自升式海洋平臺(tái)的防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李慶寧

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶工程系,湖北武漢 430050)

火災(zāi)對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成的破壞、對(duì)環(huán)境帶來(lái)的污染、對(duì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)的影響都是不可估量的。近海鉆井平臺(tái)的火災(zāi)主要由井噴引起,據(jù)國(guó)際鉆井承包協(xié)會(huì)從11家公司調(diào)查后提供的報(bào)告,在172個(gè)井架中共發(fā)生了井噴53次,有8次形成火災(zāi),火災(zāi)頻率比油船高,更遠(yuǎn)比客船、貨船高[1]?；馂?zāi)一旦發(fā)生,在海上較陸上難以撲救,損失大、危害大,油氣燃燒所產(chǎn)生的高溫將很快引起海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)失效,給整個(gè)海洋平臺(tái)及人員的安全造成極大危害。鋼結(jié)構(gòu)海洋平臺(tái)的防火分為主動(dòng)式防火和被動(dòng)式防火,其中被動(dòng)式防火主要是通過(guò)燃燒時(shí)具有防火隔熱作用的非金屬防火,延遲和減緩火災(zāi)對(duì)海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)、防火分隔以及其它重要設(shè)備的破壞和危害,使得人員的安全能夠得到最大保障。本文介紹了某自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例。

1 防火等級(jí)

海洋平臺(tái)防火類(lèi)別包含了兩層意義:一是防火試驗(yàn)所模擬的火災(zāi)燃燒的類(lèi)型;二是在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)不遭受破壞,同時(shí)在規(guī)定的一個(gè)臨界極限溫度下能持續(xù)的時(shí)間。

1.1 防火試驗(yàn)的類(lèi)型

針對(duì)海洋平臺(tái)的防火試驗(yàn)有3種類(lèi)型:

1)“A”級(jí)標(biāo)準(zhǔn)防火試驗(yàn),這種燃燒升溫是模擬棉制品、紙張、木材在燃燒時(shí)的溫度變化而作出的時(shí)間溫度曲線。這種防火試驗(yàn)溫度上升比較緩慢,在第60 min時(shí)的溫度比原始溫度增加925℃。

2)“H”級(jí)碳?xì)浠鸱阑鹪囼?yàn),H級(jí)主要特點(diǎn)是熱源強(qiáng)度高、溫度上升快,可達(dá)1100℃。目前主要有三種類(lèi)型:H-60、H-120和H-0。H 級(jí)定義為:①以鋼或其它等效材料制造;②有適當(dāng)?shù)姆罁喜募訌?qiáng);③結(jié)構(gòu)在1 h的標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)結(jié)束時(shí),能防止煙及火焰通過(guò);④采用認(rèn)可的不燃材料隔熱,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)(H-60為60 min,H-120為120 m in,與原始溫度相比,背火面的平均溫度增高不超過(guò)139℃,包括接頭在內(nèi)的任何一點(diǎn)溫度的增高不會(huì)超高180℃。

3)“J”級(jí)噴射火防火試驗(yàn),是由泄漏的高壓碳?xì)錃鈩×胰紵纬蓢娚浠?這種燃燒在數(shù)分鐘內(nèi)溫度可達(dá)到 1200～1300℃[2,3]?！癑”級(jí)噴射火防火試驗(yàn)是由于發(fā)生在1988年 Piper A lpha海洋平臺(tái)的火災(zāi)后而研究得出的防火試驗(yàn)方法[4]。英國(guó)從1990年開(kāi)始實(shí)施,并逐步在其它國(guó)家的海洋平臺(tái)上應(yīng)用。

1.2 防火結(jié)構(gòu)持續(xù)的時(shí)間

海洋平臺(tái)的防火結(jié)構(gòu)在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)不遭受破壞,同時(shí)在規(guī)定的一個(gè)臨界極限溫度下能持續(xù)的時(shí)間。如在60 min內(nèi)不超過(guò)所規(guī)定的溫度,即稱(chēng)作60級(jí)。把防火試驗(yàn)類(lèi)型和防火時(shí)間結(jié)合起來(lái)就是一個(gè)完整的防火等級(jí),如“H 120”級(jí)即表示為在碳?xì)浠鹑紵姆阑鹪囼?yàn)條件下,防火結(jié)構(gòu)能在120 min內(nèi)不超過(guò)所規(guī)定的臨界溫度。

