淺談石油化工企業(yè)室外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的選用

孫文華

摘要：文章簡述了鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理、分類及特點，并針對鋼結(jié)構(gòu)耐火差的特性及石油化工企業(yè)（下面簡稱石化企業(yè)）生產(chǎn)、環(huán)境特點，提出對石化企業(yè)室外鋼結(jié)構(gòu)必須進行防火保護，選用合適的防火涂料，并結(jié)合實例論述厚涂型（下面簡稱厚型）防火涂料的優(yōu)缺點，以及科研單位針對該類防火涂料的缺點而朝薄涂型（下面簡稱薄型）綠色環(huán)保型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料方向開發(fā)新型防火涂料。

關(guān)鍵詞：石化企業(yè)；室外鋼結(jié)構(gòu)；防火涂料

中圖分類號：TQ637 文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）11-0124-03

鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、強度高、延展性好、工廠化制造、安裝快捷、施工周期短、適應(yīng)性強、抗震性能好、易維修、建筑造型美觀、投資回收快、污染少等綜合優(yōu)勢，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，更具有在高、大、輕三個方面發(fā)展的獨特性而在石化企業(yè)中越來越多地被應(yīng)用。但由于鋼結(jié)構(gòu)耐火性差，而石化企業(yè)具有易燃易爆特性，還有酸、堿等介質(zhì)的腐蝕，而且室外環(huán)境條件苛刻，因此鋼結(jié)構(gòu)的防火要求還因考慮其耐水、防凍、防腐、耐久、耐候性等因素，比起其他企業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)以及石化企業(yè)的室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)要求更多更高，本文將就鋼結(jié)構(gòu)特點及石化企業(yè)的工作環(huán)境特點對室外鋼結(jié)構(gòu)的防火保護采取合適的措施作專門論述。

一、正確選擇厚型防火涂料

（一）鋼結(jié)構(gòu)的缺點耐火性能差

建筑鋼材雖然不屬于燃燒材料，但耐火性能卻很差，原因是：

1．其在高溫下強度降低快，在建筑物鋼結(jié)構(gòu)中普遍使用的普通低碳鋼溫度超過350°C，強度開始大幅度降低，在350°C、500°C、600°C時強度可分別降低1/3、1/2、2/3左右。

2．鋼材熱導率大：λ=37.5W/m〞k，易于傳遞熱量，使構(gòu)件內(nèi)部升溫很快。鋼材的熱導率約為混凝土的40倍，在一般情況下，一個空間起火且無外來干涉，大約燃燒7分鐘，就可達到500°C的高溫。

3．在高溫下鋼材塑性變大，易于產(chǎn)生變形。在450°C至650°C溫度中鋼結(jié)構(gòu)失去靜態(tài)穩(wěn)定性，在800°C至1000°C，鋼結(jié)構(gòu)很快發(fā)生塑性變形，失去承載力，導致事故。

4．比熱?。篊=520J/kg〞C。鋼構(gòu)件由單一材料組成，溫度分布均勻，截面面積較小，熱容量小，呈薄壁狀，受火面積大，升溫快。

因此鋼結(jié)構(gòu)必須采取防火保護處理措施。

（二）鋼結(jié)構(gòu)防火保護處理措施

鋼結(jié)構(gòu)防火保護處理措施一般有下面四種方法：

1．隔熱法:用耐火材料把構(gòu)件包裹起來。包裹材料有混凝土、輕質(zhì)耐火混凝土或鋼絲網(wǎng)膜耐火砂漿等。其優(yōu)點是取材方便，價格低廉，表面強度高，耐沖擊，對施工技術(shù)要求不高，但比較笨重。

2.阻熱法：構(gòu)件表面設(shè)置一層保溫材料，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保溫材料，再由保溫材料傳給構(gòu)件。由于所選保溫材料導熱系數(shù)均較小，能截斷或阻滯熱流向構(gòu)件的傳輸，使構(gòu)件在規(guī)定的時間內(nèi)溫升不超過臨界溫度而起到保護作用。

