嚴(yán)奉林

（中國石油天然氣管道第二工程有限公司，江蘇 徐州 221000）

隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展，大容積壓力容器的建造日新月異。其中，球罐因其材料用量少、力學(xué)性能好、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于存儲烷烴、烯烴等易燃易爆的低沸點(diǎn)介質(zhì)。近年來，球罐因罐區(qū)泄漏而引起嚴(yán)重火災(zāi)的事故偶有發(fā)生，若起支撐作用的柱腿的防火性能不勝其任，可能導(dǎo)致球罐整體坍塌而造成無法估量的二次惡劣事故。因此，提高球罐柱腿的防火性能至關(guān)重要。

本文結(jié)合馬來西亞國家石油公司(PETRONAS)和沙特阿拉伯國家石油公司(SAUDI ARAMCO)共同投資建設(shè)的超大型煉油化工一體化項(xiàng)目RAPID中烯烴球罐的建造經(jīng)驗(yàn)，介紹了應(yīng)用在球罐柱腿上膨脹型環(huán)氧防火涂層系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及施工要點(diǎn)，為類似項(xiàng)目提供參考。

1 膨脹型防火涂料的防火保護(hù)原理

膨脹型環(huán)氧防火涂料是在環(huán)氧樹脂中加入阻燃劑和發(fā)泡劑混合形成的一種有機(jī)涂料，其在遭遇高溫火焰時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)形成大量氣體，環(huán)氧基料急劇膨脹而形成多孔型蓬松結(jié)構(gòu)，并在表面形成碳化層，在高溫大火與鋼結(jié)構(gòu)基材之間形成一道隔熱屏障，有效保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)基材的溫度處在安全范圍內(nèi)。在涂層系統(tǒng)中間嵌入碳質(zhì)增強(qiáng)網(wǎng)之后，有效地改善了涂層在火災(zāi)中因熱沖擊而易脫落的問題[1]。膨脹型環(huán)氧防火涂料有很好的耐候性和耐鹽霧性，兼顧防腐性和抗振動性，對鹽霧度較高的海洋性氣候有較好的適應(yīng)性，這些特性正適用于建造在海岸邊及島嶼上的油氣煉廠及存儲設(shè)施。

根據(jù)傳熱學(xué)理論，防火涂料的主要傳熱方式為熱傳導(dǎo)，其符合傅里葉定律[2]，即在某一溫度場中，某點(diǎn)的熱流密度正比于此刻該點(diǎn)的溫度梯度，如果將鋼柱腿表面的防火涂層看成一維溫度場，其導(dǎo)熱方程式為：

式中?r為熱通量，為沿r(厚度)方向的溫度梯度，k為導(dǎo)熱系數(shù)。

假設(shè)防火涂層兩側(cè)的溫度分別為θ1(與防火涂層外表面接觸的燃燒熱氣體的溫度)和θ2(與防火涂層接觸的鋼材表面溫度)，對式(1)積分可以得出：

由式(2)可見，當(dāng)θ1、θ2確定后，通過防火涂層的熱通量主要由厚度和導(dǎo)熱系數(shù)決定。鋼材在常溫下的導(dǎo)熱系數(shù)為58 W/(m·°C)，膨脹防火涂料膨脹后的導(dǎo)熱系數(shù)為0.10 ~ 0.15 W/(m·°C)，發(fā)泡后體積膨脹8.4倍[3]。

將防火材料應(yīng)用在球罐柱腿上時(shí)，正是由于火災(zāi)中涂層厚度的大幅增加及導(dǎo)熱系數(shù)的顯著下降，才使得最后通過涂層傳遞到柱腿的熱量下降至幾十分之一，甚至上百分之一，從而表現(xiàn)出優(yōu)良的隔熱性能。

2 防火設(shè)計(jì)

球罐柱腿屬于球體以外的鋼結(jié)構(gòu)，其防火設(shè)計(jì)的主要目的是屏蔽熱輻射和高溫，防止柱腿因高溫過熱而導(dǎo)致強(qiáng)度降低，引發(fā)結(jié)構(gòu)坍塌，確保整個(gè)球罐的穩(wěn)定性。

