吳 磊，李艷華，薛春芳，劉慶越，侯辰光

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司工程建設(shè)中心 天津300452；2. 海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 天津300459)

海上固定平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)若干問題探討

吳 磊1，李艷華2，薛春芳2，劉慶越1，侯辰光1

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司工程建設(shè)中心 天津300452；2. 海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)公司 天津300459)

目前海上固定平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)主要是參考火災(zāi)爆炸分析的結(jié)果，但是國內(nèi)海上油氣行業(yè)缺少關(guān)于火災(zāi)爆炸分析的統(tǒng)一要求和標(biāo)準(zhǔn)，不同火災(zāi)爆炸分析報(bào)告對同一問題處理方式各不相同，導(dǎo)致不同項(xiàng)目的海上固定平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)各不相同。選取了工程實(shí)踐中對海上固定平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)影響較大的幾個(gè)問題，如鋼結(jié)構(gòu)的失效溫度、失效時(shí)間、水噴淋保護(hù)等，進(jìn)行探討和分析，為后續(xù)的海上固定平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)提供了參考。

固定平臺(tái) 鋼結(jié)構(gòu) 防火設(shè)計(jì) 防火涂料

0 引 言

海上固定平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地，外部救援力量有限，一旦發(fā)生火災(zāi)，主要依靠平臺(tái)自身的消防系統(tǒng)進(jìn)行自救。鋼結(jié)構(gòu)作為平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)，在火災(zāi)中保持功能和結(jié)構(gòu)完整性是一切救援措施的基礎(chǔ)，因此其防火設(shè)計(jì)尤為重要?！逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_(tái)安全規(guī)則》規(guī)定，凡暴露在火災(zāi)中，一旦垮塌斷裂使火災(zāi)危險(xiǎn)性升級的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)防火措施。[1]目前國內(nèi)海洋石油天然氣工程行業(yè)尚沒有專門針對固定平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和推薦做法。鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)通常是參考專業(yè)安全分析公司的火災(zāi)爆炸分析的結(jié)果。由于不同安全分析公司的設(shè)計(jì)理念以及采用標(biāo)準(zhǔn)不同，導(dǎo)致各項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)不統(tǒng)一，以往項(xiàng)目的設(shè)計(jì)實(shí)踐無法為后續(xù)項(xiàng)目提供參考和借鑒，對鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的成本亦無法控制。本文擬就工程實(shí)踐中遇到的幾個(gè)突出問題進(jìn)行分析和討論，為后續(xù)項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)提供參考。

1 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)4要素

在鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮4個(gè)方面的核心問題：鋼結(jié)構(gòu)的失效溫度、耐火時(shí)間、界面系數(shù)和火災(zāi)類型。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)失效溫度

在火災(zāi)中，鋼材遇熱會(huì)緩慢膨脹，其剛度和整體強(qiáng)度逐漸下降。表1給出了鋼材在不同溫度下屈服強(qiáng)度衰減系數(shù)的變化情況。在應(yīng)變?yōu)?.2%,的情況下，當(dāng)溫度上升到400,℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度下降為原屈服強(qiáng)度的60%,；當(dāng)溫度達(dá)到500,℃時(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度將下降50%,左右。

表1 鋼材在不同溫度下的屈服強(qiáng)度衰減系數(shù)[2]Tab.1 Attenuation coefficient of yield strength of steel at different temperatures[2]

鋼材在火災(zāi)時(shí)的失效模式與其所承受的載荷類型相關(guān)：如果鋼結(jié)構(gòu)主要是受拉或者受壓(如甲板、水平支撐梁等)，則鋼結(jié)構(gòu)本身強(qiáng)度的下降是最主要的原因。隨著溫度的升高，鋼結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力下降，當(dāng)屈服應(yīng)力下降到實(shí)際承受的應(yīng)力水平，將發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)的失效。如果鋼結(jié)構(gòu)是受壓載荷，并且對彎曲敏感，則受熱不均勻是導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)失效的主要原因。