3.導熱法：就是在空心封閉截面中（主要是柱）充水，火災(zāi)時構(gòu)件把吸收的熱量傳給水，依靠水的蒸發(fā)消耗熱量或通過循環(huán)把熱量導走，構(gòu)件的溫度可維持在100℃左右。使構(gòu)架溫度不至于升高到臨界溫度，從而起到保護作用。這種方法在實際應(yīng)用中很難做得到，也不適用于室外鋼結(jié)構(gòu)。

4. 噴涂法：用噴涂器具將防火涂料直接噴涂在構(gòu)件表面，發(fā)生火災(zāi)時能形成耐火保護層，起到保護作用。

噴涂法與前面三種方法相比，具有施工方便、重量輕、造價低、不受構(gòu)件幾何形狀限制等優(yōu)點，目前筆者所在的大型化工企業(yè)建筑室外鋼結(jié)構(gòu)都采用此方法。

（三）鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的防火原理

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂覆在鋼基材表面，可有效進行防火隔熱保護，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫而失去強度，撓曲變形塌落。其防火原理是：

1. 涂層對鋼基材起屏蔽作用，使鋼構(gòu)件不至于直接暴露在火焰高溫中。

2．涂層吸熱后部分物質(zhì)分解出水蒸汽或其他不燃氣體，起到消耗熱量、降低火焰溫度和燃燒速度、稀釋氧氣的作用。

3. 涂層本身多孔輕質(zhì)和受熱后形成炭化泡沫層，阻止了熱量迅速向鋼基材傳遞，推遲了鋼基材強度的降低從而提高了鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限。

（四）鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類及特點

1．鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的分類方法很多，按照所使用的粘結(jié)劑的不同可分為有機防火涂料和無機防火涂料兩類。有機防火涂料又可分為膨脹型和非膨脹型兩類；無機防火涂料為非膨脹型。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料按照涂層厚度分為厚型防火涂料(H類)、薄型（B類）和超薄型（CB類）。

2．鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的特點

厚型（H類）：涂層厚度一般為8～50mm，也稱作隔熱防火涂料，屬非膨脹型防火涂料，由無機粘結(jié)劑（如耐火水泥、磷酸鋁鹽、硅溶膠等或難燃樹脂）、無機輕質(zhì)絕熱骨料材料（如膨脹蛭石、珍珠巖、粉煤灰、礦物纖維等）、增強材料（如硅酸纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、巖棉等）和阻燃劑等組成。該涂料在火災(zāi)中利用材料的不燃性，低導熱性、或涂層中材料的吸熱性，以及材料的粒狀表面、低密度，涂覆于鋼結(jié)構(gòu)表面，隔絕空氣，并能隔熱和阻止火源入侵基材。含有機物質(zhì)的非膨脹型防火涂料，受熱分解釋放出惰性氣體氮氣等，可阻止燃燒或延緩火勢蔓延。此類防火涂料的耐火時間與涂層厚度有關(guān)，涂層越厚，耐火時間越長。此類防火涂料的耐火時間長，耐老化，兼具抗凍、保溫、吸聲性，價廉。耐火極限為1.5～3h。

薄型（B類）:涂層厚度一般為3～7mm，屬膨脹型防火涂料，主要由粘結(jié)劑、脫水（膨脹）催化劑、成碳劑、發(fā)泡劑、填料及改性劑等組成為一個協(xié)調(diào)的防火體系，在一定溫度下，催化劑首先分解生成碳、水及二氧化碳、無機酸等；成碳劑在脫水催化劑作用下，形成具有三維空間結(jié)構(gòu)的泡沫炭化層骨架；發(fā)泡劑的分解過程為吸熱反應(yīng)，可消耗大量熱量，降低燃燒溫度，分解出惰性氣體氮氣、氨氣等，它們覆蓋于鋼結(jié)構(gòu)表面起隔絕空氣作用。另一方面它使炭化層骨架厚度急劇膨脹幾十倍甚至上百倍，形成發(fā)泡海綿狀隔熱層，這一系列連鎖效應(yīng)有利于阻止氧化反應(yīng)，降低環(huán)境溫度，延緩熱量傳遞，從而達到防火效果。此類防火涂料涂層粘結(jié)力強、抗振動和撓曲性好，涂層薄，單位面積用量小，重量輕，工程總費用低，防火功能強，裝飾效果好，是防火涂料的發(fā)展方向。樹脂防火涂料成膜性好，防水、有光澤，外觀裝飾性好，涂膜粘結(jié)力高，有一定的抗腐蝕作用，對鋼材的保護性好，用汽油作溶劑。耐火極限可達0.5～2h。

