海工平臺防火設計研究

石建新

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

0 引言

油氣海工項目風險較高,危險工況時有發生,因此對海洋工程人員居住的生活區的防火安全研究就顯得尤為重要。

目前,國內對海工平臺生活區的整體防火安全和完整性的研究較多,而對于艙壁/甲板上的一些舾裝件熱傳遞方面研究較少。這些舾裝件可以將熱量傳遞到艙壁或甲板背面,從而破壞艙壁或甲板的防火完整性,這就對防火安全產生一定的隱患。

本文對在設計過程中浮式生產儲油卸油平臺生活區內所涉及到防火區域內的艙壁/甲板上的支撐舾裝件熱傳遞問題進行研究,簡要分析在支撐結構側或者非支撐側發生火災處于高溫狀態時,耐火等級分別為A60與H60的甲板/艙壁整體結構的熱傳遞狀況,劃分出可能對甲板或艙壁的防火完整性有影響的舾裝件,為后續新項目的防火安全設計和檢驗提供依據。

1 防火分隔

依據《國際海上人命安全公約》及MODU規范,船舶在設計和建造時應從預防火災發生的角度出發,建立一套完整的防火措施,這些措施主要有可燃物和著火源的控制等。基于此要求,船舶在設計時就應對相應的結構進行防火等級的劃分,同時選用規定的防火材料,在特定船舶中還會有要求將船舶劃分為若干個主豎區。

1.1 主豎區的劃分

主豎區是指船體、上層建筑和甲板室以A級分隔分成的區域,它在任何一層甲板上的平均長度和寬度一般不超過48 m,總面積不超過1 600 m2。目前,主豎區劃分要求是為保證船舶(特別是客船)具有足夠的防火完整性。

以一個750人生活平臺為例,生活區主要集中在三層甲板,因此每一層進行了主豎區劃分。第1層甲板劃分為45.5 m×36.0 m、45.5 m×30.0 m各2個尺寸的4個主豎區,第2層和第3層甲板分別劃分為45.5 m×36.0 m、45.5 m×22.5 m各2個尺寸的4個主豎區。在主豎區的外圍鋼壁均使用A60等級的防火材料敷設,且每個區域均有一個完整的逃生梯道,以便在發生火災的情況下,人員能夠有足夠的安全時間進行逃生。

1.2 主豎區防火材料的應用

本項目主豎區的界限邊均以A60分隔為邊界。甲板A60采用密度為40 kg/m3的防火絕緣,型材采用密度為70 kg/m3的防火絕緣;艙壁A60采用密度為60 kg/m3的防火絕緣,型材采用密度為70 kg/m3的防火絕緣。絕緣節點見圖1。

此外,本項目對重量控制要求非常嚴格,用上述組合的絕緣搭配可減少全船的材料重量。

另外,在防火要求高的區域需要保證防火的完整性,尤其是某些油氣海工項目還有H60的區域,因此涉及一些支撐件貫穿件的安裝均需要滿足防火要求。本文將對這些防火區域的支撐件進行分析,以滿足建造檢驗需求。

2 甲板支撐件的熱傳遞分析

2.1 背景條件

海工項目A60或H60甲板區域的反頂支撐件與甲板焊接處在建造檢驗時有破壞A60或H60的防火等級的風險,對其安全性有一定的影響。本文將簡要分析在支撐結構側或者非支撐側發生火災處于高溫狀態時,耐火等級分別為A60與H60的甲板/艙壁整體結構的熱傳遞。

2.2 材料性能

本項目涉及到甲板、艙壁、加強材、墊板、電纜支撐及隔熱材料(見圖2和圖3)。甲板、墊板和支撐材料均為Q235,熱導率為10 W/(m·K),比熱容為502 J/(kg·K)。A60甲板選用密度為100 kg/m3的絕緣材料,其導熱性能見表1;H60艙壁選用密度為70 kg/m3的絕緣材料,其導熱性能見表2。

表1 A60 艙壁絕緣材料導熱性能

表2 H60艙壁絕緣材料導熱性能

圖3 H60區域典型支撐件(單位:mm)

