FPSO(Floating Production Storage and Offloading)即海上浮式生产储油船,由于其适应水深范围广、抗风浪能力强和储油、卸油量大等优点被广泛应用于海洋油气开采中。FPSO上甲板可燃气云爆燃事故是FPSO主要风险之一,一旦发生将引起巨大的财产、人员和环境损失。为保证FPSO安全运营,开展FPSO上甲板可燃气云爆燃过程的研究是亟需解决的问题。本文针对FPSO上甲板可燃气云爆燃过程进行实验与数值模拟研究,主要内容包括:(1)通过FPSO上甲板可燃气云爆燃实验系统,探究了可燃气云爆燃过程中火焰形态和压力随时间的变化规律。结果表明:火焰传播由点火处向周围扩展,产生膨胀流场,压缩未燃气体及周围空气,产生与火焰同向压力波。压力波的基本变化形式是经历一次正超压～一次负超压,二次正超压～二次负超压等多次压力波动。并且随着距离点火点距离的增加,第一次超压产生的时间延后;甲烷浓度为10%时爆炸超压峰值较9%和11%分别增大了 61.26%和33.33%,爆燃压力随着甲烷浓度的增加先增大后减小,这是由于预混气体的爆燃事故后果受化学计量浓度的影响,化学计量浓度的1.1～1.5倍为最危险浓度;甲烷/空气爆燃超压随着障碍物距气云距离减小,爆燃超压峰值越大,距离减小100mm,超压峰值上升了 39.85%,障碍物的约束作用增大了爆燃强度。但该实验系统无法进一步说明障碍物对爆燃事故后果的加强机制,为解决该问题,本文搭建了半开敞管道甲烷/空气爆燃实验系统。(2)通过半开敞管道内甲烷/空气爆燃实验系统,探究了不同设备间距、长度和钢架结构位置等因素对甲烷/空气爆燃火焰形态、超压规律的影响。实验结果表明:在火焰传播方向,两个障碍物间距为200mm和300mm较间距为100mm时,越过第二个障碍物时超压峰值分别增大了 62.67%和99.29%,火焰速度分别增大了 290.99%和90.15%。随着障碍物间距的增大,火焰到达第二个障碍物的初始速度越大,受障碍物诱导的湍流作用更强,火焰速度增大,超压峰值随之增大;障碍物长度为90mm、60mm时,较30mm障碍物超压峰值分别增大了 51.92%和23.08%。火焰越过障碍物时,随着障碍物长度增加,被拉伸的距离越长,进入障碍物后湍流旋涡的初始速度增大,导致第二次火焰加速和爆燃压力峰值越大;阻塞率为0.32、0.28和0.24填充木棒的铁丝网较阻塞率0.2的铁丝网,超压峰值分别增大了 28.36%%、22.39%和6.72%,随着阻塞率的增加,越过障碍物时诱导的湍流更强且更加规律。爆燃过程中,压力波超前火焰向前传播。在火焰到达障碍物之前,未燃气体在障碍物附近的伴随流场已经建立。火焰到达障碍物后,受障碍物诱导的湍流作用,火焰阵面发生弯曲、褶皱,增大了与未燃气体的接触面积,进而火焰速度增大,超压峰值随之增大。障碍物对爆燃事故后果的加强的原因是障碍物诱导的湍流作用。(3)利用FLACS软件对FPSO上甲板可燃气云爆燃实验进行仿真。结果表明:可燃气云火焰面以近似球面的形状由近地面向周围扩展;温度场由点火位置向周围以近球面向周围扩展,气云燃烧处温度较高,向周围扩展气云温度逐渐下降,形成温度梯度;最大超压值出现在对压力波产生较大阻碍的设备上。实验最大超压值与仿真结果比较平均偏差为14.96%,具有较好的一致性,验证了 FLACS仿真FPSO上甲板可燃气云爆燃事故可行性。利用FLACS软件对管道内甲烷空气爆燃实验进行仿真,实验与仿真中火焰阵面在越过障碍物后,火焰发生纵向传播,这是由于越过障碍物后火焰前锋速度出现与火焰传播方向相反的漩涡引起的。对实际比例FPSO上甲板可燃气云爆燃事故过程进行仿真。结果表明,大尺度甲烷/空气爆燃强度十分有限,但在钢架结构附近,压力急剧上升,甚至超过22kPa,造成钢架结构中度损害及人员受轻伤。进一步验证了 FPSO上甲板阻塞率较大设备及钢架结构对爆燃强度具有明显的激励作用。该研究对FPSO火灾爆炸事故的防治、风险评估和事故后果调查具有重要意义。