海洋平臺結(jié)構(gòu)被動(dòng)防火設(shè)計(jì)方法與實(shí)際應(yīng)用研究

田 凱，李 杰，藍(lán) 天，楊益涵

1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司工程設(shè)計(jì)院，北京 100028

2.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司海工事業(yè)部，山東青島 266580

海洋石油平臺遠(yuǎn)離陸地且在狹小的空間內(nèi)布置有大量的油氣管道，一旦發(fā)生火災(zāi)，容易造成災(zāi)難性的后果。在海洋石油平臺上發(fā)生的各種可能事故中，井噴、泄漏、船舶撞擊、直升機(jī)事故等都有可能引起火災(zāi)[1]。

隨著海上油田作業(yè)者對平臺火災(zāi)問題重視程度的不斷增強(qiáng)，被動(dòng)防火設(shè)計(jì)變得越來越重要。與主動(dòng)防火系統(tǒng)需要外部激勵(lì)才能啟動(dòng)不同，在突發(fā)火災(zāi)的情況下，以防火涂料為代表的被動(dòng)防火保護(hù)（Passive Fire Protection，PFP） 可以自動(dòng)保護(hù)結(jié)構(gòu)完整性，從而為船上人員提供足夠的緩沖時(shí)間進(jìn)行自救。但在平臺上全面采用防火涂層設(shè)計(jì)成本太高，如在蓬萊19-3平臺項(xiàng)目中，1 m2防火漆的成本就達(dá)到了2 000元[2]。因此需要合理的設(shè)計(jì)以使成本和安全性達(dá)到平衡。

我國至今沒有海洋工程鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的專用國家標(biāo)準(zhǔn)，目前的防火設(shè)計(jì)主要按照《國際海上人命安全共約》（SOLAS）和《海上固定平臺安全規(guī)則》采用A級防火分隔。但根據(jù)海洋平臺的特點(diǎn)，還需要考慮對應(yīng)池火的H級防火分隔，和對應(yīng)噴射火的J級防火分隔。特別是噴射火的熱輻射強(qiáng)度比池火更大，并且由于噴射火具有沖擊作用，因而噴淋系統(tǒng)的作用可能有限[3]。

在工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)公司多在規(guī)格書中要求對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、逃生通道、緊急關(guān)斷閥支撐結(jié)構(gòu)、救生艇支撐結(jié)構(gòu)等區(qū)域默認(rèn)采用被動(dòng)防火涂層，并綜合考慮結(jié)構(gòu)承重、截面因子、耐火級別等參數(shù)，以確定涂層厚度。這樣的設(shè)計(jì)在保證安全的同時(shí)也提高了項(xiàng)目成本。

為了達(dá)到兼顧安全與經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)，本文對海洋平臺結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，根據(jù)火災(zāi)類別和高溫下鋼材的熱工參數(shù)[4-5]，應(yīng)用有限元軟件分析平臺熱傳導(dǎo)和熱膨脹導(dǎo)致的熱應(yīng)力，進(jìn)而評估耐火涂層對結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用，達(dá)到了降本增效的目的，其經(jīng)驗(yàn)可供同業(yè)人員設(shè)計(jì)借鑒。

1 被動(dòng)防火設(shè)計(jì)方法

在工程實(shí)踐中，通常依據(jù)API RP 2FB[6]進(jìn)行被動(dòng)防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其主要包括三個(gè)步驟：篩選分析、線性強(qiáng)度分析、非線性延性分析。分析流程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)被動(dòng)防火設(shè)計(jì)流程

篩選分析初步研究了各火情場景。如果認(rèn)為火情可能對結(jié)構(gòu)造成較大影響，就進(jìn)行下一步的線性強(qiáng)度分析或非線性延性分析。

篩選分析是最初步的分析。由于火災(zāi)造成的溫度荷載可以作為意外荷載考慮，因而分析中結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力可以達(dá)到其屈服強(qiáng)度。如果以0.2%應(yīng)變對應(yīng)的S355屈服強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)桿件的最高允許溫度為400℃[7]。通過分析環(huán)境溫度的變化和熱源的分布可以得到每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)中達(dá)到的最高溫度。如果某個(gè)火災(zāi)場景中存在超過溫度允許值的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，就需要進(jìn)行下一步分析。

