石明偉，張?zhí)熵?cái)，齊 曦

（611研究所，上海 200032）

0 前 言

海洋平臺(tái)極易遭受火災(zāi)的侵害?；馂?zāi)一旦發(fā)生，在油氣燃燒所產(chǎn)生的高溫作用下，將很快引起海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效，給整個(gè)海洋平臺(tái)及人員的安全造成極大危害[1-3]。海洋平臺(tái)防火的目的主要是[4]：保護(hù)人員的生命和財(cái)產(chǎn)；防止生態(tài)環(huán)境遭受破壞。海洋平臺(tái)的防火技術(shù)可分為主動(dòng)式防火和被動(dòng)式防火。其中被動(dòng)式防火主要是通過(guò)燃燒時(shí)具有隔熱作用的非金屬防火作用，延遲和減緩火災(zāi)對(duì)海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)或防火分隔以及其它重要設(shè)備的破壞和危害，使得人員的安全能夠得到最大保障。

1 海洋平臺(tái)的防火等級(jí)要求

根據(jù)有關(guān)海洋平臺(tái)安全的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)歸納[4，5]，海洋平臺(tái)的防火主要有以下3方面的內(nèi)容和要求：

1)防止承重結(jié)構(gòu)件鋼材的溫度超過(guò)400℃，也就是取鋼材的屈服強(qiáng)度折減系數(shù)為0.6的這個(gè)溫度為海洋平臺(tái)承重結(jié)構(gòu)防火的臨界溫度。

2)阻止熱的傳遞，使得熱量通過(guò)艙壁（包括甲板、天棚和其它的一些通道）時(shí)，其背火面的平均溫度增加不超過(guò) 140℃和最高溫度增加不超過(guò)180℃。

3)對(duì)采油和油氣生產(chǎn)過(guò)程中的容器、管道和閥門(mén)的溫度進(jìn)行限制（這個(gè)臨界溫度通常由設(shè)計(jì)者或使用者來(lái)決定），以確保這些設(shè)備的安全。

對(duì)于海洋平臺(tái)的防火來(lái)說(shuō)，通常需要用一個(gè)給定的等級(jí)來(lái)表示。該防火等級(jí)包含了2層意義。一是防火試驗(yàn)所模擬的火災(zāi)燃燒的類(lèi)型，即防的是那一類(lèi)別的火災(zāi)。針對(duì)海洋平臺(tái)的防火試驗(yàn)有3種類(lèi)型：

1)“A”級(jí)（cellulosic fire）標(biāo)準(zhǔn)防火試驗(yàn)，這種燃燒升溫是模擬棉制品、紙張、木材在燃燒時(shí)的溫度變化而作出的時(shí)間溫度曲線(xiàn)。這種防火試驗(yàn)溫度上升比較緩慢，在第60min時(shí)的溫度比原始溫度增加925℃。

2)“H”級(jí)（hydrocarbon fire）碳?xì)浠鸱阑鹪囼?yàn)，是模擬碳?xì)漕?lèi)燃料的燃燒，一種比標(biāo)準(zhǔn)防火試驗(yàn)的升溫要快和猛烈的燃燒試驗(yàn)。在4min時(shí)溫度就可達(dá)到900℃，在第30min時(shí)溫度可達(dá)到1100℃，并一直維持這個(gè)溫度直到試驗(yàn)結(jié)束。這種防火試驗(yàn)在 1970年代開(kāi)始被應(yīng)用于海洋平臺(tái)上，近年來(lái)已成為海洋平臺(tái)防火的主要試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3)“J”級(jí)（jet fire）噴射火防火試驗(yàn)，是由泄漏的高壓碳?xì)錃鈩×胰紵纬蓢娚浠?。這種燃燒在數(shù)分鐘內(nèi)溫度可達(dá)到 1200～1300℃[6,7]?！癑” 級(jí)噴射火防火試驗(yàn)是由于發(fā)生在1988年P(guān)iper Alpha海洋平臺(tái)的火災(zāi)后而進(jìn)行研究得出的防火試驗(yàn)方法[8]。英國(guó)從 1990年開(kāi)始實(shí)施，并逐步在其它國(guó)家的海洋平臺(tái)上應(yīng)用。

3種不同等級(jí)要求的防火試驗(yàn)升溫曲線(xiàn)如圖 1所示。

圖1 防火試驗(yàn)升溫曲線(xiàn)

