海上油氣生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)設(shè)施設(shè)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(nèi)在關(guān)系，指導(dǎo)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的本質(zhì)安全設(shè)計。

關(guān)鍵詞：海上油氣生產(chǎn)設(shè)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(zāi)主要分為兩大類型：纖維素類火災(zāi)和烴類火災(zāi)。纖維素火災(zāi)是指含纖維素的材料，如木材、紙張等發(fā)生燃燒。烴類火災(zāi)是指碳氫化合物發(fā)生燃燒。這兩種火災(zāi)具有不同的特點，對應(yīng)的被動防護要求大不相同。針對海上油氣生產(chǎn)設(shè)施而言，烴類火災(zāi)升溫速度快，可能發(fā)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(lǐng)域的熱點。但是，國內(nèi)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施消防研究的起步相對較晚，關(guān)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(yīng)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(zāi)和烴類池火，人為規(guī)定一種能反映、模擬一般火災(zāi)規(guī)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(xiàn)場火災(zāi)發(fā)展狀況，統(tǒng)一防火材料耐火時間的檢驗標準。區(qū)別于烴類池火，烴類噴射火是快速持續(xù)泄露的高壓氣態(tài)、氣液兩相、純液態(tài)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(tǒng)一的火災(zāi)升溫曲線，取而代之以標準熱輻射強度約束和重復(fù)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(fā)生了一場以167條生命為代價的火災(zāi)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(chǎn)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(nèi)的海洋平臺上應(yīng)用，現(xiàn)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(shù)分鐘內(nèi)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(guī)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(guī)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(shè)備或材料被動防護的有效性

衡量海上油氣生產(chǎn)設(shè)施設(shè)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(wěn)定性。在火焰作用下，承重構(gòu)件截面積縮小，承載能力和剛度下降，承受不了原設(shè)計的荷載而發(fā)生跨塌或變形量超過規(guī)定值，則表明構(gòu)件失去支撐穩(wěn)定性。（2）完整性。在火焰作用下，構(gòu)件發(fā)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(gòu)件，使其背面可燃物發(fā)生燃燒或炭化，則表明構(gòu)件的完整性被破壞。（3）隔熱性。在火焰高溫作用下，構(gòu)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(gòu)件失去隔絕過量熱傳導(dǎo)的性能。

被動防護有效性的3個判定標準之間實質(zhì)是連續(xù)的遞進關(guān)系。如果構(gòu)件的穩(wěn)定性不符合要求，則直接認定構(gòu)件的完整性和隔熱性不符合要求，即考慮維護構(gòu)件完整性和隔熱性的前提是保證其穩(wěn)定性。同理，如果構(gòu)件的完整性已不符合要求，則直接認定構(gòu)件的隔熱性也不符合要求，即考慮維護構(gòu)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(gòu)件，可以只考慮保證穩(wěn)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(wěn)定性和完整性，而不考慮隔熱性的要求。以A0級鋼質(zhì)耐火分隔材料為例，須能在1h的實驗條件下維持鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的支撐穩(wěn)定性，防止煙和火焰的通過，但并不評估材料的隔熱性。

3 設(shè)備或材料被動防護的功能性要求

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

噴射火火災(zāi)工況下，為了最大程度保障人員和設(shè)備的安全，延遲和減緩其持續(xù)暴露于火焰的破壞和危害，故為海上油氣生產(chǎn)相關(guān)設(shè)施或系統(tǒng)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(shè)備，不小于2h。（2）疏散、逃生與救援的設(shè)施，不小于2h。（3）非危險區(qū)避難所，不小于1h。（4）可緊急泄壓的存烴設(shè)備，不小于1h。

4 結(jié)語

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施一旦發(fā)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(guān)研究，必將有助于預(yù)防和控制海上油氣生產(chǎn)設(shè)施發(fā)生重大安全事故，從而實現(xiàn)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的本質(zhì)安全設(shè)計。

參考文獻

[1] 宋雪飛，陸建輝.海洋平臺池火火災(zāi)模型概述[J].石油工程建設(shè)，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(shè)計防火規(guī)范[S].2015.