鋼材發(fā)生失效的溫度與鋼結(jié)構(gòu)所承受的載荷類型以及鋼結(jié)構(gòu)的特性相關(guān)，但是一般在550,℃左右。對彎曲敏感的鋼結(jié)構(gòu)，其失效溫度可能會(huì)更低。對典型平臺(tái)的導(dǎo)管架和甲板的計(jì)算表明，鋼結(jié)構(gòu)失效溫度范圍在500～650,℃，通常采用550,℃作為合理的估計(jì)值。[3]

1.2 鋼結(jié)構(gòu)要求的耐火時(shí)間

鋼結(jié)構(gòu)要求的耐火時(shí)間需要綜合考慮各方面的因素。一方面是平臺(tái)上火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間，在火災(zāi)持續(xù)時(shí)間內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)要保持其完整性。平臺(tái)上火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間可以通過火災(zāi)爆炸分析確定。另一方面需要考慮安全關(guān)鍵系統(tǒng)要求持續(xù)的時(shí)間，比如臨時(shí)避難所要求支持的時(shí)間等。第三方面還需要考慮成本因素，鋼結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間越長，防火成本也將越高。

1.3 界面系數(shù)

鋼結(jié)構(gòu)的界面系數(shù)是指被保護(hù)區(qū)域的截面周長與面積之比，界面系數(shù)越大，導(dǎo)熱越快，鋼結(jié)構(gòu)溫度上升速度就快。反之，界面系數(shù)越小，導(dǎo)熱相對較慢，鋼結(jié)構(gòu)溫度上升慢。因此不同型式的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下的防火設(shè)計(jì)要求是不同的。

1.4 火災(zāi)類型

從燃料類型角度劃分，海上固定平臺(tái)上的火災(zāi)可分為纖維素類火災(zāi)和碳烴類火災(zāi)，碳烴類火災(zāi)可以分為池火和噴射火。海上固定平臺(tái)以烴類物質(zhì)火災(zāi)為主，烴類物質(zhì)火災(zāi)的火焰溫度比纖維素類火災(zāi)火焰溫度高。同時(shí)噴射火焰的熱輻射強(qiáng)度比池火火焰的熱輻射強(qiáng)度大，并且噴射火焰對鋼結(jié)構(gòu)表面有沖擊作用，因此噴射火焰條件的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)重點(diǎn)問題

2.1 鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的失效時(shí)間

鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到失效溫度所需要的時(shí)間是鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。在一定火災(zāi)持續(xù)時(shí)間條件下，鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到失效溫度的時(shí)間比火災(zāi)持續(xù)時(shí)間長，則不需要對其采用額外的保護(hù)措施，否則需要采取防火保護(hù)措施。表2的結(jié)果顯示，鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)成本占整個(gè)平臺(tái)防火保護(hù)措施成本的50%,以上，部分項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)被動(dòng)防火成本占比達(dá)到90%,以上，因此鋼結(jié)構(gòu)失效時(shí)間長短的選擇在一定程度上決定了平臺(tái)整體防火措施的成本。

表2 鋼結(jié)構(gòu)在不同平臺(tái)中所占的被動(dòng)防火面積比例Tab.2Proportion of passive fire protection area occupied by steel members on different platforms

未受保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)情況下需要多長時(shí)間達(dá)到失效溫度與3個(gè)方面的條件有關(guān)：①受熱形式，是直接受到噴射火焰的沖擊，還是受到溫度較低的分散火焰的加熱，或者來自外部熱源的熱輻射；②鋼結(jié)構(gòu)的暴露水平，鋼結(jié)構(gòu)是被火焰包住還是只有一面受熱；③鋼結(jié)構(gòu)的幾何形狀。

