深水半潜式支持平台火灾烟气蔓延规律

许鹏程， 高 瑾， 邱国志

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院， 上海 200240)

深水半潜式支持平台(DWSSP)远离陆地，是远海油气田作业人员的主要生活居住场所.DWSSP的舱室设计紧凑、通道狭窄、楼梯陡峭，一旦发生火灾，人员疏散能力极易因烟气蔓延而迅速减弱，从而造成重大人员伤亡.因此，研究DWSSP火灾烟气蔓延规律可为火灾发生后如何保障平台人员的安全提供重要的参考依据.

DWSSP是半潜平台的重要分支.目前，国内外学者针对半潜平台的火灾安全性做了大量研究.Jin等[1]提出一种定量概率火灾风险分析方法，用于确定可能的平台失效区域.Wang等[2-3]建立了动态Bayesian网络模型，得到了不同时刻平台发生火灾的动态概率以及人员、组织等因素对平台火灾的影响.Sun等[4]通过火灾动力学模拟(FDS)软件得到了风速、风向、火源位置、障碍物位置等因素对喷射火焰覆盖区域、最高温度覆盖区域的影响规律.Rajendram 等[5]的研究表明，相对于基于固体火焰的建模方法而言，基于计算流体动力学(CFD)的建模方法而建立的火灾场景更为精确.Kim等[6]研究了海洋平台钢管和混凝土管件在喷射火焰下的荷载特性.宋剑等[7]的研究表明当火灾持续22 min后,平台结构会因为受火区域的构件发生较大变形而倾覆.但是，目前的研究多集中于半潜平台的火灾风险评估[1-3]、半潜平台的火灾建模与仿真[4-5]、发生火灾时半潜平台的结构响应分析等领域[6-7]，而对半潜平台火灾烟气蔓延规律的研究尚不多见.

本文以某7层DWSSP为例，利用FDS软件中的数值计算方法对其火灾烟气的蔓延规律进行研究，得到了一些影响人员安全和人员疏散的危险因素的分布规律.研究结果可以为火灾发生后的人员疏散路径规划、平台消防设计优化提供一定的参考依据.

1 烟气蔓延模型建立

1.1 烟气蔓延物理模型

图1 DWSSP模型Fig.1 Model of DWSSP

采用FDS数值计算方法建立DWSSP的烟气蔓延物理模型，其结构如图1所示.其中：底甲板(U)和间甲板(I)2层甲板为平台的工作区和休闲区，其平面尺寸为67 m×71 m；主甲板(M)及A～D 5层甲板为平台的生活区，其平面尺寸为67 m×25 m；平台的温度为20 ℃；相对湿度40%；气压为101 kPa(1个标准大气压).此外，该模型未设置灭火设施，不考虑热辐射对平台除火源房间外其余区域可燃材料的引燃效应.假定火灾发生时，除着火房间房门和主甲板出口打开外，其余区域的门、窗均关闭.模型计算区域覆盖整个平台，网格尺寸为0.46 m×0.46 m×0.55 m，网格数为 520 344，模拟运行时间τ=1 500 s.

1.2 探测器布置

在火灾环境中，温度和CO浓度能够直接造成人员伤亡，而能见度对人的视野和心理产生的影响则会导致疏散失序，这3个因素合力削弱了人员的移动能力，增加了人员的疏散时间，进而增大了人员的安全风险.因此，将温度(T)、能见度(Lv)、CO体积分数(φ(CO))列为火灾发生后影响人员安全疏散的主要因素[8].人眼的特征高度以1.6 m计；以各层甲板楼面为基准面，在各层甲板出口和楼梯口距离基准面1.6 m高度处设置3个探测器，记为一组测点，分别实时测定指定位置的T、Lv、φ(CO)，从而得到危险因素极值在甲板上的分布规律.A甲板测点的平面位置如图2所示.其中：测点位于编号1～10标注的位置； 1、2、9、10表示甲板出口(通往室外楼梯)；3～8表示甲板楼梯口；I、II 表示火源房间位置；因建筑要求，D甲板无1、9出口，底甲板和间甲板无1、2、9、10出口和楼梯口6.其余各层测点位置和起火房间位置与A甲板相同，楼梯编号与对应的楼梯口编号相同.

