李艷華,許曉麗,覃柳莎,賈慶麗,霍有利

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

0 引 言

被動防火是指在火災(zāi)發(fā)生的情況下,可以對被保護(hù)區(qū)域或者目標(biāo)提供熱保護(hù)限制熱量傳遞。被動防火設(shè)計(jì)是海上油氣生產(chǎn)設(shè)施消防安全設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,與主動防火系統(tǒng)組成了生產(chǎn)設(shè)施上人員防護(hù)的最后保護(hù)。國內(nèi)海上油氣生產(chǎn)設(shè)施采用被動防火措施越來越多[1、 2]。目前,國內(nèi)關(guān)于被動防火設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)均側(cè)重于陸地建筑和工廠[3～5],針對海上油氣生產(chǎn)設(shè)施被動防火設(shè)計(jì)沒有完整、統(tǒng)一的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。本文結(jié)合工程實(shí)踐,介紹了海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上被動防火設(shè)計(jì)步驟和考慮因素,對被動防火設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討。

1 被動防火設(shè)計(jì)方法

在海上生產(chǎn)設(shè)施上被動防火設(shè)計(jì)的目的是選擇合適的被動防火材料保護(hù)特定的對象,使保護(hù)對象在設(shè)計(jì)的火災(zāi)工況下能夠發(fā)揮其功能,減少火災(zāi)帶來的損失。通常被動防火設(shè)計(jì)分5步:(1)確定風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn);(2)確定設(shè)計(jì)目的;(3)火災(zāi)模擬計(jì)算確定火災(zāi)類型,影響范圍和持續(xù)時(shí)間;(4)明確被動防火保護(hù)對象范圍;(5)被動防火材料選型計(jì)算,詳見表1。

表1 被動防火設(shè)計(jì)步驟Tab.1 Steps for passive fire protection design on offshore production facility

風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)分為兩類,一類是性能判斷標(biāo)準(zhǔn),是客觀的評標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),如有毒氣體的致命濃度、致命的熱輻射強(qiáng)度、煙氣的能見度等。這一類的標(biāo)準(zhǔn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者理論數(shù)據(jù)作為支撐。另一類標(biāo)準(zhǔn)是概率標(biāo)準(zhǔn),即需要考慮多大概率事件產(chǎn)生的后果。概率標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)、成本和風(fēng)險(xiǎn)偏好、行業(yè)的整體安全水平相關(guān)。通常,海上生產(chǎn)設(shè)施上的概率標(biāo)準(zhǔn)為萬年一遇(10-4),對于部分非常關(guān)鍵的設(shè)備比如立管,可以采用5×10-5的概率標(biāo)準(zhǔn)[6]。

海上油氣生產(chǎn)設(shè)施的消防總體目標(biāo)包括如下幾個(gè)方面:降低火災(zāi)發(fā)生的可能性;保障人員的人身安全;保障財(cái)產(chǎn)安全;減少對周邊的環(huán)境影響;防止設(shè)施發(fā)生嚴(yán)重的破壞或者垮塌;減少由于火災(zāi)造成的生產(chǎn)中斷。同一個(gè)生產(chǎn)設(shè)施的總體目標(biāo)可以是上述目標(biāo)中的一個(gè)或者多個(gè)。在無人平臺上,消防設(shè)計(jì)以保護(hù)財(cái)產(chǎn)、降低環(huán)境影響等為目標(biāo);在有人值守平臺上,以保護(hù)人員生命安全為主要目標(biāo)。

火災(zāi)場景模擬計(jì)算采用基于流體力學(xué)的軟件,進(jìn)行火災(zāi)爆炸的模擬計(jì)算,明確火災(zāi)的類型、火災(zāi)持續(xù)時(shí)長和火災(zāi)影響的范圍。這三個(gè)參數(shù)是被動防火設(shè)計(jì)重要的基礎(chǔ)參數(shù),詳見表2。

表2 被動防火材料選型參數(shù)Tab.2 Factors influenced on PFP material selection

2 被動防火設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題

2.1 防火分隔設(shè)計(jì)

防火分隔的功能是阻止一個(gè)區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)蔓延到另外一個(gè)區(qū)域。防火分隔設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是確定防火分隔適用的火災(zāi)類型和防護(hù)時(shí)長。海上油氣生產(chǎn)設(shè)施上的火災(zāi)類型分為纖維素物質(zhì)火災(zāi)和烴類物質(zhì)火災(zāi)。烴類物質(zhì)火災(zāi)又分為池火和噴射火兩類。防火分隔的防護(hù)時(shí)長通常分為15、 30、 60和120min。表3是海上生產(chǎn)設(shè)施上不同區(qū)域之間防火分隔推薦的類型和防火時(shí)長[7]。表中HF表示火災(zāi)類型烴類物質(zhì)火災(zāi),CF表示火災(zāi)類型是纖維素物質(zhì)火災(zāi),數(shù)字表示的是以分鐘為單位的防護(hù)時(shí)長要求。

2.2 被動防火保護(hù)對象

被動防火保護(hù)對象范圍的選擇與海上生產(chǎn)設(shè)施上的整體消防安全目標(biāo)密切相關(guān),并應(yīng)與生產(chǎn)設(shè)施上的主動消防系統(tǒng)統(tǒng)籌考慮。表4是海上生產(chǎn)設(shè)施上典型的被動防火保護(hù)對象。對于有人平臺,消防保護(hù)目標(biāo)以人員救生和逃生為目的,表格中的保護(hù)對象都需要保護(hù)。對于無人平臺,以結(jié)構(gòu)完整性或者財(cái)產(chǎn)完整性為目標(biāo),保護(hù)對象可以選擇關(guān)鍵鋼結(jié)構(gòu)和烴類容器的支撐。