海洋平臺(tái)防火等級(jí)的另一層含義是在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)不遭受破壞，同時(shí)在規(guī)定的一個(gè)臨界極限溫度下能持續(xù)的時(shí)間。如在60min內(nèi)不超過(guò)所規(guī)定的溫度，即稱(chēng)作 60級(jí)。把防火試驗(yàn)類(lèi)型和防火時(shí)間結(jié)合起來(lái)就是一個(gè)完整的防火等級(jí)，如“H120”級(jí)即表示為在碳?xì)浠鹑紵姆阑鹪囼?yàn)條件下能在120min內(nèi)不超過(guò)所規(guī)定的臨界溫度。

2 海洋平臺(tái)防火材料使用的基本要求

對(duì)于海洋平臺(tái)的防火,早在1970年代就得到了很大的發(fā)展，文獻(xiàn)[9,10]對(duì)此都有專(zhuān)述。特別是1988年英國(guó)北海油田的 Piper Alpha海洋平臺(tái)的一場(chǎng)大火使 167人失去了生命[11]，更引起了世界各國(guó)對(duì)海洋平臺(tái)防火的高度重視。一些要求更高的防火等級(jí)被提出，并在防火技術(shù)和防火材料上都有了很大的發(fā)展[12,13]。

用于海洋平臺(tái)上的防火材料的基本要求是不燃材料，另外以下幾點(diǎn)也是需要考慮的：

1)所使用的防火材料要在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)困難復(fù)雜的場(chǎng)合下容易施工。

2)所使用的防火材料無(wú)論是在施工前、在施工時(shí)還是在施工完成后都不能對(duì)人體有危害。

3)所使用的防火材料應(yīng)具有長(zhǎng)效性，能長(zhǎng)期處在海洋環(huán)境下而不減弱防火效果。

4)所使用的防火材料應(yīng)容易進(jìn)行維護(hù)和修補(bǔ)。

但是有一些材料的使用會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，如有機(jī)樹(shù)脂類(lèi)的膨脹型涂層和升華型涂層并不能夠滿(mǎn)足不燃材料的規(guī)定，而且這種材料暴露在燃燒的火中會(huì)產(chǎn)生有害氣體。但是這類(lèi)材料在使用時(shí)又具有很多的優(yōu)越性能，如施工方便，有良好的耐候性和抗化學(xué)性等。因此對(duì)這類(lèi)材料的使用作出了一些限定，在生活模塊和工作場(chǎng)所要限制使用，而一般是在無(wú)人區(qū)域或敞開(kāi)的及通風(fēng)良好的區(qū)域才能進(jìn)行使用。

3 海洋平臺(tái)防火材料的應(yīng)用

3.1 水泥蛭石涂層

水泥蛭石涂層是早期海洋平臺(tái)建造中最常用的防火材料。這種涂層以水泥為凝結(jié)材料加上輕質(zhì)的具有層狀孔隙結(jié)構(gòu)的蛭石混合而成。水泥蛭石凝膠涂層不會(huì)因燃燒而產(chǎn)生煙霧和毒氣，因此對(duì)人員沒(méi)有危害。水泥蛭石涂層主要用在海洋平臺(tái)飛濺區(qū)及飛濺區(qū)以上的鋼質(zhì)承重結(jié)構(gòu)梁上。用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)防火上的水泥蛭石涂層的容重在500～ 550kg/m3，50mm厚的涂層能滿(mǎn)足“H120”級(jí)的鋼結(jié)構(gòu)件防火要求。 但是水泥蛭石涂層相對(duì)比較笨重，在小截面上的水泥蛭石涂層施工困難。另外涂層結(jié)合強(qiáng)度比較低、不耐碰撞，逐漸被其它防火涂層所取代。

3.2 膨脹型涂層

膨脹型涂層主要應(yīng)用在海洋平臺(tái)對(duì)承重結(jié)構(gòu)和油氣存儲(chǔ)設(shè)施的防火上。海洋平臺(tái)所用的膨脹型防火涂層通常是以環(huán)氧樹(shù)脂為基本材料，再加上遇熱時(shí)能膨脹的助劑。膨脹型防火涂層在受到燃燒高溫?zé)崃繒r(shí)，涂層中的發(fā)泡性成分即受熱分解能迅速膨脹形成空隙狀的炭化層，從而在火焰和被保護(hù)的基材之間筑成一道熱屏障，來(lái)延緩鋼結(jié)構(gòu)基材的表面溫度上升。14mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂膨脹型防火涂層能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)因子（Hp/A）為 140的鋼結(jié)構(gòu)件的“H120”級(jí)防火要求。