图2 A甲板测点位置和火源房间位置示意图Fig.2 Sketch map of positions of detectors and fire rooms on A deck

1.3 火灾情境设计

为了对比研究火源层高度及火源在甲板的位置对烟气蔓延规律的影响，根据火灾布置最不利原则[9]，设计3类发生在生活区舱室的火灾情境(Case 1, Case 2, Case 3).此外，考虑到人员集中在休闲区的紧急疏散情况，新增1类发生在休闲区吸烟室的火灾情境(Case 4).火灾模拟采用t2火模型[8].相比于稳态火模型和完整火模型，t2火模型能够较完整地反映火灾的发展情况，让火灾以最大热释放速率(HRR)进行燃烧.采用t2火模型不仅有利于研究DWSSP的烟气蔓延规律，还可为日后火灾环境下的半潜平台人员疏散安全性研究提供最不利火灾环境.表1所示为t2火模型中的4类火灾情境的主要参数.其中：α为火灾增长系数；t为达到HRR所需时间.底甲板吸烟室在图2中无法表示；吸烟室距离楼梯口8最近，较接近楼梯口7.

表1 4类火灾情境的主要参数信息Tab.1 Major parameters of four kinds of fire cases

2 烟气蔓延规律分析

利用FDS数值计算方法进行DWSSP火灾烟气蔓延模型数值模拟后，通过Smokeview软件观察烟气蔓延现象并总结烟气蔓延的规律.

2.1 烟气蔓延现象

烟气涌出火源房间后，沿火源层走廊蔓延至楼梯，进入楼梯间后分别向上层和下层蔓延，并逐渐进入其余各层甲板.此外，在走廊的蔓延过程中，烟气首先沿走廊顶板从火源房间或楼梯间向走廊端部蔓延；当蔓延至走廊端部时，烟气下沉，走廊的烟气层高度随之不断下降，直至走廊充满烟气.

2.2 烟气沿楼梯的蔓延规律

4类情境的楼梯烟气蔓延情况如图3所示.其中：红色箭头表示烟气从火源层沿楼梯向上蔓延；蓝色箭头表示烟气从火源层沿楼梯向下蔓延；棕色箭头表示烟气从火源层以上甲板沿楼梯向下蔓延；绿色箭头表示烟气从火源层以下甲板沿楼梯向上蔓延.各楼梯与图2中的楼梯口编号相对应.Case 1(见图3(a))：火源位于A甲板房间 II，火源层A甲板的烟气主要沿靠近火源的楼梯3、5、6向上蔓延，楼梯5的烟气向上蔓延得最为迅速；烟气蔓延至火源层以上甲板后沿走廊在甲板上扩散，部分烟气沿远离火源的楼梯4、7、8向下蔓延，与从火源层A甲板沿楼梯4、7、8向上缓慢蔓延的烟气在A甲板融合；然后与从A甲板沿楼梯4、7、8向下蔓延的烟气共同向下蔓延，并逐渐在火源层以下甲板扩散.Case 2(见图3(b))：火源位于C甲板房间 II，与Case 1中烟气沿火源层及以上甲板楼梯的蔓延规律相同，但在Case 2中，出现了烟气从低层甲板沿楼梯3、5、6向上蔓延的现象.Case 3(见图3(c))：火源位于C甲板房间I，烟气沿靠近火源的楼梯3向上蔓延得最为迅速，在远离火源的楼梯4、8中未出现向上蔓延的烟气；Case 3和Case 2中烟气沿其余楼梯的蔓延规律相同.Case 4(见图3(d))：火源位于底甲板吸烟室，火源层底甲板烟气主要沿靠近火源的楼梯8向上依次蔓延至各甲板并在甲板上扩散，然后逐渐沿其余楼梯向下蔓延；此外，底甲板也有少部分烟气沿较接近火源的楼梯7向上缓慢蔓延，与沿楼梯7向下蔓延的烟气在主甲板融合.