2.1 防火設(shè)計(jì)要素

防火設(shè)計(jì)包括4個(gè)要素：火災(zāi)類型，臨界溫度，耐火等級，截面系數(shù)[4]。

2.1.1 火災(zāi)類型

對于油氣行業(yè)的火災(zāi)，常為易流淌的碳?xì)涑鼗馂?zāi)和低沸點(diǎn)的碳?xì)錃怏w火災(zāi)，這兩類火災(zāi)燃燒劇烈、升溫迅猛，其符合美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(Underwriter Laboratories Inc.)的火災(zāi)升溫曲線ANSI/UL1709(如圖1所示)，火焰中心溫度將在5 min內(nèi)達(dá)到1 100 °C[5]。

圖1 UL1709標(biāo)準(zhǔn)的溫度?時(shí)間曲線Figure 1 Temperature vs.time curve in UL1709 standard

2.1.2 臨界溫度

球罐柱腿溫度升高會造成柱腿鋼材強(qiáng)度降低，當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)數(shù)值時(shí)，柱腿失去支撐能力而造成罐體坍塌。在RAPID煉化項(xiàng)目中，烯烴球罐柱腿材質(zhì)為SA537 CL1，根據(jù)材料屬性及項(xiàng)目規(guī)范，該材料的臨界溫度為 538 °C。

2.1.3 耐火等級

耐火等級與火災(zāi)類型和耐火時(shí)間相關(guān)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，液化烴球罐柱腿從地面到柱腿與球體交叉處以下0.2 m的部位應(yīng)覆蓋耐火層。對應(yīng)覆蓋耐火層的鋼柱腿，其耐火極限不應(yīng)低于2 h。

2.1.4 截面系數(shù)

截面系數(shù)通常為受火物體截面積與其體積之比，對于圓管形的球罐柱腿，其截面系數(shù)為截面周長Hp與橫截面面積A之比，如式(3)所示。

式中D為球罐鋼柱腿外徑，d為柱腿內(nèi)徑。

2.2 球罐鋼結(jié)構(gòu)柱腿防火涂層配套方案

RAPID煉廠位于馬來半島最南端，為填海造地新建項(xiàng)目，屬于高溫、高濕、高鹽度的海洋腐蝕環(huán)境工況。該項(xiàng)目烯烴儲存單元中丙烯球罐的名義容積為6 731 m3，柱腿為直徑820 mm、高20 mm圓形鋼管，材質(zhì)為SA537 CL1，柱腿耐火時(shí)間為2 h。其防火涂層體系為海虹老人Hempardur Avantguard 550底漆 + 環(huán)氧膨脹涂層International Chartek 1709。

Hempardur Avantguard 550為環(huán)氧富鋅底漆，防腐蝕性能好，即使在高溫高濕環(huán)境，也能夠輕松施工、快速干燥。

International Chartek 1709是一種雙組分的厚漿型無溶劑涂料，有著優(yōu)異的耐持久性，同時(shí)兼?zhèn)浞栏头阑鸸δ?，該材料通過了ANSI/UL 1709測試和ASTM E1529-06試驗(yàn)，獲得FM認(rèn)證，也獲得英國勞埃德船級社(Lloyd’s)認(rèn)證。

2.3 防火涂層厚度的選擇

根據(jù)式(3)可算得柱腿的截面系數(shù)為51.4 m?1。依據(jù)Lloyd’s對Chartek 1709涂料的認(rèn)證(見表1)，對于截面系數(shù)在50 m?1的球罐柱腿，2.0 h防火時(shí)間對應(yīng)的防火涂層厚度為8.4 mm。

表1 不同截面系數(shù)下Chartek 1709防火涂層厚度與耐火時(shí)間的關(guān)系Table 1 Relationship between coating thickness and fire resistance period for Chartek 1709 fire-retardant paint under various section coefficients

