蒸气云爆炸引发的平台结构动力响应

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072； 2. 高新船舶与深海开发装备协同创新中心， 上海 200240)

0 引 言

由于海洋作业环境的不确定因素较陆地复杂、海洋工程设备技术含量高、平台作业范围有限、海上救援难度大、海洋污染难控制等原因[1]，一旦出现事故，通常会造成重大的人员伤亡、经济损失和生态破坏等严重后果。爆炸是造成海洋平台结构失效的重要原因之一，而且其影响程度远超过井喷、撞击等其他类型事故[2]。过去的海洋平台在实际设计中低估了爆炸产生的冲击载荷，有些甚至没有考虑或直接忽略爆炸载荷的影响[3]。

对于可燃性气体爆炸研究，在气体爆炸试验方面，国外爆炸试验研究发现爆炸超压是破坏性的主要原因，并受多种因素影响。在气体爆炸的模拟和预报方面，国内外基于试验和理论分析提出了适用于海洋平台的可燃气体爆炸模型[2]，包括经验方法、经验与模拟结合方法和数值模拟方法。

对于爆炸作用下海洋平台结构载荷及响应的研究有：韩圣章等[4]采用Rayleigh-Ritz法建立膜板基本模型，利用能量法预报平台上部组块在爆炸冲击载荷作用下的响应规律。这个方法适用于海洋工程结构的防爆墙、舱壁、舱顶和舱底在爆炸作用下的变形控制分析，可满足定量风险评估和升级事件分析的要求。曲海富[5]对爆炸载荷进行深入分析，提出更贴合实际的非线性爆炸载荷计算方法，对防爆墙进行非线性时程动力分析。

国内对于平台外部井口、管道气体泄漏导致的水面上的爆炸对平台结构的影响研究较少，对气体爆炸各种模型的对比分析较少。本文所研究的气体爆炸发生在平台外部，利用AUTODYN将计算爆炸载荷的数值模拟方法与经验公式法进行对比，对气体爆炸的爆炸超压峰值和超压作用曲线进行等效简化拟合，提供数值模拟计算平台结构由于气体爆炸而引发的动力响应的思路。利用ABAQUS软件建立海洋平台结构有限元模型，对关键节点进行动力响应时程分析，并对气体爆炸的相关参数进行敏感性分析，得到预防和控制措施，可为避免和降低气体爆炸灾害提供借鉴。

1 无约束蒸气云爆炸机理

海洋油气田在开采、运输过程中，由于腐蚀、操作不当、自然灾害、落物撞击等因素，井口、海底管道、立管和接头都可能发生可燃性气体泄漏。可燃性气体在泄漏后，在有利的气候条件下在海面上的广阔区域扩散，经过一定时间形成无约束蒸气云[6]。

1.1 可燃性气体爆炸原理

可燃性气体爆炸是气体瞬间膨胀并伴随着能量迅速释放的过程。在爆炸时，高密度、高压、高速的气体迅速膨胀，爆源周围的空气受强烈的压缩作用形成爆炸冲击波阵面，受压空气在爆炸气体前方传播和发展形成爆炸波。

可燃性气体扩散到空气中，浓度需达到爆炸极限，并且遇到能量足够的点火源才可能发生爆炸。爆炸的最佳浓度是爆炸最危险的浓度[6]，此时的爆炸威力最大，破坏效果最严重。天然气的绝大多数成分是甲烷，其点火参数如表1所示。

表1 甲烷空气混合物的点火参数

1.2 可燃性气体爆炸破坏机理

可燃性气体爆炸是一种非理想型爆源爆炸，其爆炸源尺寸很大，在爆炸时能量释放速率一般较低，能量释放时间较长，具体体现为升压时间较长、正压作用时间也较长。爆炸冲击波的超压峰值较低，负压效应不明显，但是爆炸冲量较大，爆炸冲量的破坏作用较明显[7]。

单次爆炸一般造成多种破坏形式，包括爆炸冲击波作用、爆炸碎片飞散、摇撼振动作用、引发火灾[8] 等，对于可燃性气体爆炸，主要考虑爆炸冲击波这一主要破坏形式。

1.3 无约束蒸气云爆炸

可燃性气体燃料泄漏到空气中，扩散成为覆盖面较大的可燃蒸气云。如果发生爆炸，即为无约束蒸气云爆炸(Unconfined Vapor Cloud Explosion， UVCE)。