2.3 結構溫度場分析

2.3.1 耐火標準

A60:1 h的標準耐火實驗中,其背火一面的平均溫度較初始溫度升高不超過140 ℃,且在包括任何接頭在內的任何一點的溫度較初始溫度升高不超過180 ℃[1]。

H60:2 h的碳氫火焰實驗中,其背火一面的平均溫度較初始溫度升高不超過140 ℃,且在包括任何接頭在內的任何一點的溫度較初始溫度升高不超過180 ℃[2]。

根據標準應采用瞬態分析,2種隔熱材料的比熱容參數均設定為800 J/(kg·K)[3]。

2.3.2 A60艙壁耐火狀況

參考ISO 834-1中第6.1.1規定的標準耐火實驗中加熱爐的溫度-時間公式為[4]

T=345lg(8t+1)+20

(1)

式中:T為平均爐溫,℃;t為時間,min。

A60瞬態狀況計算設置為支撐側背面或者支撐側處于火災中,施加1 h如溫升曲線所示的對流熱載荷,對流傳熱系數為125 W/(m2·K);另一側與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,空氣的對流傳熱系數為25 W/(m2·K)。

2.3.3 H60艙壁耐火狀況

參考ISO 834-3規定的碳氫耐火實驗中加熱爐的升溫曲線,碳氫火災的標準溫度-時間公式為[5]

T1=1 100(1-0.325e-0.166 7t1-0.204e-1.417t1-0.471e-15.833t1)

(2)

式中:T1為升溫,℃;t1為溫度上升的時間,h。

H60瞬態狀況計算設置為支撐側背面或者支撐側處于火災中,施加2 h如溫升曲線所示的對流熱載荷,對流傳熱系數為125 W/(m2·K);另一側與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,空氣的對流傳熱系數為25 W/(m2·K)。

2.3.4 艙壁工況

工況1:初始溫度為20 ℃,A60支撐側發生火災石棉,溫度變化見式(1),持續時間為60 min;支撐側背面與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,對流傳熱系數為25 W/(m2·K)。

工況2:初始溫度為20 ℃,A60支撐側背面發生火災石棉,溫度變化見式(1),持續時間為60 min;支撐側與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,對流傳熱系數為25 W/(m2·K)。

工況3:初始溫度為20 ℃,H60支撐側發生火災石棉,溫度變化見式(2),持續時間為120 min;支撐側背面與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,對流傳熱系數為25 W/(m2·K)。

工況4:初始溫度為20 ℃,H60支撐側背面發生火災石棉,溫度變化見式(2),持續時間為120 min;支撐側與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,對流傳熱系數為25 W/(m2·K)。

4種工況差異信息見表3。

表3 4種工況差異

2.3.5 總結

根據相關規范,對甲板和艙壁結構不同的支撐件在發生火災時溫度分布情況及背火面最高溫度變化情況的分析,列出了4種工況下背火面最高溫度以及相比于初始狀態20 ℃的溫度變化量,并得出了各工況下A60甲板與H60艙壁結構背火面溫度的最大變化量,具體見表4。從表中得知,結果均小于180 ℃,滿足規范要求。

表4 各工況下火災對側的最高溫度

3 結論

(1)參考相關規范,從防火完整性的角度分別對海工平臺甲板和艙壁結構不同的支撐朝向發生火災時溫度分布情況及背火面最高溫度變化情況進行了分析。

(2)通過模擬耐火實驗中的火災狀態,對A60甲板與H60艙壁結構進行了熱分析,共設置了4種工況,并得出了各工況下背火面溫度的最大變化量,結果均小于180 ℃,滿足規范要求。由于所選型材最大規格為75 mm,所以型材規格小于等于75 mm時無需額外包敷絕緣材料。

(3)本文研究在甲板/艙壁上的舾裝件的焊接處是否需要包敷A60/H60,以及是否會對此區域的防火完整性造成破壞給予了明確的結論,能夠為后續海工項目的建造在防火完整性方面提供一定的經驗借鑒。