海上油氣生產設施噴射火及其被動防護的初探

陳好 李長偉 賈媛

摘 要：本文引出了噴射火的定義和研究方法，以及判定海上油氣生產設施設備或材料被動防護有效性的標準，分析了被動防護有效性的3個判定標準之間的內在關系，指導海上油氣生產設施的本質安全設計。

關鍵詞：海上油氣生產設施 被動防護 噴射火

中圖分類號：TE9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（a）-0-02

一般而言，火災主要分為兩大類型：纖維素類火災和烴類火災。纖維素火災是指含纖維素的材料，如木材、紙張等發生燃燒。烴類火災是指碳氫化合物發生燃燒。這兩種火災具有不同的特點，對應的被動防護要求大不相同。針對海上油氣生產設施而言，烴類火災升溫速度快，可能發生爆炸破壞后果非常嚴重，因此一直是海洋石油安全研究領域的熱點。但是，國內海上油氣生產設施消防研究的起步相對較晚，關注熱點長時間停留在研究烴類池火[1]，而對烴類噴射火及相應被動防護的研究仍然非常薄弱，亟待進一步提升。

1 噴射火定義及其研究方法

對于纖維素類火災和烴類池火，人為規定一種能反映、模擬一般火災規律的標準溫升條件，把它繪制成曲線稱為時間-溫度標準曲線，以表征現場火災發展狀況，統一防火材料耐火時間的檢驗標準。區別于烴類池火，烴類噴射火是快速持續泄露的高壓氣態、氣液兩相、純液態碳氫化合物劇烈燃燒形成的擴散火焰[2]。烴類噴射火強度范圍過于寬泛，不宜采用統一的火災升溫曲線，取而代之以標準熱輻射強度約束和重復噴射火模擬。目前，國際上公認的噴射火防火測試方法是在1988年英國北海油田的Piper Alpha海洋平臺發生了一場以167條生命為代價的火災后而進行研究得出的，利用標準噴嘴噴射并燃燒丙烷（0.3kg/sec）產生的水平火焰模仿海洋平臺面臨的強烈噴射火。英國從1990年開始實施該試驗方法測定被動防火材料的抗噴射火性能，并逐步在世界范圍內的海洋平臺上應用，現已被國際標準ISO 22899第1部分（ISO 22899-1）和HSE第OTI 95 634號（OTI95-634）采納[3，4]。

嚴格按照ISO 22899-1[3]和OTI95-634[4]提供的測試方法，數分鐘內樣本表面溫度可達到1150℃～1250℃，獲得的標準熱輻射強度為250～320kW/m2，高于典型的烴類池火熱輻射強度200kW/m2（如圖1所示）。然而，ISO 22899-1和 OTI 95-634規定的測試條件，無法滿足實際高熱輻射強度（HHF，超過350kW/m2）噴射火的測試需要。為彌補不足，必須對上述標準的測試方法中規定的測試條件進行必要的擴展，才能獲得熱輻射強度超過350kW/m2。

2 設備或材料被動防護的有效性

衡量海上油氣生產設施設備或材料被動防護是否有效，存在3個基本的判定準則[5]：（1）穩定性。在火焰作用下，承重構件截面積縮小，承載能力和剛度下降，承受不了原設計的荷載而發生跨塌或變形量超過規定值，則表明構件失去支撐穩定性。（2）完整性。在火焰作用下，構件發生爆裂或局部塌落，形成孔隙或穿透性裂縫。火焰和高溫氣體穿過構件，使其背面可燃物發生燃燒或炭化，則表明構件的完整性被破壞。（3）隔熱性。在火焰高溫作用下，構件背火面測得的平均溫度超過140℃，或背火面任一點溫升超過180℃時，則表明構件失去隔絕過量熱傳導的性能。

被動防護有效性的3個判定標準之間實質是連續的遞進關系。如果構件的穩定性不符合要求，則直接認定構件的完整性和隔熱性不符合要求，即考慮維護構件完整性和隔熱性的前提是保證其穩定性。同理，如果構件的完整性已不符合要求，則直接認定構件的隔熱性也不符合要求，即考慮維護構件隔熱性的前提是保證其完整性。換個角度理解，對于某一特定的構件，可以只考慮保證穩定性，不用考慮其完整性和隔熱性的要求；或者，只考慮保證穩定性和完整性，而不考慮隔熱性的要求。以A0級鋼質耐火分隔材料為例，須能在1h的實驗條件下維持鋼質結構的支撐穩定性，防止煙和火焰的通過，但并不評估材料的隔熱性。

3 設備或材料被動防護的功能性要求

噴射火火災工況下，為保證關鍵工藝設備執行特定功能，海上油氣生產設施上的設備和材料其表面允許最高溫度必須滿足：（1）鋼質工藝設備和管線（容器、塔和換熱器等），內部介質為氣態、液態或液化烴類，不得高于350℃。（2）立管支撐，不得高于400℃。（3）緊急關斷閥、立管和油氣外輸管道，不得高于200℃。（4）消防泵和應急發電機，不得高于200℃。對于自動控制閥門，執行機構元器件的表面允許最高溫度一般要求為100℃，可根據廠家提供的信息進行修正。

噴射火火災工況下，為了最大程度保障人員和設備的安全，延遲和減緩其持續暴露于火焰的破壞和危害，故為海上油氣生產相關設施或系統提供被動防火保護，其最短保護時間必須滿足：（1）無法泄壓的存烴設備，不小于2h。（2）疏散、逃生與救援的設施，不小于2h。（3）非危險區避難所，不小于1h。（4）可緊急泄壓的存烴設備，不小于1h。

4 結語

海上油氣生產設施一旦發生噴射火，危害十分嚴重。噴射火危害機理和被動防護有效性的相關研究，必將有助于預防和控制海上油氣生產設施發生重大安全事故，從而實現海上油氣生產設施的本質安全設計。

參考文獻

[1] 宋雪飛，陸建輝.海洋平臺池火火災模型概述[J].石油工程建設，2011，37（2）：1-5.

[2] API RP 2218， Recommended Practice for Fireproofing Practices in Petroleum and Petrochemical Processing Plants [S].Third Edition， Washington，2013.

[3] ISO 22899-1：2007， Determination of the resistance to jet fires of passive fire protection materials—Part 1： General requirements[S].First Edition， Geneva，2007.

[4] Health and Safety Executive， OTI 92/634， Jet-fire resistance test of passive fire protection materials[R].First Edition，1996.

[5] GB 50016-2014，建筑設計防火規范[S].2015.