UVCE的破坏效应参数主要有：最大超压、超压作用时间、超压随时间变化曲线、爆炸冲量。预报UVCE效应的一般方法[9-10]有：以TNT当量法为代表的经验方法，以TNO(The Netherlands Organization)多能模型法为代表的经验与模拟结合方法，以计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics， CFD)方法为代表的数值模拟方法。

2 气体爆炸模型

利用有限元方法对气体爆炸和平台结构的动力响应进行全过程数值模拟，具有建模过程复杂、耗时长、计算结果可靠度不高等缺点。采用经验与模拟结合的平台响应计算思路为：利用经验方法计算得到超压峰值和超压时程曲线，将爆炸等效成动载荷施加至平台结构有限元模型进行计算。

2.1 TNT当量法

TNT当量法是预报无约束蒸气云爆炸破坏效应最重要的经验方法。敞开蒸气云由于爆炸效率低，通过定义能量释放率因数，可估算TNT当量，通常取1%～2%。虽然无约束蒸气云爆炸属于非理想爆炸，其近场爆炸行为与TNT炸药爆炸差异很大，但是对于中远场来说，两者的爆炸行为接近度很高。可燃性气体TNT当量的换算公式[11]为

(1)

式中：WTNT为可燃性气体爆炸的TNT当量；QTNT为TNT的爆炸热量；ΔHC为可燃性气体的净热值；WC为泄漏的可燃性气体质量；η为可燃性气体能量释放率因数。

2.2 超压峰值计算

对于TNT炸药爆炸冲击波阵面上的超压峰值ΔP，目前已有许多学者基于爆炸相似理论通过大量试验数据拟合建立经验公式。Henrgeh超压峰值经验公式[12]为

(2)

利用AUTODYN软件建立自由场气体爆炸数值模型，采用欧拉多物质算法对气体爆炸冲击波传播过程进行模拟。采用2D一维球心对称楔形模型，楔形模型的最小半径取1 mm，最大半径为30 000 mm，欧拉网格数为2 000。将一定质量的TNT按照圆形填充至欧拉网格，圆心位于模型原点，爆点定在原点处。在材料模型中，对炸药采用JWL状态方程、对空气采用理想气体状态方程进行计算。在距爆源30 m范围内，每隔2 m设置1个监测点，共计15个监测点，如图1所示。

图1 一维爆炸模型及监测点

针对686 kg TNT空中爆炸在不同爆心距离处产生的爆炸波超压峰值，将数值计算结果与经验公式计算结果进行对比。对比情况如图2所示。

图2 686 kg TNT爆炸波超压峰值与爆心距离的关系曲线

图3 686 kg TNT爆心距离8 m处的冲击波压力时程曲线

对比发现二者的变化趋势基本一致，曲线吻合度较好：在爆炸源近场处，即当爆心距小于8 m时，两者偏差相对较大，在12%以上；在爆炸源的中远场处，即当爆心距大于8 m时，两者偏差明显减小，在7%以内。原因可能是近场实际爆炸破坏作用不仅是空气冲击作用，还包括爆炸产物的作用，此过程的模拟较为复杂，不过相对于整体爆炸冲击超压值，影响较小。

图4 686 kg TNT距离爆源不同距离处的冲击波压力时程曲线

由于Henrgeh的TNT当量法爆炸冲击波经验公式建立在大量试验测试数据基础上，与实际爆炸冲击作用情况偏差较小，置信度较高，也说明该数值模拟方法较为可行，计算结果置信度较高。可采用Henrgeh的TNT当量法经验公式计算爆炸波超压峰值，直接加载至ABAQUS建立的导管架平台模型，简便且相对准确。

2.3 超压时程曲线

爆炸超压时程曲线既可体现超压作用时间，又可体现爆炸超压随时间变化规律。用AUTODYN建立自由场空中爆炸数值模型，可计算距爆心一定距离某处的爆炸冲击波超压随时间的变化。图3为686 kg TNT在爆炸时爆心距离为8 m处的爆炸冲击波压力时程曲线。