目前國內(nèi)外海上油氣行業(yè)安全分析采用的鋼結(jié)構(gòu)失效時(shí)間主要是參考了挪威船級社編制的《海上設(shè)施定量風(fēng)險(xiǎn)分析指南》(簡稱CMPT)和國際油氣生產(chǎn)商協(xié)會(huì)(簡稱OGP)編制的《風(fēng)險(xiǎn)評估數(shù)據(jù)目錄工廠結(jié)構(gòu)分冊》。兩者的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3和表4所示，可知兩家機(jī)構(gòu)推薦的鋼結(jié)構(gòu)失效時(shí)間差別較大。在相同的熱輻射強(qiáng)度條件下(250,kW/m2)，CMPT推薦的鋼板失效時(shí)間是3,min，鋼梁失效時(shí)間是2,min，而OGP推薦的失效時(shí)間是不超過15,min。

表3 CMPT推薦的鋼結(jié)構(gòu)理論失效時(shí)間[2]Tab.3 Recommended failure time of steel members by CMPT[2]

表4 OGP推薦鋼結(jié)構(gòu)失效時(shí)間[4]Tab.4 Recommended failure time of steel member by OGP

事實(shí)上OGP推薦數(shù)值是比較寬泛的，給出的是一個(gè)上限數(shù)值，在實(shí)際應(yīng)用中存在較大的不確定性。相比較而言，CMPT的推薦值更具有針對性。其數(shù)據(jù)來源是在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合敏感性分析而給出的結(jié)果，其數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果是符合的。

2.2 水噴淋對鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用

在部分項(xiàng)目的安全分析報(bào)告中明確提出了采用水噴淋可以替代鋼結(jié)構(gòu)的被動(dòng)防火措施。由于水噴淋的造價(jià)成本相對被動(dòng)防火油漆的成本低，施工方便，這一設(shè)計(jì)理念已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目中得到了實(shí)施。事實(shí)上關(guān)于水噴淋的保護(hù)是否能夠替代被動(dòng)防火措施是沒有定論的，特別是對于承重的鋼結(jié)構(gòu)，國外的規(guī)范是不允許使用水噴淋代替被動(dòng)防火保護(hù)措施的。對于工藝管線和壓力容器，是否能夠使用水噴淋代替被動(dòng)防火措施，需要經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算來判斷。[5-6]表5是對水噴淋在不同火災(zāi)工況下冷卻效果的試驗(yàn)結(jié)果，通過數(shù)據(jù)可以看出，池火情況下，水噴淋可以有效延緩鋼結(jié)構(gòu)的失效時(shí)間，但在噴射火條件下，水噴淋的作用有限。海上固定平臺(tái)上壓力容器較多，一旦發(fā)生火災(zāi)，噴射火是必須考慮的火災(zāi)工況之一。

表5 水噴淋保護(hù)對鋼結(jié)構(gòu)失效時(shí)間的影響[2]Tab.5 Effect of water spray protection on the failure time of steel members[2]

另一方面，如果對鋼結(jié)構(gòu)采用水噴淋保護(hù)，必然導(dǎo)致消防水量需求的增加，特別是大型綜合平臺(tái)，需要保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)面積大，消防水流量增加明顯。消防水流量的增加導(dǎo)致消防系統(tǒng)的規(guī)模變大，消防泵、消防管網(wǎng)、雨淋閥、噴頭等消防設(shè)備和組件的投資升高。因此綜合考慮，不推薦采用水噴淋代替鋼結(jié)構(gòu)的被動(dòng)防火設(shè)計(jì)。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料是施涂于鋼結(jié)構(gòu)表面，能夠形成耐火隔熱保護(hù)層，以提高鋼結(jié)構(gòu)耐火極限的涂料。不同類型的防火涂料工作原理也不盡相同。但是根本上是從破環(huán)燃燒的3要素——溫度、燃料和氧化劑著手。比如，有的防火涂料本身不具備可燃性，涂覆在物體表面之后能有效隔絕外界空氣，降低物體著火的可能性和阻滯燃燒的速度；防火涂料降低物體的導(dǎo)熱系數(shù)，可以延遲火焰溫度向被保護(hù)基材的傳遞；膨脹型防火涂料受熱膨脹發(fā)泡，形成碳質(zhì)泡沫隔熱層封閉被保護(hù)的物體，延遲熱量與基材的傳遞，阻止物體著火燃燒或因溫度升高而造成的強(qiáng)度下降。