2.4 涂層防火性能的有限元驗(yàn)證分析

采用有限元分析方法對柱腿發(fā)泡后防火涂層的絕熱性能進(jìn)行數(shù)值模擬，Chartek 1709防火涂層膨脹后的導(dǎo)熱系數(shù)為0.10 ~ 0.15 W/(m·°C)，在數(shù)值模擬分析過程中取值0.15 W/(m·°C)，比熱容為47 J/(℃·kg)，未發(fā)泡涂料的密度為1 000 ㎏/m3，發(fā)泡后涂料體積膨脹8.4倍，根據(jù)物質(zhì)守恒定律，發(fā)泡后的涂料密度為110 ㎏/m3[6]。采用瞬態(tài)熱分析的方法對具有防火涂料的球罐柱腿進(jìn)行有限元分析，模擬球罐柱腿在 1 100 ℃噴射火中柱腿的溫度變化[6-8]。

鑒于碳?xì)浠鹧鏈囟仍诙潭痰? min時(shí)間內(nèi)就達(dá)到1 100 ℃，對于2 h的火災(zāi)防護(hù)體系，防護(hù)重點(diǎn)為涂層系統(tǒng)對火焰高溫的屏蔽隔熱作用。本研究依托 ANSYS有限元分析平臺對覆蓋發(fā)泡后涂層的球罐柱腿建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬。對于大長徑比的球罐柱腿，采用其橫截面積作為研究對象，所建立的分析模型如下圖2所示。

圖2 覆蓋防火涂層的柱腿有限元分析模型Figure 2 Model for finite element analysis of sphere column with fire-retardant coating

2.4.1 鋼柱腿防火性能分析

在有限元軟件中模擬鋼柱腿及防火涂層在火災(zāi)中的溫度變化過程──在涂層外表面加載1 100 ℃的高溫載荷，經(jīng)過2 h處理后，鋼柱腿及其防火涂層的溫度分布云圖如圖3所示。從柱腿鋼基體到外層涂料，其溫度逐漸升高，但柱腿鋼基體溫度維持在225.3 ℃左右，低于柱腿鋼材的臨界溫度538 ℃。這說明防火涂層符合設(shè)計(jì)文件及規(guī)范的要求。

圖3 柱腿溫度分布云圖Figure 3 Temperature contours of sphere column

通過 ANSYS分析模塊的探針功能，選定柱腿鋼基體外表面與涂層接觸的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為研究對象，追蹤該節(jié)點(diǎn)在2 h高溫處理過程中的溫度變化過程。如圖4所示，該節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的延長基本呈線性升高的趨勢，從常溫逐漸升高到225.4 ℃。

圖4 柱腿鋼基體表面節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線Figure 4 Temperature curve for the steel substrate surface node of sphere column

由圖3和圖4分析可見，防火涂層在火災(zāi)過程中發(fā)揮著穩(wěn)定的防火隔熱作用，保證柱腿鋼基體的溫度處于材料允許的臨界溫度范圍內(nèi)。

2.4.2 鋼柱腿防火涂層受損情況下的防火性能分析

在火災(zāi)過程中，防火涂層可能因?yàn)闊釠_擊或異物跌落而被破壞，故模擬損壞工況建立人工缺陷，缺陷的深度為涂層厚度的一半(碳質(zhì)增強(qiáng)網(wǎng)的位置)，模擬被破壞后涂層的防火隔熱性能。經(jīng)過2 h的1 100 ℃處理后，其溫度分布云圖如圖5所示。柱腿鋼基體的溫度在390 ℃以下，未超過臨界溫度538 ℃。

圖5 帶缺陷防火涂層的柱腿溫度分布云圖Figure 5 Temperature contours of sphere column with a defective fire-retardant coating

通過探針功能，在遠(yuǎn)離涂層缺陷的位置和靠近涂層缺陷的位置分別選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)測這2個(gè)節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)過程中的溫度變化過程，如圖6所示。經(jīng)過高溫處理后，靠近缺陷的節(jié)點(diǎn)4溫度(335.7 ℃)相對于遠(yuǎn)離缺陷的節(jié)點(diǎn)3溫度(316.1 ℃)較高，說明防火涂層的局部破壞對鋼結(jié)構(gòu)柱腿的溫度變化有直接影響，也間接說明在火災(zāi)過程中加入碳質(zhì)增強(qiáng)網(wǎng)以保持防火涂層的穩(wěn)定性有著重要意義[9]。