当炸药在自由场空中爆炸产生的冲击波传播至监测点处时，为冲击波正压阶段，正压力迅速达到峰值1 161 kPa，随后冲击波正压力呈指数衰减，直至压力降低至大气压。但是，此时空气质点的速度仍不为零，由于惯性效应，爆炸产物继续向外膨胀引起冲击波波后区域的负压情况，即出现负压阶段。相对于正压阶段，负压阶段压力较小，而且气体爆炸的负压作用更不明显，故可忽略不计，只考虑正压作用。

图4给出了距爆源分别为8 m(监测点4)、10 m(监测点5)、12 m(监测点6)、14 m(监测点7)、16 m(监测点8)处的冲击波压力时程曲线。由图4可以看出：在冲击波到达各监测点处时，该点的冲击波压力会突然增大至峰值，然后呈指数衰减；随着爆心距的增大，冲击波的峰值压力迅速减小，正压持续时间逐渐增大，衰减速度也逐渐变慢，即在爆心距较小时冲击波压力衰减快，在爆心距较大时冲击波压力衰减慢。

TNT炸药爆炸冲击波超压随时间变化曲线基本上呈指数衰减，经验公式较复杂，常用的相对简单的Baker经验公式为

p(t)=ΔP(1-t/t+)e-at/t+(5)

式中：a为超压衰减因数；t+为正压作用时间。

超压衰减因素a的计算方法为

(6)

Henrgeh正压作用时间公式为

(8)

图5 三角形冲击荷载模型

难以将复杂的经验公式计算结果输入有限元计算软件来施加载荷，一般都采用经验简化方法，通常将爆炸冲击波超压随时间变化描述成三角形[1]，设定爆炸超压作用时间为0.2 s，前0.1 s为升压阶段，后0.1 s秒为降压阶段，如图5所示。

图6 凹四边形冲击载荷模型

敞开空间可燃性气体爆炸升压曲线很陡，降压曲线相对较缓，用三角形冲击载荷描述爆炸荷载随时间变化与实际情况有一定差距。相对于TNT等凝聚体爆炸，可燃性气体爆炸超压作用时间较长，超压衰减较慢。根据大量气体爆炸的事实、试验与数值模拟计算结果，设定超压作用时间为0.20 s，其中升压时间为0.04 s。为了更准确地模拟爆炸冲击波随时间变化规律，将三角形模型修正为图6所示的凹四边形模型。

2.4 模型冲击响应

利用ABAQUS软件建立导管架平台模型，桩腿完全固定[13]。按照Henrgeh公式计算得到爆炸冲击波超压峰值，按凹四边形模型得到超压时程曲线，将气体爆炸载荷简化为随时间变化的均布面压力载荷。凹四边形冲击载荷模型可使用表格型幅值曲线实现，只需在离散的关键时间点上设置对应的爆炸超压幅值，如表2所示。在分析过程中ABAQUS可通过在各关键时间点之间自动进行线性插值，将离散的幅值点变成线性连续的载荷曲线。

表2 关键时间点的爆炸超压幅值

对TNT当量分别为42 kg、686 kg、2 846 kg，导管架平台距爆心距离分别为5 m、10 m、20 m、40 m，以及正面、侧面两种爆炸方向，共14种蒸气云爆炸载荷工况进行计算。图7和图8为在两种爆炸载荷工况下，导管架变形云图(放大因数为1 000)。

图7 686 kg TNT当量，5 m爆心距离，正面爆炸 图8 2 846 kg TNT当量，10 m爆心距离，侧面爆炸

图9 选取关键连接结点

3 关键参数的敏感性

大量事故事实证明，管结点是导管架的薄弱环节[14]，取平台上图9所示的3个不同型式的关键结点的位移作为分析对象，对气体质量(TNT当量)、爆心距离、爆炸方向进行敏感性研究。

3.1 气体质量

对TNT当量分别为42 kg、686 kg、2 846 kg的计算数据进行分析，均为爆心距离10 m的正面爆炸。

由图10和图11可知，气体质量对管结点位移的影响显著，对两种管结点的影响基本一致，近似呈一次正相关。在气体质量较小时，敏感程度高，影响因数可达1.5～2.0，随着气体质量变大，敏感程度逐渐降低，影响因数趋于1.0。