图3 4类情境中楼梯烟气蔓延情况Fig.3 Situation of smoke spread in stairwells in four fire cases

由上述分析可知，烟气主要沿靠近火源的楼梯向上蔓延，沿远离火源的楼梯向下蔓延，且楼梯距离火源越近，烟气向上蔓延的速度越快.此现象说明烟气沿楼梯向上蔓延的能力与楼梯和火源之间的间距相关，楼梯距离火源越近，烟气沿此楼梯向上蔓延的能力越强.这是由于靠近火源楼梯的热量高于远离火源的楼梯，热量越高，烟气向上蔓延的动力越大.此外，当火源层增高时，出现烟气从火源层以下甲板沿烟气向上蔓延能力强的楼梯向上蔓延的现象.

2.3 烟气在甲板上的蔓延规律

通过对比4类火灾情境下烟气充满各甲板所需时间τfill(见图4)，可以获得火源层高度及火源在甲板的位置对烟气在甲板上蔓延规律的影响.图中仅列出4类情境下被烟气完全充满的甲板；圆圈标记火源层，Case 4的火源层由于在 1 500 s内未充满烟气而未标出.由图4可知，Case 2中的烟气充满火源层以上甲板所需时间小于Case 1中的烟气所用时间，而充满火源层以下甲板所需时间大于Case 1中的烟气所用时间.这是由于Case 2中火源层距通风层主甲板的距离更远，导致烟气沿楼梯整体向上蔓延的能力增强、速度加快，而向下蔓延的速度减慢的缘故.同样地，正是因为烟气沿楼梯整体向上蔓延的能力随火源层的增高而增大，导致了当烟气沿远离火源的楼梯蔓延至火源层以下甲板时，烟气沿靠近火源的楼梯向上蔓延的能力增强，从而产生Case 2和Case 3中的烟气从火源层以下甲板沿烟气向上蔓延能力强的楼梯向上蔓延的现象.另外，Case 3中的烟气充满各甲板所需时间大于Case 2中的烟气所用时间，这是由于Case 3中火源位于甲板角落，烟气在各甲板上蔓延的距离增大的缘故.由于Case 4中的烟气蔓延距离最大， 故烟气充满各甲板所需的时间最长.在各类情境中，烟气充满甲板所需的时间由高层甲板向低层甲板递增，说明了烟气在甲板上的蔓延速度随甲板高度的降低而减小.

图4 4类情境中烟气充满各甲板所需时间Fig.4 Required time of smoke filling decks in four fire cases

3 烟气蔓延结果分析

3.1 温度分析

模拟分析运行最终时刻(τ=1 500 s)各甲板出口和楼梯口的温度.出口和楼梯口的温度取决于蔓延至此的烟气温度，而烟气温度在蔓延过程中因热量耗散而不断降低.温度的临界条件为60 ℃[10]，即当T>60 ℃时，人员安全将受到严重威胁.

4类情境中，各甲板出口及楼梯口的温度如图5所示.其中：位置编号1、2、9、10表示对应编号的出口；位置编号3～8表示对应编号的楼梯口；各甲板相同编号的出口或楼梯口记为一组(下同)；图中数字表示该组出口或楼梯口的最高温度；红色为临界温度线；图中未列出出口和楼梯口的温度未发生变化的甲板.由图5(a)可知：Case 1中火源层以上B、C、D甲板楼梯口的最高温度分别位于楼梯口6、楼梯口5、楼梯口5，这些是烟气向上蔓延能力强的楼梯口；而火源层以下主甲板楼梯口的最高温度位于远离火源的楼梯口8.其余情境同样存在火源层以上甲板楼梯口的最高温度位于烟气向上蔓延能力强的楼梯口，火源层以下甲板楼梯口的最高温度位于烟气向上蔓延能力弱的楼梯口这一现象.这是由于烟气沿不同楼梯向上蔓延的能力有所差异，导致从不同楼梯口进入非火源层甲板的烟气温度不同的缘故.