有試驗(yàn)表明，水泥基的防火涂料的涂層厚度為34,mm時(shí)，能夠在45,min內(nèi)保證內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)的溫度不超過100,℃，1,h實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)的溫度不超過200,℃。膨脹型的環(huán)氧樹脂涂料，涂層厚度為14,mm時(shí)，內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)的溫度上升速度大約為6,℃/min，在1,h實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，溫度上升大約370,℃。[2]

表6 常用防火材料優(yōu)缺點(diǎn)對比分析Tab.6Comparative analysis of advantages and disadvantages of commonly used fireproof materials

工程上常用的被動(dòng)防火材料有防火板、水泥基防火涂料和膨脹型防火涂料3大類。表6給出了3種防火材料的優(yōu)缺點(diǎn)對比。在海上平臺(tái)上，防火涂料的重量是一個(gè)重要的考慮因素。因?yàn)橹亓繉?dǎo)管架、組塊結(jié)構(gòu)影響重大，甚至可能影響到海上施工船舶資源的選擇，對整個(gè)工程項(xiàng)目的成本影響重大。表7統(tǒng)計(jì)了已建海上石油平臺(tái)上所使用的防火涂料類型。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，海上石油平臺(tái)上最常用的防火涂料是膨脹型的防火涂料。

表7 已建海上平臺(tái)使用防火涂料類型統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics on the type of fire retardant coatings used on offshore platforms

4 結(jié) 語

海上固定平臺(tái)上的火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)高，作為平臺(tái)支撐的鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)事故中保持功能完整性非常重要。目前火災(zāi)爆炸分析的結(jié)果是鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的主要參考依據(jù)，但國內(nèi)海上油氣行業(yè)尚缺少火災(zāi)爆炸分析方法的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不同的安全分析公司采用的分析方法和評判標(biāo)準(zhǔn)各不相同，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)沒有統(tǒng)一的評判標(biāo)準(zhǔn)，工程成本無法控制。隨著對安全生產(chǎn)要求的日益提高，加強(qiáng)對火災(zāi)爆炸分析方法和評判標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)研究，在行業(yè)內(nèi)形成統(tǒng)一的鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范顯得尤為迫切和必要。

［1］ 國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì). 海上固定平臺(tái)安全規(guī)則[Z]. 2000.

［2］ American Petroleum Institute. API RP 2,A Recommended Practice for Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design[Z]. 2010.

［3］ Spouge J. A Guide to Quantitative Risk Assessment for Offshore Installations[Z]. 1999.

［4］ International Association of Oil & Gas Producers. Risk Assessment Data Directory-Vulnerability of Plant and Structure[Z]. Report No. 434-15.

［5］ Norwegian Fire Research Laboratory. Handbook for Fire Calculation and Fire Risk Assessment in the Process Industry[M]. Oslo：Scandpower A/S，2003.

［6］ NORSOK S-001 Technical Safety[Z]. 2008.

Some Issues About Fire-proofing Design for Steel Members on Fixed Offshore Platform

WU Lei1，LI Yanhua2，XUE Chunfang2，LIU Qingyue1，HOU Chen’guang1
(1.Engineering Construction Center，CNOOC(China)Co.，Ltd.Tianjin Branch，Tianjin 300452，China；2.Design Company，Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300459，China)

Fire-proofing design for steel members on fixed offshore platform is based on the results of fire and explosion analysis(FEA).Steel fire-proofing design for each project is different from each other because there are no standards and rules specifying how to carry out FEA and for the same issue as different FEA reports treat it in different ways.Some critical issues for steel members’ fire proofing design，such as critical temperature for steel members，failure duration，fire water deluge protection were discussed and analyzed，aiming to provide reference for following steel member’s fire proofing design.

fixed offshore oil platform；steel members；fire-proofing design；fire-proofing coating

TE54

：A

：1006-8945(2016)09-0034-03

2016-08-08