表4 海上油氣生產(chǎn)設(shè)施典型被動防火保護(hù)范圍Tab.4 Typical passive fire protection requirements on offshore oil and gas production facility

(續(xù)表)

2.3 鋼結(jié)構(gòu)臨界溫度選擇

臨界溫度是被保護(hù)對象發(fā)揮其功能的最高允許溫度,也是被動防火材料背面允許的最高溫度。海上生產(chǎn)設(shè)施常見的是鋼材料,其強(qiáng)度與溫度的關(guān)系如圖1所示。表面溫度上升到400℃時(shí),鋼材強(qiáng)度為初始強(qiáng)度的75%。當(dāng)表面溫度升高到538℃時(shí),鋼材強(qiáng)度降低到初始強(qiáng)度的50%。在實(shí)際工程實(shí)踐中通常選擇400℃作為鋼材的臨界溫度。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨溫度變化曲線Fig.1 Corresponding curves between temperature and steel strength

設(shè)備的臨界溫度與其要實(shí)現(xiàn)的功能密切相關(guān)。海上生產(chǎn)設(shè)施上典型設(shè)備的臨界溫度限值及保護(hù)時(shí)長見表5。

表5 海上油氣生產(chǎn)設(shè)施典型設(shè)備被動防火保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[7]Tab.5 Typical protection criteria for selected equipment offshore oil and gas production facility

2.4 水噴淋替代被動防火分析

部分項(xiàng)目采用消防水噴淋替代被動防火的設(shè)計(jì)。表6給出了不同規(guī)范和參考資料對消防水噴淋替代被動防火材料的描述和規(guī)定。通過各規(guī)范的描述可以看出,承重鋼結(jié)構(gòu)的被動防火措施不能用水噴淋代替。其他設(shè)施的被動防火措施能否采用水噴淋代替,各規(guī)范不禁止,但是需要提供證明材料證明該替代是合理有效的,不能隨便代替。

表6 不同設(shè)計(jì)規(guī)范對水噴淋替代被動防火的規(guī)定[8～10]Tab.6 Different standards and codes’ requirements about fire water replace of PFP

使用水噴淋代替被動防火措施時(shí)還應(yīng)該考慮水噴淋系統(tǒng)在火災(zāi)、爆炸情況下功能完整性:(1)噴淋管道及其支架的耐火性,尤其是適用玻璃鋼管道作為消防水噴淋管線的項(xiàng)目。需要通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算來證明管道的功能完整性。(2)噴淋強(qiáng)度。目前尚未有相關(guān)的科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐水噴淋代替被動防火設(shè)計(jì)。因此,不能輕易地用水噴淋代替被動防火措施。如果要采用這一設(shè)計(jì)方案,應(yīng)該在設(shè)計(jì)中對此進(jìn)行詳細(xì)的論證和分析,并獲得發(fā)證檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。

3 被動防火設(shè)計(jì)案例

以南海某無人平臺的被動防火設(shè)計(jì)案例,簡介被動防火設(shè)計(jì)的應(yīng)用。該平臺無人值守,整體目標(biāo)是保護(hù)平臺整體結(jié)構(gòu)安全以及與平臺相連接的船舶安全?；谏鲜霰Ｗo(hù)目標(biāo),確定被動防火保護(hù)對象包括:(1)支撐鋼結(jié)構(gòu)(附屬鋼結(jié)構(gòu)除外);(2)塔型設(shè)備卸料臂;(3)消防設(shè)備雨淋閥;(4)中控室。

平臺鋼結(jié)構(gòu)的整體被動防火保護(hù)范圍如圖2中紅色標(biāo)記所示。被動防火主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下:鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度取值為400℃,采用防火油漆進(jìn)行噴涂保護(hù),防護(hù)時(shí)長為120min,火災(zāi)類型為烴類物質(zhì)池火(H級);中控室采用H120防墻與工藝區(qū)進(jìn)行防火分隔,雨淋閥采用H120防火罩殼保護(hù),防火罩殼功能要求與防火墻相同,在120min火災(zāi)條件下,背面溫度升高不超過140℃。

圖2 某項(xiàng)目被動防火保護(hù)范圍示意圖Fig.2 Passive Fire Protection Boundary Schematic

4 結(jié)論和展望

結(jié)合目前行業(yè)內(nèi)被動防火設(shè)計(jì)實(shí)踐,海上油氣生產(chǎn)設(shè)施被動防火設(shè)計(jì)在如下幾個(gè)方面還需要開展進(jìn)一步的研究:

首先是建立海上生產(chǎn)設(shè)施被動防火設(shè)計(jì)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),指導(dǎo)被動防火的設(shè)計(jì)。目前,海上生產(chǎn)設(shè)施被動防火設(shè)計(jì)在總體保護(hù)目標(biāo)、風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)、保護(hù)對象選擇以及臨界溫度等多個(gè)方面在各項(xiàng)目實(shí)踐中存在較大的差異,亟需行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對此類問題進(jìn)行規(guī)定。

其次是建立各類設(shè)施和設(shè)備的失效標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備失效標(biāo)準(zhǔn)是被動防火設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。在相同的火災(zāi)情景下,不同的設(shè)備失效標(biāo)準(zhǔn)對被動防火的需求不同,建立統(tǒng)一的設(shè)備失效標(biāo)準(zhǔn)對規(guī)范被動防火設(shè)計(jì)十分重要。