3.2 爆心距离

对爆心距离分别为5 m、10 m、20 m、40 m的计算数据进行分析，均为686 kg TNT当量正面爆炸。

由图12和图13可知，爆心距离对管结点位移的影响强烈，对两种管结点的影响基本一致，近似呈二次负相关。在距离较小时，敏感程度最高；随着距离增加，敏感程度逐渐降低，仍高于当相关系数为2.0时的线性相关，最低敏感度仍高于气体质量的最高敏感度。

图12 686 kg TNT当量，不同爆心距离下结点N61的时间-位移曲线 图13 686 kg TNT当量，不同爆心距离下结点N51的时间-位移曲线

3.3 爆炸方向

对686 kg TNT当量、爆心距离为10 m的正面和侧面两次爆炸的计算数据进行分析。

由图14和图15可知，爆炸方向对两种管结点的影响差距很大，斜支架平面交叉管结点N61对载荷方向敏感性相对显著，N61在侧面爆炸下的位移只有正面爆炸时的30%左右，可见平面交叉管结点切向抗爆能力较弱，轴向抗爆能力较强。

图14 686 kg TNT当量，不同爆炸方向结点N61的时间-位移曲线 图15 686 kg TNT当量，不同爆炸方向结点N51的时间-位移曲线

腿柱K型管结点N51、N52对载荷方向敏感性相对一般，N51在侧面爆炸下的位移比正面爆炸时高17%左右，与N61相反。由此可见，空间K型管结点在其对称轴方向的抗爆能力较弱，偏离其对称轴方向的抗爆能力较强。

3.4 预防和控制措施

安全是工程的第一要务，须防止和限制爆炸的发生和发展。首先需从根本上防止爆炸的发生，消除隐患。其次，一旦发生爆炸，要防止其蔓延和发展，采取措施将爆炸的影响降至最低。

3.4.1 预防措施

(1) 控制点燃源。必须考虑所有可能的点燃源，并有针对性地提出预防措施。检测到可燃性气体泄漏后需通知周围所有船只避免产生点燃源[14]。

(2) 防止可燃性气体泄漏。爆心距离是对爆炸破坏效果影响最强烈的敏感性因素。必须确保导管架周围近场范围内的油气管道、立管的可靠性。尽可能加固、密封以及进行高频率检查，及时发现泄漏点。

(3) 设计平台的检测预警系统，实时监测周围可燃性气体的浓度并及时发出预警。

(4) 合理布局油气管系，尽可能设置在平台抗爆能力较强的一侧。

3.4.2 控制措施

爆炸是在极短的时间内完成的，实际上不可能对爆炸传播采取措施，而是事先做好防止爆炸传播的装置并保持良好状态。平台的布置必须合理，保证空间畅通，留有足够的风道，当爆炸波传来时可通过风道泄爆。与风道连接的通道必须设置防火门装置，防止在发生火灾时火焰沿风道快速传播，造成严重的火灾事故。

平台上的消防系统必须有良好的应急性，一旦爆炸剩余火焰触及平台可立即启动消防系统，防止火灾发生。救生设备必须布置在合理的位置，并且保持随时能用，以便人员迅速撤离。

4 结 论

将计算爆炸载荷的数值模拟方法与经验公式法进行对比，发现以Henrgeh的爆炸冲击波超压峰值经验公式计算气云爆炸时置信度较高，优化拟合得到凹四边形超压时程曲线。运用超压峰值和凹四边形超压时程曲线等效替代气云爆炸载荷，并加载到数值模型上进行计算，可便捷地得到在气云爆炸作用下平台结构的动力响应。

针对关键节点对气云爆炸的关键参数进行敏感性分析，得到结论如下：(1)爆炸破坏作用对爆心距离最为敏感，对爆炸气云质量的敏感度次之；(2)平面交叉管结点切向抗爆能力较弱，而空间K型管结点在其对称轴方向的抗爆能力较弱。据此，提出气云爆炸的预防和控制措施。

上述结论为预报平台结构在气云爆炸作用下的动力响应提供思路，为平台抗爆设计以及避免和降低气云爆炸灾害提供借鉴。