线性的爆炸传播过程，更适合可燃气体爆炸过程的模拟分析，但目前还不能精确模拟湍流燃烧流动。

学术研究及工程应用领域中基于CFD理论的气体扩散、火灾爆炸模拟软件有:EXSIM、FLACS、FLUENT、AutoReaGas、CFX、COBRA、NEWT、REACFLOW、Imperial College Research Code和其他研究性软件。在当今追求工程安全的背景下，GexCon AS公司研发的FLACS软件是基于CFD爆炸模拟的行业标准，也是用于模拟可燃和毒性气体泄漏扩散有权威的软件之一。软件采用分布式多孔结构的思想表现几何形状，用亚格子模型表示小于网格尺度的火焰，体现了其较其他CFD软件的优势。软件已被大多数石油与天然气公司、技术安全咨询、研究机构和高校等成功用于海洋结构物爆炸研究、岸上建筑风险评估、气体探测器优化、毒性气体扩散、粉尘爆炸和事故调查等方面。FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，灵活的非结构化网格和基于解的自适应技术及成熟的物理模型使其在转换与湍流、气体泄放与扩散、传热与相变、化学反应与燃烧等方面均有广泛应用。如魏超南等［38］采用FLUENT研究了海上自升式钻井平台井喷天然气的运动行为与危险区域的分布规律。AutoReaGas由CDL和荷兰TNO-PML于1993年合作开发，基于Navier-Stokes和Euler求解器，用于气体爆炸和爆轰波的传播分析，并通过一系列小、中、大规模的气体爆炸试验验证了模拟结果的可靠性。该软件专门用于拥塞和限制(敞开和封闭)的环境中，并可输出结果到AUTODYN中进行流固耦合分析，在海洋平台和FPSO爆炸案例中均得到成功应用。

4 火灾/爆炸作用下海洋平台结构载荷及结构响应研究

4.1 火灾/爆炸载荷分析

火灾、爆炸作用在海洋平台结构上产生的瞬态热效应和爆炸超压等载荷是导致平台结构材料力学性能发生变化进而失去承载能力引起平台倾覆的直接原因。

BFETS JIP和EFEF JIP是近年来海洋平台油气火灾爆炸载荷研究方面的两个重要课题。BFETS项目在油气火灾、爆炸试验基础上结合CFD技术研究了平台结构及作业人员可能面临的油气火灾、爆炸载荷问题［39-40］。研究发现，海洋平台爆炸超压比预想中的严重得多;水喷雾系统可有效降低爆炸超压影响;CFD技术在火灾、爆炸载荷计算方面发挥了重要作用。2008～2010年，韩国釜山国立大学、Nowatec AS等研究机构合作开展EFEF JIP(the Joint Industry Project on Explosion and Fire Engineering of FPSOs)，基于CFD和非线性有限元理论重点针对FPSO的上部模块、设备在可燃气体爆炸作用下的爆炸火灾载荷、结构破坏及风险等级进行系统研究［41-44］，开发火灾爆炸风险分析的可视化软件，研究喷射火作用下结构部件的载荷特点，建立起一套完整有效的FPSO油气火灾爆炸定量风险评估与控制体系。

基于CFD的数值模拟技术是油气火灾、爆炸载荷预测的重要方法，它可以有效地仿真试验结果和验证理论模型的预测结果。Takahashi等［45］提出采用3D-CAD、CFD技术和FEA方法进行爆炸模拟分析，研究气体扩散、爆炸超压和结构响应等问题。这一综合仿真模拟技术可有效用于海上油气生产设施的火灾爆炸风险分析和优化设计。Hoise等［46］通过EXSIM对海洋平台气体爆炸现象进行大量模拟后发现，爆炸压力或脉冲与可燃气云体积之间存在近似的线性关系，爆炸压力和持续时间之间是近似的反向关系。Anna Qiao等［47-48］通过CFD方法研究防火/爆墙、水喷雾系统和被动防火材料等在降低爆炸超压、高温影响方面的效果，发现合理布置防爆墙可提高其抗爆能力，水喷雾系统可有效降低爆炸超压。Mohammad Dadashzadeh等［49］采用专业爆炸模拟软件FLACS再现了BP“深水地平线”井喷扩散及爆炸事故的发展过程，研究识别出平台超压区域，发现发动机舱和平台上高拥挤度的区域内爆炸超压分别达到1.7×105和8×104Pa，并得出结论:低拥挤度区域的超压低，高拥挤度区域的超压高。J T Berg等［50］采用相同软件进行上、下工艺甲板之间的格栅、三种不同的隔墙、两种不同的隔离间隙结构等风险控制因素对爆炸超压影响的布局敏感性分析，以此为FPSO本质安全设计提供指导。

国内方面，魏超南等［51］基于CFD理论研究了海上自升式钻井平台井喷天然气爆燃超压及火焰的动态发展规律，并评估其危害程度与影响范围。刘沛华等［52］在试验基础上借助FDS、CFAST软件进行海洋平台受限空间火灾的数值模拟，从疏散时间和疏散路径等角度对人员疏散策略进行优化分析和安全性评估。郭杰等［53］建立海洋平台油气处理系统原油泄漏的火灾动力学模型。通过对比不同脱险梯道受火灾影响程度，确定了最有利于人员疏散的路径;设备泄漏孔径越大，火灾危险性越大，越不利于人员疏散。孙彦杰［54］应用DNV风险评估软件针对海洋平台典型危险区域(燃油储存区、输油泵房和量油分离器)的火灾、爆炸风险进行模糊综合安全评估。李晶晶等［55］以滩海油气平台为对象，利用大涡模拟软件FDS研究了油气传输区因管线油气泄漏引发的火灾事故中火焰几何特性、温度与热辐射的危险区域，并探讨了风向对火灾事故的影响规律。