超薄型（CB類）：涂層厚度一般小于3mm，是在薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。選擇對鋼材基面有較好粘結(jié)力的樹脂作為該類涂料的成膜物質(zhì)，并且選擇有較好的阻燃性能的阻燃材料，與樹脂能夠匹配。受火時緩慢膨脹發(fā)泡形成致密堅硬的防火隔熱層，具有很強的耐火沖擊性，延緩鋼材溫升，從而保護鋼構(gòu)件。該涂料具有粘結(jié)度高、耐候耐水性好、流平性及美觀性較好，涂層超薄，工程總費用低。也是鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的發(fā)展方向。耐火極限最高為1.5 h以上。

（五）石化企業(yè)特點

1．石化企業(yè)生產(chǎn)特點。筆者所在石化企業(yè)單位的幾大生產(chǎn)裝置如乙二醇、丙烯睛、乙醛、聚乙烯醇等生產(chǎn)的原料、生產(chǎn)產(chǎn)品及中間產(chǎn)品大多為易燃易爆物品，且有毒有害，這些物品或呈酸性、或呈堿性，故生產(chǎn)裝置都為室外鋼結(jié)構(gòu)敞開式布置。防火涂料不管在施工中還是應(yīng)用中都不能釋放出易燃易爆及有毒有害氣體。

2．石化企業(yè)室外鋼結(jié)構(gòu)環(huán)境特點。石油化工企業(yè)具有易燃易爆特性，還有酸、堿等介質(zhì)的腐蝕，環(huán)境條件苛刻，室外鋼結(jié)構(gòu)還要經(jīng)受熱曬寒凍，風吹雨打，保護層容易老化、開裂、起殼、脫落等，因此鋼結(jié)構(gòu)的防火要求要綜合考慮其耐火、耐水、防凍、防腐、抗裂、粘結(jié)性、附著力、耐久、耐候性等多種因素。

3. 石化企業(yè)火災(zāi)特點。大量的實驗研究和火災(zāi)事例表明，處于火災(zāi)高溫下的不加任何保護的裸露鋼結(jié)構(gòu)在15分鐘左右即失去承載力發(fā)生倒塌破壞。而石化企業(yè)火災(zāi)屬于烴類火災(zāi)，烴類火災(zāi)與建筑火災(zāi)的主要區(qū)別是升溫曲線不同，建筑火災(zāi)30分鐘火焰溫度達到700℃～800℃，而烴類火災(zāi)升溫速度快，10分鐘溫度達到1000℃。烴類火一般比纖維素火更猛烈（見圖1）。

國外許多國家如美國、英國、荷蘭等國的研究單位，已分別制定了不同的烴類火升溫曲線，上述升溫曲線的數(shù)據(jù)比較如表1[1]。從該表看出，烴類火的溫升要比標準火快得多，10min時大約為標準火溫升的1.48～1.82倍，90min時大約為標準火溫升的1.17～1.32倍。

綜上所述，石化企業(yè)室外鋼結(jié)構(gòu)必須選擇具有不燃性，良好的絕緣性、抗開裂、粘結(jié)度強、耐候性強、耐潮濕、耐凍融、耐腐蝕、耐酸堿，隔熱性好、抗老化、耐火時間長，在施工中及應(yīng)用中都不能釋放有毒有害氣體，即具有無毒、無臭等優(yōu)良的理化性能的防火涂料——厚型防火涂料。