線性強(qiáng)度分析同時(shí)考慮溫度荷載和鋼材力學(xué)性能在高溫下的變化，即在分析中使用折減后的剛度和屈服強(qiáng)度。其折減系數(shù)與構(gòu)件最高溫度的關(guān)系如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件最高溫度與許用應(yīng)力折減系數(shù)

如果在線性強(qiáng)度分析中發(fā)現(xiàn)失效構(gòu)件，就需要進(jìn)行非線性延性分析。分析中允許出現(xiàn)桿件失效和荷載重分布，通過時(shí)域分析得到結(jié)構(gòu)的最大承載能力。最終平臺結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：第一，任何防爆墻和防火墻都應(yīng)留在原處，不會出現(xiàn)破裂或支撐損壞；第二，保證安全關(guān)鍵要素不受影響，例如關(guān)鍵設(shè)備關(guān)斷、人員保護(hù)和逃生、火情控制、通信以及阻止油氣逸散；第三，歸類為關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)單元不應(yīng)出現(xiàn)屈服；第四，整體結(jié)構(gòu)的完整性應(yīng)一直保持到火災(zāi)結(jié)束；第五，防止局部屈曲；第六，結(jié)構(gòu)的變形不能導(dǎo)致關(guān)鍵設(shè)備和管道支撐的損壞。

2 項(xiàng)目實(shí)例

以某海洋平臺項(xiàng)目為例，該平臺上部組塊尺寸為21 m×24.5 m，包含四個(gè)水平層及16個(gè)井口槽。在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了防火區(qū)劃分，并設(shè)置了水消防系統(tǒng)和二氧化碳?xì)怏w滅火系統(tǒng)。平臺經(jīng)過篩選分析發(fā)現(xiàn)：中層甲板A軸附近處600 m3儲罐有較大概率發(fā)生加注過量引起泄漏，形成油面后引燃，造成池火火情。初始溫度設(shè)為20℃，最高溫度可達(dá)到800℃。在線性強(qiáng)度分析中，鋼材的彈性模量、比熱容、線膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)等隨溫度變化的非線性特性按照Eurocode 3規(guī)范取值。暫不考慮環(huán)境荷載作用和構(gòu)件防火保護(hù)層。首先，使用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，選擇合適的分析單元并合理規(guī)劃網(wǎng)格密度，得到平臺結(jié)構(gòu)的整體溫度場分布如圖2（a） 所示。將熱傳導(dǎo)分析的結(jié)果作為初始溫度場進(jìn)行線性強(qiáng)度分析，得到的熱應(yīng)力分布如圖2（b）所示。在沒有結(jié)構(gòu)防火層保護(hù)的情況下，僅熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的熱應(yīng)力就會使結(jié)構(gòu)本身達(dá)到屈服；如果考慮鋼材彈性模量和屈服強(qiáng)度隨溫度升高而降低的影響，結(jié)構(gòu)整體失效將不可避免。

如果按照H120級設(shè)計(jì)被動(dòng)防火涂層，則在120 min內(nèi)被保護(hù)鋼材基材溫度平均升高不超過140℃，此時(shí)平臺結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場及熱應(yīng)力分布如圖3所示，即此時(shí)結(jié)構(gòu)可以保持整體穩(wěn)定和強(qiáng)度，從而確保人員撤離或進(jìn)行其他操作。

圖2 儲罐火災(zāi)發(fā)生時(shí)平臺溫度場及熱應(yīng)力分布

圖3 采用被動(dòng)防火涂層后的平臺溫度場及熱應(yīng)力分布

3 結(jié)束語

海洋石油平臺屬于火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。為了保證人員逃生和減少損失，平臺結(jié)構(gòu)必須在火災(zāi)中保持功能的完整性。目前國內(nèi)規(guī)范對于火災(zāi)下海工結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的要求較為模糊，工程實(shí)踐中需要綜合考慮成本的影響。本文探討了進(jìn)行結(jié)構(gòu)被動(dòng)防火設(shè)計(jì)的流程和方法，評估了受火災(zāi)影響的構(gòu)件膨脹、變形以及產(chǎn)生的熱應(yīng)力，研究成果有助于選擇合適的耐火等級及涂料厚度，以保護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。