海上固定平臺鋼結構防火設計若干問題探討

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中心 天津300452；2. 海洋石油工程股份有限公司設計公司 天津300459)

海上固定平臺鋼結構防火設計若干問題探討

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中心 天津300452；2. 海洋石油工程股份有限公司設計公司 天津300459)

目前海上固定平臺鋼結構的防火設計主要是參考火災爆炸分析的結果，但是國內海上油氣行業缺少關于火災爆炸分析的統一要求和標準，不同火災爆炸分析報告對同一問題處理方式各不相同，導致不同項目的海上固定平臺鋼結構防火設計的標準各不相同。選取了工程實踐中對海上固定平臺鋼結構防火設計影響較大的幾個問題，如鋼結構的失效溫度、失效時間、水噴淋保護等，進行探討和分析，為后續的海上固定平臺鋼結構防火設計提供了參考。

固定平臺 鋼結構 防火設計 防火涂料

0 引 言

海上固定平臺遠離陸地，外部救援力量有限，一旦發生火災，主要依靠平臺自身的消防系統進行自救。鋼結構作為平臺的支撐結構，在火災中保持功能和結構完整性是一切救援措施的基礎，因此其防火設計尤為重要。《海上固定平臺安全規則》規定，凡暴露在火災中，一旦垮塌斷裂使火災危險性升級的結構，應考慮結構防火措施。[1]目前國內海洋石油天然氣工程行業尚沒有專門針對固定平臺鋼結構防火設計的標準和推薦做法。鋼結構的防火設計通常是參考專業安全分析公司的火災爆炸分析的結果。由于不同安全分析公司的設計理念以及采用標準不同，導致各項目鋼結構的防火設計不統一，以往項目的設計實踐無法為后續項目提供參考和借鑒，對鋼結構防火設計的成本亦無法控制。本文擬就工程實踐中遇到的幾個突出問題進行分析和討論，為后續項目的鋼結構防火設計提供參考。

1 鋼結構防火設計4要素

在鋼結構防火設計時，需要考慮4個方面的核心問題：鋼結構的失效溫度、耐火時間、界面系數和火災類型。

1.1 鋼結構失效溫度

在火災中，鋼材遇熱會緩慢膨脹，其剛度和整體強度逐漸下降。表1給出了鋼材在不同溫度下屈服強度衰減系數的變化情況。在應變為0.2%,的情況下，當溫度上升到400,℃時，鋼材的屈服強度下降為原屈服強度的60%,；當溫度達到500,℃時，鋼材的屈服強度將下降50%,左右。

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

鋼材在火災時的失效模式與其所承受的載荷類型相關：如果鋼結構主要是受拉或者受壓(如甲板、水平支撐梁等)，則鋼結構本身強度的下降是最主要的原因。隨著溫度的升高，鋼結構的屈服應力下降，當屈服應力下降到實際承受的應力水平，將發生鋼結構的失效。如果鋼結構是受壓載荷，并且對彎曲敏感，則受熱不均勻是導致鋼結構失效的主要原因。

鋼材發生失效的溫度與鋼結構所承受的載荷類型以及鋼結構的特性相關，但是一般在550,℃左右。對彎曲敏感的鋼結構，其失效溫度可能會更低。對典型平臺的導管架和甲板的計算表明，鋼結構失效溫度范圍在500～650,℃，通常采用550,℃作為合理的估計值。[3]

1.2 鋼結構要求的耐火時間

鋼結構要求的耐火時間需要綜合考慮各方面的因素。一方面是平臺上火災的持續時間，在火災持續時間內鋼結構要保持其完整性。平臺上火災的持續時間可以通過火災爆炸分析確定。另一方面需要考慮安全關鍵系統要求持續的時間，比如臨時避難所要求支持的時間等。第三方面還需要考慮成本因素，鋼結構的耐火時間越長，防火成本也將越高。

1.3 界面系數

鋼結構的界面系數是指被保護區域的截面周長與面積之比，界面系數越大，導熱越快，鋼結構溫度上升速度就快。反之，界面系數越小，導熱相對較慢，鋼結構溫度上升慢。因此不同型式的鋼結構在火災情況下的防火設計要求是不同的。

1.4 火災類型

從燃料類型角度劃分，海上固定平臺上的火災可分為纖維素類火災和碳烴類火災，碳烴類火災可以分為池火和噴射火。海上固定平臺以烴類物質火災為主，烴類物質火災的火焰溫度比纖維素類火災火焰溫度高。同時噴射火焰的熱輻射強度比池火火焰的熱輻射強度大，并且噴射火焰對鋼結構表面有沖擊作用，因此噴射火焰條件的鋼結構防火設計要求更加嚴格。

2 鋼結構防火設計重點問題

2.1 鋼結構在火災中的失效時間

鋼結構達到失效溫度所需要的時間是鋼結構防火設計中的一個重要參數。在一定火災持續時間條件下，鋼結構達到失效溫度的時間比火災持續時間長，則不需要對其采用額外的保護措施，否則需要采取防火保護措施。表2的結果顯示，鋼結構的防護成本占整個平臺防火保護措施成本的50%,以上，部分項目的鋼結構被動防火成本占比達到90%,以上，因此鋼結構失效時間長短的選擇在一定程度上決定了平臺整體防火措施的成本。