二、厚型防火涂料應(yīng)用實例

（一）厚型防火涂料的優(yōu)點

筆者參加的一個石化企業(yè)室外鋼結(jié)構(gòu)防火批覆項目，鋼結(jié)構(gòu)建筑物耐火等級為二級，耐火極限不小于2小時。采用的是LG室外厚涂型防火涂料，該涂料由粘結(jié)劑硅酸鹽、耐火水泥，無機隔熱輕質(zhì)材料珍珠巖，增強材料硅酸鋁纖維等加自來水混合而成。

施工方法：（1）構(gòu)件表面作銹處理，并除去污塵，可直接在上面用底膠打底；（2）表面打底：打底時采用手提式噴槍，厚度為1～2 m m，打底層基本均勻即可；（3）底料配置：按專用膠：LG涂料:水=1:3:2.1左右配置，（用水量略有調(diào)節(jié)以適和噴涂）。（4）防火涂料拌和：涂料系粉狀混合物，在低速攪拌機中摻加適量自來水拌和成厚漿狀，攪拌時間為5～10min，不得過快，拌勻即可。拌和比例：LG涂料：水=1:0.86 （5）涂層厚度：一般情況下，每次涂料厚度控制在5～10m m，二次涂抹間隔時間為24 h。

該涂料具有粘結(jié)性較好，強度較高，因不含有機物且溶劑為水，故無毒無刺激氣味，干燥固化快，施工方便等優(yōu)點。技術(shù)性能見表2：

（二）厚型防火涂料的缺點

厚型防火涂料的不足之處：涂層厚增加了自身重量，也增加了結(jié)構(gòu)的負重，不僅影響建筑外觀，而且影響外包層與基層的粘結(jié)強度，歷經(jīng)風吹雨淋，容易開裂，脫落、起殼、水汽易進入，不僅增加了腐蝕性而且很大地影響了防火效果。涂層厚，涂料用量增加，使得工程總造價增加。沒有幾年就出現(xiàn)開裂、脫落（目前仍是石化、石油行業(yè)存在的一個老大難問題），維修工作量增加，并導致費用增加。

三、新型的薄型、超薄型綠色環(huán)保型防火涂料

近年來，隨著涂料技術(shù)的不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料工業(yè)正在朝提高涂膜質(zhì)量、方便施工、節(jié)省資源、節(jié)省能源和適應(yīng)環(huán)境方向努力，產(chǎn)品朝著薄型、超薄型、綠色環(huán)保型、裝飾性、耐候性的方向發(fā)展，在提高鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的理化性能、防火性能、裝飾性能，降低成本等方面進行開發(fā)。國內(nèi)外市場上現(xiàn)有的薄型、超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料產(chǎn)品普遍存在的問題是：耐火極限較厚型涂料低；主要組分為有機材料，耐老化、耐久性較差；施工時氣味大，遇火時可能會釋放出濃煙及有害氣體；影響了其室外應(yīng)用。

（一）環(huán)氧膨脹型防火涂料

國外涂料公司紛紛開發(fā)研究生產(chǎn)環(huán)氧膨脹型防火涂料，這是因為：（1）環(huán)氧膨脹型防火涂料與厚型防火涂料相比表面更光滑，表面不易產(chǎn)生灰塵，易清潔；（2）膨脹涂料的涂膜比厚型的薄得多，占用空間??；（3）膨脹涂料使用更方便；（4）膨脹涂料的裝飾性更好；（5）膨脹涂料對機械撞擊沒有厚型防火涂料敏感。目前國外厚型防火涂料幾乎完全被環(huán)氧防火涂料取代，特別是在石化、石油等領(lǐng)域。

環(huán)氧樹脂作為防火涂料的成膜物有許多優(yōu)點：

（1）作為膨脹型防火涂料的成炭劑（碳源），成炭劑是形成三維空間結(jié)構(gòu)不易燃的泡沫炭化層的物質(zhì)基礎(chǔ)，對泡沫炭化層起著骨架的作用，也可以與脫水催化劑反應(yīng)生成多孔結(jié)構(gòu)的炭化層。