圖6 柱腿表面不同節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線Figure 6 Temperature vs.time curves for different nodes on the surface of sphere column

3 防火涂料的施工

球罐鋼柱腿防火涂層體系的施工參數(shù)見表2，碳質(zhì)增強(qiáng)網(wǎng)位于第一層與二層防火涂層之間。

表2 RAPID烯烴球罐鋼柱腿防火涂層配套方案Table 2 Fire-retardant coating system for steel structures of RAPID olefin sphere tank

涂層的施工工藝流程為：柱腿表面處理→底漆無氣噴涂→第一層防火涂料無氣噴涂→碳質(zhì)增強(qiáng)網(wǎng)鋪設(shè)→第二層防火涂料無氣噴涂→涂層修復(fù)→質(zhì)量檢查→交接驗(yàn)收[10-12]。

柱腿防火涂層施工宜在球罐上部球體施工完畢后進(jìn)行，避免上部施工時(shí)造成柱腿防火涂層的損壞。

3.1 柱腿表面處理

表面處理前在柱腿周圍采用彩條布或篷布搭設(shè)圍擋。清除柱腿表面上的臟物、油脂要達(dá)到SSPC-SP1標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的等級。噴砂采用吸入式噴砂機(jī)，磨料為石榴砂，噴砂粗糙度為50 ~ 75 μm。噴砂的技術(shù)條件見表3。

表3 噴砂技術(shù)條件Table 3 Technological conditions of sandblasting

3.2 底漆噴涂

在噴砂除銹完成后，依據(jù)ISO 8502-3:2017或GB/T 18570.3–2015進(jìn)行表面清潔度測試，確保噴砂除銹后的表面潔凈度。

無氣噴涂底漆的施工參數(shù)如下：噴槍壓力大于17.5 MPa，噴嘴孔徑0.38 ~ 0.48 mm，稀釋比例5%(最大體積)，一次噴涂膜厚55 ~ 75 μm。

3.3 防火涂料噴涂

施工期間需滿足以下施工條件：

(1) 氣溫不低于10 ℃，相對濕度不高于85%。

(2) Chartek1709的甲組分與乙組分混合比為2.5∶1，可接受范圍是(2.37 ~ 2.61)∶1。

(3) 噴槍槍口方向與柱腿表面垂直，保持300 ~ 350 mm的距離。在噴涂的過程中實(shí)時(shí)檢測涂層厚度，確保涂層厚度達(dá)到4 200 μm。

(4) 第一層防火涂料涂覆完成后，及時(shí)將碳質(zhì)增強(qiáng)網(wǎng)均勻平鋪在第一層涂料表面，如圖7所示。接著進(jìn)行第二道防火涂料噴涂，直至涂層厚度達(dá)到8 400 μm。

圖7 鋪設(shè)碳質(zhì)增強(qiáng)網(wǎng)Figure 7 Laying of carbon-reinforced mesh

(5) 對于還需續(xù)噴的連接位置，在涂料為干的情況下用灰刀將涂層處理成與表面成30° ~ 40°的坡度，以便后續(xù)噴涂時(shí)進(jìn)行涂層的搭接。

3.4 涂層修補(bǔ)

對于局部犄角未噴涂的部位和破損的部位，采用刷涂的方法進(jìn)行局部修補(bǔ)。

4 結(jié)語

采用膨脹型防火涂料對石油化工中低沸點(diǎn)介質(zhì)球罐鋼柱腿實(shí)施保護(hù)，可以有效提高柱腿的防火性能，杜絕惡性火災(zāi)事故發(fā)生。

根據(jù)球罐所存儲的介質(zhì)類型、防火等級及截面系數(shù)來確定防火涂層的形式及厚度，通過數(shù)值分析復(fù)核涂層的防火性能，以確保設(shè)計(jì)的可靠性；在涂料涂覆過程中依據(jù)施工流程和質(zhì)量控制要點(diǎn)依次施工，確保涂覆質(zhì)量。采取事前預(yù)防、事中控制、事后總結(jié)等措施實(shí)現(xiàn)全流程管控，可為鋼柱腿防火技術(shù)精準(zhǔn)應(yīng)用提供支撐。