Case 2和Case 3中，平台的最高温度分别为174和183 ℃，且均位于D甲板；而Case 1和Case 4中，平台的最高温度分别为106和139 ℃，且均位于火源层.这可能是由于Case 2和Case 3的火源层更高，烟气向上蔓延能力强且烟气在D甲板蔓延迅速，导致烟气在D甲板的蔓延过程中温度降幅较小的缘故.此外，由于烟气在低层甲板蔓延缓慢，相比于Case 1，Case 4中的最高温度位于火源附近的楼梯口8.由于楼梯口靠近火源且热释放速率更大，故Case 4的最高温度比Case 1的更高.

由图5可知：Case 1中有2个出口温度达到临界条件；Case 2中有1个出口和5个楼梯口温度达到临界条件；Case 3中有1个出口和1个楼梯口温度达到临界条件；Case 4中有2个出口和7个楼梯口温度达到临界条件.

图5 τ=1 500 s时4类情境中各甲板出口和楼梯口的温度Fig.5 Temperature of exits and staircases in four fire cases at τ=1 500 s

3.2 能见度分析

能见度达到临界条件所需的时间取决于出口和楼梯口与火源之间的距离及烟气的蔓延速度.能见度的临界条件为5 m[10]，即当Lv<5 m时，人员无法正常移动.

图6 4类情境中各出口和楼梯口的τVRCCFig.6 τVRCC of exits and staircases in four fire cases

4类情境中，各出口和楼梯口的能见度达到临界条件所需的时间(τVRCC)如图6所示.其中：黑色数字为该组出口或楼梯口的能见度达到临界条件的最短时间；Case 1中，红色数字为间甲板对应楼梯口的τVRCC；图中未列出出口和楼梯口能见度未达到临界条件的甲板.由图6(a)可知：Case 1中火源层以上B、C、D甲板能见度最早达到临界条件的楼梯口分别为楼梯口5、楼梯口6和楼梯口5，这些是烟气向上蔓延能力强的楼梯口；而火源层以下主甲板能见度最早达到临界条件的楼梯口是远离火源的楼梯口8.其余情境类似，该现象的成因与甲板楼梯口最高温度分布现象的成因相同，此处不再赘述.

由图6(b)和(c)可知，与Case 2相比，除靠近火源的出口1和楼梯口3外，Case 3中甲板B～D的其余出口和楼梯口的τVRCC更长，这是由于Case 3的火源位置位于甲板角落，烟气蔓延距离更长.此外，Case 3比Case 2的烟气蔓延范围更广，具体表现为Case 3中主甲板和间甲板出口和楼梯口均达到能见度的临界条件.这是由于Case 3中火源位于靠近楼梯3的甲板角落位置，距楼梯4、7、8较远，导致烟气沿楼梯4、7、8向上蔓延的能力进一步减弱，烟气向下蔓延的倾向加剧的缘故.

由图6可知：Case 1和Case 3中，间甲板、主甲板及A～D甲板各出口和楼梯口均达到能见度临界条件；Case 2中，B～D甲板各出口和楼梯口均达到能见度临界条件；Case 4中，所有出口和楼梯口均达到能见度临界条件.