（2）目前國內(nèi)在室外所使用的膨脹型防火涂料的有些活性成分即阻燃成分在潮濕的環(huán)境條件下會慢慢析出，影響了防火效果，而環(huán)氧樹脂由于其優(yōu)異的封閉性，阻燃成分不會遷移到涂層面，因此其防火性能受時間和環(huán)境的影響較小。

（3）環(huán)氧樹脂的流動性好，有粘接力強，機械強度高的特性。固化后的環(huán)氧樹脂，具有優(yōu)良的耐化學腐蝕性、耐熱性、耐酸堿及良好的電絕緣性，因而用它來配制的防火涂料具有優(yōu)良的附著力、防腐蝕性和機械強度。特別是在發(fā)生烴類火災(zāi)時，常伴隨有爆炸發(fā)生，環(huán)氧樹脂防火涂料都能保持完好并粘附在基材上，針對爆炸和烴類火具有優(yōu)異的防護功能。較傳統(tǒng)膨脹型防火涂料更適用于石化、石油企業(yè)[2]。國外在室外或潮濕環(huán)境下大多采用環(huán)氧類防火涂料，對抗損傷、抗破壞要求較高的，有潛在爆炸危險的建筑鋼結(jié)構(gòu)，特別是在有烴類火災(zāi)危險的鋼結(jié)構(gòu)中廣泛采用。

如果我國的環(huán)氧防火涂料開發(fā)成功，早日投入市場，就可改變國內(nèi)以昂貴的價格購買國外環(huán)氧類防火涂料的現(xiàn)狀。該類涂料在石化企業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

（二）納米防火涂料

根據(jù)有關(guān)報道，國內(nèi)一家科研所正在進行專項“無害環(huán)保型涂料研究”，準備2010年投入市場。這種涂料也稱為“零VOC納米涂料”，所謂VOC，就是涂料中的揮發(fā)性有機化合物，當它們在空氣中達到一定濃度時，就會對人體產(chǎn)生影響，甚至會致癌、致突變。因此，降低涂料中的VOC是提高其環(huán)保性能的重要指標。納米涂料的奧秘在于，它的原料——乳液的顆粒直徑小于100納米，這就改變了乳液的性狀，在合成涂料過程中，不需要在乳液中加入含VOC的助劑。涂料中VOC的主要來源就是乳液助劑，現(xiàn)在不必添加它們，而實現(xiàn)了VOC的零排放。甲醛也是涂料中危害人體健康的成分，乳液中的氮-羥甲基丙烯胺成分會釋放甲醛，這種成分和助劑一樣，雖然有害，但在以往的涂料生產(chǎn)過程中是不可缺少的。經(jīng)過科研人員的努力，納米涂料成功擺脫了甲醛。

可見該涂料中的關(guān)鍵技術(shù)均是由于納米材料的特性形成的，納米材料的成功改性并復合成涂料是本項目的關(guān)鍵所在，一旦項目研究投入大批量生產(chǎn)，預示納米材料在克服目前室外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的不足之處，為今后防火涂料的應(yīng)用又提供了一個新的選擇。

對于石化室外鋼結(jié)構(gòu)防火涂料而言，采用新型涂料，不僅有更好的耐火性能，而且由于減少涂層厚度而減輕自重，降低脫落幾率，增加了耐久性，從而大大減少工程總造價及維修費用。

四、結(jié)語

由于石化企業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境特點，以及易發(fā)生烴類火災(zāi)故對石化企業(yè)室外鋼結(jié)構(gòu)必須進行防火保護，目前必須選用厚型無機防火涂料。但隨著薄型、超薄型、環(huán)保型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的開發(fā)研究生產(chǎn)，必定會給石化企業(yè)室外鋼結(jié)構(gòu)帶來更有效、更友好、更節(jié)能的新型防火涂料。

參考文獻

[1]陳樹棕．石化企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的選用[J]．石油工程建設(shè)．

[2]王華進，王丹，等．無溶劑環(huán)氧膨脹型防火涂料及其制備方法[P]．