2 防火設(shè)計(jì)

2.1 防火分隔區(qū)域的劃分

按照《1974年國(guó)際海上人命安全公約1981年修正案》的規(guī)定,防火分隔區(qū)域的劃分為:該海洋平臺(tái)的通用機(jī)械區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)相鄰接的區(qū)域,其艙壁防火分隔標(biāo)準(zhǔn)為A-60級(jí);通用機(jī)械區(qū)與生活區(qū)相鄰接,艙壁防火分隔為A-60級(jí);應(yīng)急電源間及消防泵間與其他機(jī)器處所相鄰,艙壁防火分隔為A-60級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。圖1為機(jī)械甲板主機(jī)艙與機(jī)器處所防火分隔圖,其相鄰的艙壁防火分隔為A-60級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 機(jī)械甲板防火分隔圖

2.2 防火隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料的應(yīng)用

將防火材料作為近海鉆井平臺(tái)的上層建筑的主要內(nèi)裝材料,從根本上增強(qiáng)近海鉆井平臺(tái)的防火能力,保證了海上人命安全。常用的防火隔熱材料有:水泥蛭石涂層、膨脹型涂層、升華型涂層、巖棉、可溶性硅酸鋁纖維、硅酸鈣板。硅酸鋁纖維具有優(yōu)異的防火性能,可承受1260℃的高溫,非常適合用作“H”級(jí)、“A”級(jí)防火分隔的絕熱材料。

該海洋平臺(tái)主要使用硅酸鋁纖維硬氈、硅酸鋁纖維軟氈作防火材料,巖棉作為隔熱隔音材料。機(jī)械甲板A-60級(jí)艙壁防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖2,鋼質(zhì)艙壁鋪設(shè)厚度為40 mm(兩層20 mm+20 mm)的硅酸鋁纖維硬氈,密度 170 kg/m3,見(jiàn)圖2中①;艙壁扶強(qiáng)材包覆厚度為40 mm(兩層20 mm+20 mm)硅酸鋁纖維軟氈,密度170 kg/m3,見(jiàn)圖2中②;用射釘型絕緣碰釘固定,射釘密度在12～16枚/m2,見(jiàn)圖2中③,用厚度(38 mm+50 mm)、容重為128kg/m3再加上厚度38mm、容重為96kg/m3的硅酸鋁纖維貼覆在艙壁鋼板上并用碰釘固定,可以用作為“H 120”級(jí)的防火分隔。

圖2 艙壁防火結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)圖

機(jī)械甲板A-60級(jí)防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)圖見(jiàn)圖3,鋼質(zhì)甲板鋪設(shè)厚度為30 mm的硅酸鋁纖維硬氈,密度170 kg/m3,見(jiàn)圖3中 ①;甲板加強(qiáng)材包覆厚度為30 mm的硅酸鋁纖維軟氈,密度170 kg/m3,見(jiàn)圖3中②;用射釘型絕緣碰釘固定,射釘密度在12～16枚/m2,見(jiàn)圖3中③。

圖3 甲板防火結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)圖

該海洋平臺(tái)設(shè)A-60防火絕緣的甲板和艙壁,遇到與其相交的艙壁或甲板時(shí),為防止導(dǎo)熱的危險(xiǎn),在結(jié)構(gòu)交接點(diǎn)和終止點(diǎn)處,所設(shè)防火絕緣結(jié)構(gòu)延伸450 mm,如圖4(a)(b)所示。設(shè)巖棉隔熱隔音絕緣的甲板和艙壁,當(dāng)遇到與其相交的艙壁或甲板時(shí),在結(jié)構(gòu)交接點(diǎn)和終止點(diǎn)處,所設(shè)絕緣延伸300 mm,如圖5所示。由于海洋平臺(tái)上肋骨間距種類(lèi)繁多,實(shí)船施工時(shí)需要注意選擇合適寬度的絕緣,減少切割。所有絕緣切割口使用玻璃纖維布粘貼妥當(dāng)。

圖4 防火絕緣節(jié)點(diǎn)圖

圖5 甲板、艙壁隔音隔熱絕緣節(jié)點(diǎn)圖

2.3 防火材料使用的基本要求

用于海洋平臺(tái)上的防火材料,還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):[5]