環(huán)氧類(lèi)涂層具有很好的耐海洋環(huán)境、耐久性和耐候性，并且對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件具有很好的附著力，同時(shí)涂層厚度薄，使得它們適合于在海洋平臺(tái)上的應(yīng)用。環(huán)氧樹(shù)脂膨脹型防火涂層除了防火作用外，還能夠起到防腐和裝飾作用。環(huán)氧樹(shù)脂膨脹型防火涂層采用的涂裝工藝與普通的環(huán)氧涂層基本相似，只不過(guò)在涂層比較厚的時(shí)候需要加上金屬網(wǎng)或碳纖維網(wǎng)來(lái)進(jìn)行固定。

由于環(huán)氧膨脹型防火涂層遇火會(huì)揮發(fā)出有害氣體，因此不能作為生活區(qū)域和防火分隔的應(yīng)用。

3.3 升華型涂層

升華型涂層也是應(yīng)用在海洋平臺(tái)對(duì)承重結(jié)構(gòu)和油氣存儲(chǔ)設(shè)施的防火上。升華型涂層在遇到火燃燒的熱量時(shí)，會(huì)吸熱從固態(tài)直接升華為氣態(tài)。由于物質(zhì)在升華時(shí)會(huì)吸收大量熱量，并形成氣體從燃燒熱量相反的方向散發(fā)，從而起到阻礙熱量傳遞的作用。

升華型涂層的防護(hù)性能與各種組份的升華溫度、涂層厚度、燃燒強(qiáng)度及作用時(shí)間有關(guān)。海洋平臺(tái)所使用的升華型防火涂層也是以環(huán)氧樹(shù)脂為基本材料。根據(jù)升華型涂層自身特性，一旦受火災(zāi)作用超過(guò)其極限時(shí)間，所有的有機(jī)材料都會(huì)被消耗掉而失去防護(hù)功能。升華型防火涂層最適合用在海洋平臺(tái)油氣存儲(chǔ)設(shè)施上的防火，用6mm厚的升華型涂層可達(dá)到與60mm厚的水泥蛭石涂層同等的防火效果。升華型防火涂層用作海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防火時(shí)，6mm厚度的涂層能達(dá)到“J60”的防火等級(jí)。

環(huán)氧樹(shù)脂基升華型涂層的技術(shù)特點(diǎn)和施工工藝都與環(huán)氧樹(shù)脂膨脹型防火涂層相類(lèi)似。與環(huán)氧樹(shù)脂膨脹型涂層一樣, 由于升華型防火涂層遇火會(huì)揮發(fā)出有害氣體，因而不適合應(yīng)用于生活區(qū)域和防火分隔上。

3.4 巖棉

巖棉制品是以?xún)?yōu)質(zhì)的玄武巖為主要原料，經(jīng)高溫熔融后，由高速離心設(shè)備制成直徑在 10μm 以下的無(wú)機(jī)纖維。再加入適量的酚醛樹(shù)脂粘結(jié)劑和防潮硅油，即可制成巖棉制品。高溫巖棉能耐900℃以上，短時(shí)能耐 1100℃。在海洋平臺(tái)上也可以用作“H”級(jí)的防火絕熱材料。如使用容重為150kg/m3、總厚度為150mm的高溫巖棉氈貼覆在艙壁鋼板上并用碰釘固定，可以達(dá)到“H120”級(jí)的防火分隔要求。

3.5 可溶性硅酸鹽纖維

目前較多使用的是一種含有鈣、鎂元素的可溶性堿土金屬硅酸鹽纖維，在國(guó)外稱(chēng)作AES。主要化學(xué)成分是SiO2、MgO和CaO，和巖棉有點(diǎn)類(lèi)似。與巖棉相比，它的隔熱性能和耐高溫性能更好些。該材料的使用溫度在短期內(nèi)可承受1260℃的高溫，非常適合用作“H”級(jí)防火分隔的絕熱材料，因此它是在海洋平臺(tái)上用作“H”級(jí)防火分隔中的一種很有發(fā)展前途的絕熱材料。用厚度(38mm+50mm)、容重為128kg/m3再加上厚度38mm、容重為96kg/m3的可溶性硅酸鹽纖維貼覆在艙壁鋼板上并用碰釘固定，可以用作為“H120”級(jí)的防火分隔。