3.3 φ(CO)分析

分析各类情境中烟气向上蔓延能力最强的楼梯口的φ(CO).4类情境中楼梯口的φ(CO)变化情况如图7所示.其中，未列出φ(CO)未发生变化的甲板.由图7(b)可知：当τ<1 100 s时，Case 2中D甲板楼梯口5处的φ(CO)比C甲板楼梯口5处的φ(CO) 高，符合烟气沿靠近火源的楼梯向上蔓延能力强的规律；当τ>1 100 s时，C甲板楼梯5处的φ(CO) 迅速攀升，D甲板楼梯5处的φ(CO) 也有迅速上升的趋势，这是由于CO首先沿楼梯4、7、8向下蔓延至C甲板，当τ>1 100 s时又沿楼梯5向上蔓延并在C甲板和D甲板处迅速聚集的缘故，符合Case 2中的烟气蔓延规律.由图7(c)可知，Case 3中C甲板楼梯口3处，当τ>1 400 s时同样出现了φ(CO) 迅速上升的现象，但由于Case 3中火源位置和楼梯3位于甲板角落，CO在甲板的蔓延距离大于Case 2，导致了Case 3中C甲板楼梯口3处的φ(CO) 在τ=1 500 s时并未达到Case 2的水平.而Case 1和Case 4中，由于火源层高度低，当τ<1 500 s时CO没有从下层甲板沿靠近火源的楼梯向上蔓延聚集，所以并未出现φ(CO)在靠近火源最近的楼梯口迅速增大的现象(见图7(a)和(d)).

分析τ=1 500 s时各甲板出口和楼梯口的φ(CO) 分布规律.φ(CO)取决于CO的聚集程度.φ(CO) 的临界条件为500×10-6 [10]，即当φ(CO)>500×10-6时，人员安全将受到严重威胁.

以Case 1和Case 4为例，当τ=1 500 s时，烟气沿楼梯蔓延规律对φ(CO)分布的影响如图8所示.其中：数字表示该组出口或楼梯口的最高φ(CO)； 图中未列出出口和楼梯口φ(CO)未发生变化的甲板.由图8(a)可见：火源层以上B、C、D甲板楼梯口的最高φ(CO)均位于靠近火源烟气的楼梯口3；而火源层以下主甲板和间甲板楼梯口的最高φ(CO) 分别位于远离火源的楼梯口8和楼梯口7.Case 4亦表现出相同现象，其成因与甲板最高温度分布现象的成因相同，此处不再赘述.

图7 4类情境中楼梯口的φ(CO)变化Fig.7 φ(CO) versus time in different staircases in four fire cases

图8 1 500 s时两类情境各甲板出口和楼梯口的φ(CO)Fig.8 φ(CO) on exits and staircases in two fire cases at 1 500 s

Case 1和Case 4中各出口和楼梯口均未达到φ(CO) 临界条件；Case 2中C甲板和D甲板各出口和楼梯口均达到φ(CO)临界条件；Case 3中C甲板各出口和楼梯口均达到φ(CO)临界条件.

4 结论

(1) 在当前DWSSP火灾安全性研究的基础上，研究了DWSSP火灾烟气的蔓延规律，研究结果可为火灾发生后人员的疏散路径规划、平台的消防设计优化提供一定的参考依据.

(2) 烟气沿楼梯向上蔓延的能力与楼梯距火源的距离呈负相关，即距离越近，烟气向上蔓延的能力越强.具体表现为：烟气主要沿距火源较近的楼梯向上蔓延，沿距火源较远的楼梯向下蔓延；火源层以上甲板中，温度最高、能见度最早达到临界条件、φ(CO) 最高的楼梯口均为烟气向上蔓延能力强的楼梯口；火源层以下甲板中，温度最高、能见度最早达到临界条件、φ(CO)最高的楼梯口均为烟气向上蔓延能力弱的楼梯口.

(3) 火源层高度越高，烟气整体向上蔓延的能力越强.具体表现为：火源层高度越高，烟气充满火源层以上甲板时间越短，平台最高温度越高且最高温度位于更高层甲板；此外，随着火源层高度的增高将会出现烟气和CO从火源层以下甲板沿烟气向上蔓延能力强的楼梯向上蔓延的现象，致使φ(CO)骤然增大并突破临界值.

(4) 火源位置越靠近平台角落，烟气充满甲板的时间越长，烟气蔓延范围越大，CO从火源层以下甲板向上蔓延的时间越滞后.

(5) 由1 500 s内达到临界条件的出口和楼梯口数量可知，影响人员安全疏散的最危险因素是能见度，然后依次是φ(CO)和温度.