表2 鋼結構在不同平臺中所占的被動防火面積比例Tab.2Proportion of passive fire protection area occupied by steel members on different platforms

未受保護的鋼結構在火災情況下需要多長時間達到失效溫度與3個方面的條件有關：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鋼結構的暴露水平，鋼結構是被火焰包住還是只有一面受熱；③鋼結構的幾何形狀。

目前國內外海上油氣行業安全分析采用的鋼結構失效時間主要是參考了挪威船級社編制的《海上設施定量風險分析指南》(簡稱CMPT)和國際油氣生產商協會(簡稱OGP)編制的《風險評估數據目錄工廠結構分冊》。兩者的相關數據如表3和表4所示，可知兩家機構推薦的鋼結構失效時間差別較大。在相同的熱輻射強度條件下(250,kW/m2)，CMPT推薦的鋼板失效時間是3,min，鋼梁失效時間是2,min，而OGP推薦的失效時間是不超過15,min。

表3 CMPT推薦的鋼結構理論失效時間[2]Tab.3 Recommended failure time of steel members by CMPT[2]

表4 OGP推薦鋼結構失效時間[4]Tab.4 Recommended failure time of steel member by OGP

事實上OGP推薦數值是比較寬泛的，給出的是一個上限數值，在實際應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。其數據來源是在理論計算的基礎上，結合敏感性分析而給出的結果，其數據與試驗結果是符合的。

2.2 水噴淋對鋼結構的保護作用

在部分項目的安全分析報告中明確提出了采用水噴淋可以替代鋼結構的被動防火措施。由于水噴淋的造價成本相對被動防火油漆的成本低，施工方便，這一設計理念已經在多個項目中得到了實施。事實上關于水噴淋的保護是否能夠替代被動防火措施是沒有定論的，特別是對于承重的鋼結構，國外的規范是不允許使用水噴淋代替被動防火保護措施的。對于工藝管線和壓力容器，是否能夠使用水噴淋代替被動防火措施，需要經過嚴格的計算來判斷。[5-6]表5是對水噴淋在不同火災工況下冷卻效果的試驗結果，通過數據可以看出，池火情況下，水噴淋可以有效延緩鋼結構的失效時間，但在噴射火條件下，水噴淋的作用有限。海上固定平臺上壓力容器較多，一旦發生火災，噴射火是必須考慮的火災工況之一。

表5 水噴淋保護對鋼結構失效時間的影響[2]Tab.5 Effect of water spray protection on the failure time of steel members[2]

另一方面，如果對鋼結構采用水噴淋保護，必然導致消防水量需求的增加，特別是大型綜合平臺，需要保護的鋼結構面積大，消防水流量增加明顯。消防水流量的增加導致消防系統的規模變大，消防泵、消防管網、雨淋閥、噴頭等消防設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構的被動防火設計。

2.3 鋼結構防火涂料

鋼結構防火涂料是施涂于鋼結構表面，能夠形成耐火隔熱保護層，以提高鋼結構耐火極限的涂料。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熱系數，可以延遲火焰溫度向被保護基材的傳遞；膨脹型防火涂料受熱膨脹發泡，形成碳質泡沫隔熱層封閉被保護的物體，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度下降。

有試驗表明，水泥基的防火涂料的涂層厚度為34,mm時，能夠在45,min內保證內部鋼結構的溫度不超過100,℃，1,h實驗結束時，鋼結構的溫度不超過200,℃。膨脹型的環氧樹脂涂料，涂層厚度為14,mm時，內部鋼結構的溫度上升速度大約為6,℃/min，在1,h實驗結束時，溫度上升大約370,℃。[2]

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

工程上常用的被動防火材料有防火板、水泥基防火涂料和膨脹型防火涂料3大類。表6給出了3種防火材料的優缺點對比。在海上平臺上，防火涂料的重量是一個重要的考慮因素。因為重量對導管架、組塊結構影響重大，甚至可能影響到海上施工船舶資源的選擇，對整個工程項目的成本影響重大。表7統計了已建海上石油平臺上所使用的防火涂料類型。統計結果顯示，海上石油平臺上最常用的防火涂料是膨脹型的防火涂料。

表7 已建海上平臺使用防火涂料類型統計Tab.7 Statistics on the type of fire retardant coatings used on offshore platforms

4 結 語

海上固定平臺上的火災爆炸風險高，作為平臺支撐的鋼結構在火災事故中保持功能完整性非常重要。目前火災爆炸分析的結果是鋼結構防火設計的主要參考依據，但國內海上油氣行業尚缺少火災爆炸分析方法的統一標準，不同的安全分析公司采用的分析方法和評判標準各不相同，導致鋼結構的防火設計沒有統一的評判標準，工程成本無法控制。隨著對安全生產要求的日益提高，加強對火災爆炸分析方法和評判標準的基礎研究，在行業內形成統一的鋼結構防火設計的標準和規范顯得尤為迫切和必要。

［1］ 國家經濟貿易委員會. 海上固定平臺安全規則[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