4.2 平台结构响应分析

平台结构在高温载荷作用下，其弹性模量、屈服强度等力学性能将会被迅速改变，乃至失去支撑或隔断能力。了解海洋平台构件在油气火灾、爆炸载荷作用下的动态响应特点对于优化平台结构设计、改善材料性能等都具有重要的指导意义。

据HSE事故统计，海洋平台火灾、爆炸事件通常是伴随发生的，但对平台结构造成重大破坏的主要因素是火灾作用。Donegan等［56］通过开展构件火灾试验发现，火载荷作用下平台结构行为随材料性能的不同而发生变化，温度应变是引起结构不稳定、结构倒塌的主要原因。例如，1988年的Piper Alpha平台事故由压缩机小型爆炸引起，但导致平台摧毁的主要原因是火灾。

超压冲击波与结构间的耦合作用也是油气爆炸事故影响研究中的重要问题。Robertson等［57］首次提出采用AUTOREAGAS和AUTODYN 3D来研究爆炸-结构之间的耦合作用及结构在载荷作用下的移动问题。研究发现，立方体结构发生变形的同时不能将爆炸冲击波再反射回去，压力载荷实际上减小了。与假设载荷与结构不存在耦合的情况下相比，最大挠度减小25%左右。Savage等［58］采用非线性结构动力分析法研究了海洋平台支撑系统的薄弱环节以及结构部件的极限承载能力，并计算防爆墙的压力脉冲持续时间。

国内方面，文献［59-62］基于有限元理论，采用多欧拉-拉格朗日耦合方法和ROE求解方法对海洋平台甲板、舱室、防爆墙等复杂结构在油气爆炸冲击载荷作用下的动态响应进行了计算分析。研究发现，主甲板和纵、横舱壁结构作为迎爆面遭受损伤较大;半椭圆防爆墙结构具有更好的防爆效果。火灾、爆炸作用下的结构温度场分析是一个固体物质的热传导问题。文献［63-65］采用弹塑性方法和高温状态下钢材的理想应力-应变本构关系，根据能量守恒原理建立瞬态热传导的基本微分方程，分析海洋平台在火载荷作用下的结构响应特点和失效机理。韩圣章和胡云昌［66］采用能量法建立板的挠度公式，并进行海洋平台舱室在爆炸载荷作用下发生破损的变形分析，为油气田定量风险评估及事件升级分析提供基础。研究认为，防爆墙和舱室板构件都应用梁构件予以支撑，以减小局部变形。还将喷射火焰能量与钢材性能相结合，采用简化办法建立了火灾载荷作用下平台立管温度变化模型，分析立管随温度变化发生破坏的可能性，为平台立管的防护提供依据［67］。

5 总结与展望

灾害条件下的海洋平台结构安全可靠性是海洋工程中较有难度和挑战性的重要研究领域，特别是油气火灾、爆炸等灾难性事件。文章从油气扩散、火灾爆炸试验、爆炸模型、火灾/爆炸载荷及其结构响应等方面全面总结了近年来最新的研究进展，其发展趋势可总结为:基于工程经验、专家判断等方法的定性评估向基于仿真模拟(有限元理论、CFD技术等)和现场试验相结合的定量评估发展;基于特定场景的确定性评估向基于所有可能场景的概率性评估发展。

恶劣环境下海洋平台作业安全性已经对重大灾害演变机理及其作用下的平台结构可靠性评估提出了迫切需求，特别是历年来发生的一系列火灾、爆炸等重大灾难事故更是给世界范围内海洋石油工业的健康发展敲响了警钟。相关研究已经取得重要进展，但还有待完善，未来有可能或需要进一步研究的内容有:

1)现场试验是研究海洋平台油气火灾、爆炸机理及结构风险最直接、最可靠的方法，且对工程应用中平台火气监控系统、被动防火保护等的优化设计具有重要指导意义。鉴于国外在这方面已有丰富经验，国内学者和研究机构可作为借鉴开展相关试验研究，在足够的全尺寸试验基础上验证和支持数值模拟结果，以指导我国海洋平台安全保护系统设计与优化，以期打破国外关键技术垄断。

2)国外开展的海洋平台爆炸试验多集中在密闭空间内障碍物、环境条件等因素对爆炸超压及火焰加速的影响，较少涉及开敞空间(如海洋平台上部模块)内火灾、爆炸现象。例如，浮式生产系统FPSO的油气生产处理设施主要布置在露天上部模块，同样存在较大的油气泄漏及火灾、爆炸风险。因此，海洋平台开敞空间油气火灾、爆炸现象及相关理论研究应引起重视，将成为今后试验研究的重点。

3)经验模型和唯象模型计算快，精度较差，适合工程应用中对爆炸超压的粗略评估。以CFD为代表的数值模拟方法能够考虑影响气体爆炸的众多因素，模拟精度高，优势明显，在可燃气体爆炸场预测方面将得到更广泛应用。但数值仿真技术还存在一定局限性，例如目前还不能精确模拟湍流燃烧流动，还需国内外学者在试验数据基础上对模型进行不断完善，提高模型适用性和可靠性。

4)基于CFD和非线性有限元理论的数值仿真技术已成为海洋平台油气火灾、爆炸载荷及结构响应研究的主流方法。但需要指出，结构风险评估应当系统全面地考虑失效概率和失效后果两方面因素。目前国内外研究重点主要集中在海洋平台油气火灾、爆炸失效后果分析方面，真正从风险角度综合考虑失效后果和失效概率的研究相对匮乏，还需进一步研究。

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