另外，可溶性硅酸鹽纖維還可以和其他材料進(jìn)行復(fù)合，用作海洋平臺(tái)的儲(chǔ)油容器、管道的防火保護(hù)等。

3.6 硅酸鈣板

硅酸鈣板過(guò)去在船舶的“A”級(jí)防火分隔上進(jìn)行使用。硅酸鈣制品是以硅藻土等硅質(zhì)材料和消石灰等鈣質(zhì)材料為主要原料，再加入適量的纖維增強(qiáng)材料，經(jīng)制漿、成型、蒸壓養(yǎng)護(hù)、貼面處理等工序制成的一種絕熱材料。

在海洋平臺(tái)上，硅酸鈣板主要作為高等級(jí)的防火分隔獨(dú)立圍壁板來(lái)應(yīng)用。用芯材容重為 300 kg/m3、厚度為96mm的硅酸鈣板，表面用0.7 mm厚鋼板貼覆的復(fù)合板做成的獨(dú)立圍壁，可以用作“H120”級(jí)的非承重防火分隔。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在海洋平臺(tái)的建造過(guò)程中，對(duì)防火材料的應(yīng)用是必不可少的。通過(guò)論述提出以下幾點(diǎn)建議：

1)在海洋平臺(tái)承重結(jié)構(gòu)件的防火技術(shù)上，目前主要采用的是有機(jī)樹(shù)脂類(lèi)的涂層，但是不夠環(huán)保，一旦遭遇火災(zāi)時(shí)會(huì)釋放出有毒有害氣體，因此希望能使用既無(wú)毒不燃同時(shí)效率又高的防火涂層。

2)還需要研究開(kāi)發(fā)出更新型和先進(jìn)的防火材料，如輕質(zhì)高效的絕熱材料，減少防火分隔的絕熱層厚度和減輕絕熱層重量。

3)從工藝上進(jìn)行研究，使得所應(yīng)用的防火材料能得到最佳的防火效果。

雖然目前有新穎的海洋平臺(tái)防火材料正在研制和試用中，但還是存在著一些問(wèn)題，如無(wú)機(jī)型膨脹防火涂層的防火效率低，氣凝膠絕熱材料的成本非常高。因此還需要做好一些前沿性的研究和技術(shù)準(zhǔn)備，以滿(mǎn)足海洋平臺(tái)建造中不斷提升的防火要求。

[1]Tony Paterson.Offshore Fire Safety[M].London∶Tulsa Oklahoma∶Pennwell Publishing Co, 1993.21-37.

[2]Ravichandra Pula, Faisal I Khan, Brian Veitch, and Paul R Amyotte. Revised fire consequence models for offshore quantitative risk assessment[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,200518∶443-454 .

[3]Hallie Ephron Touger. NFPA and the offshore oil industry are helping to resolve dueling federal fire safety standards[J]. NFPA Journal.Sup/Oct 2001∶47-50.

[4]ISO 13702-1999.Petroleum and natural gas industries-Control and mitigation of fire and explosions on offshore production installations -Reruirements and guidelines[S].

[5]DNV-OS-D301 (2005). Fire Protection[S].

[6]A Selby, B A Burgan.Blast and Fire Engineering for Topside Structures - Phase 2, Final Summary Report[R].The Steel Construction Institute, UK, SCI Publication No 253, 1998.

[7]David Galbraith，Ed Terry. Fire and explosion guidance(Part 2∶ Avoidance and mitigation of fires)[R]．HSE Document 152-RP-48. Scotland 2006.

[8]The Jet Fire Test Working Group.Jet-fire Resistance Test of Passive Fire Protection Materials[R]. London∶Health and Safety Executive OTI 95634, 1992.

[9]R G Gowal.Development in Fire Protection of Offshore Platforms[M]. Applied science publishers LTD. London 1978.205-226.

[10]Harald Thv Olstad．NPD Requirements to passive fireprotection materials[C]. Offshore passive fire protection international conference. London∶1987.31-36.

[11]Robert E Snyder.Piper Alpha disaster[J]. Ocean Industry.Aug 1988∶5-6.

[12]T Cotgreave.Passive Fire Protection∶ Performance Requirements and Test Methods[R]. London∶Health and Safety Executive OTI 92606, 1992.

[13]The Steel Construction Institute.Availability and Properties of Passive and Active Fire Protection System[R]. London∶Health and Safety Executive OTI 92607, 1992.