1)所使用的防火材料要在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場(chǎng)合下容易施工。

2)所使用的防火材料無(wú)論是在施工前、在施工時(shí)還是在施工完成后都不能對(duì)人體有危害。

3)所使用的防火材料應(yīng)具有長(zhǎng)效性,能長(zhǎng)期處在海洋環(huán)境下而不減弱防火效果。

4)所使用的防火材料應(yīng)容易進(jìn)行維護(hù)和修補(bǔ)。

3 防火涂料

防火涂料能降低可燃基材火焰?zhèn)鞑ニ俾驶蛳牡囊歼^(guò)程,通過(guò)阻止熱量向可燃基材傳遞而推遲結(jié)構(gòu)構(gòu)件失穩(wěn)及力學(xué)性能降低的涂料。

3.1 防火涂料的應(yīng)用

1)升華型涂料應(yīng)用在海洋平臺(tái)對(duì)承重結(jié)構(gòu)和油氣存儲(chǔ)設(shè)施的防火上。涂層在遇到火燃燒時(shí),會(huì)吸熱從固態(tài)直接升華為氣態(tài),升華時(shí)會(huì)吸收大量熱量,并形成氣體從燃燒熱量相反的方向散發(fā),從而起到阻礙熱量傳遞的作用。涂6 mm厚的升華型涂料,可達(dá)到“J60”的防火等級(jí)。

2)海洋平臺(tái)排煙管采用鋁色、半光有機(jī)硅丙烯酸樹(shù)脂耐高溫漆。該漆耐高溫可達(dá)350℃,可廣泛地與有機(jī)和無(wú)機(jī)鋅底漆相配,具有優(yōu)異的耐候性,易于清潔。噴涂前,鋼材表面噴砂處理達(dá)到ISO標(biāo)準(zhǔn)Sa2.5級(jí)或Sa3級(jí),鋼材表面溫度至少高于露點(diǎn)3℃。耐高溫漆涂裝方式可采用高壓無(wú)氣噴涂和有氣噴涂,修飾及局部修補(bǔ)才可以采用刷涂或輥涂。高壓無(wú)氣噴涂選擇噴咀孔徑0.38 mm～0.48 mm,噴出壓力 12 M Pa～15 MPa。有氣噴涂噴咀孔徑 1.5 mm～2 mm,噴出壓力0.3MPa～0.4 MPa。油漆干膜厚度30μm,油漆表干時(shí)間1～2 h,覆涂最小間隔18 h,最大間隔無(wú)限制。該漆是溶劑型涂料,必須避免吸入漆霧和溶劑,涂裝時(shí)盡量不使皮膚和眼睛暴露。

4 結(jié) 語(yǔ)

海洋平臺(tái)在我國(guó)具有廣闊的前景,為了預(yù)防火災(zāi)以及在火災(zāi)后能有效地阻止火災(zāi)蔓延,應(yīng)嚴(yán)格遵守有關(guān)“公約”和“規(guī)范”的防火規(guī)定,做好防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用防火材料、防火涂料,結(jié)合探火和滅火設(shè)計(jì),使海洋平臺(tái)具有理想的防火控制能力,最大限度地保證人員和設(shè)施的安全。今后應(yīng)著重研究開(kāi)發(fā)更新型和先進(jìn)的防火材料,如輕質(zhì)高效的絕熱材料,減少防火分隔的絕熱層厚度和減輕絕熱層重量。在環(huán)保要求越來(lái)越高的海上作業(yè)環(huán)境中,如何應(yīng)用無(wú)毒不燃同時(shí)效率又高的防火涂料,是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

1 周宗儀.船舶消防[M].大連:大連海運(yùn)學(xué)院出版社,1990,1:23.

2 A Selby,B A Burgan.Blast and Fire Engineering for Topside Structures-Phase 2,Final Summary Report[R].The Steel Construction Institute,UK,SCIPublication No 253,1998.

3 David Galb raith,Ed Terry.Fire and explosion guidance(Part 2:Avoidance and m itigation of fires)[R].HSE Document 152-RP-48.Scotland 2006.

4 The Jet Fire Test W orking Group.Jet-fire Resistance Test of Passive Fire Protection Materials[R].London:Health and Safety Executive OTI 95 634,1992.