化工裝置鋼結(jié)構(gòu)防火涂裝淺析

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

鋼結(jié)構(gòu)常用于空間高大、有較大振動、施工進(jìn)度要求高的建、構(gòu)筑物中，其具有質(zhì)量輕、強度高、可塑性好、抗震佳、可工廠化生產(chǎn)、建設(shè)速度快等顯著優(yōu)點?；ぱb置因其行業(yè)特點，常大量使用鋼結(jié)構(gòu)，例如合成氨壓縮廠房、備品備件庫、氣化框架、管廊架等建構(gòu)筑物。

與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)存在耐火性和防腐性能較差等問題。無防火保護(hù)的鋼構(gòu)件，耐火極限通常為15min，難以達(dá)到規(guī)范要求，基本上都需進(jìn)行防火保護(hù)。在各類鋼結(jié)構(gòu)耐火保護(hù)材料中，防火涂料具有防火性能較好、施工方便、造價適中、工期短等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)。

筆者結(jié)合實際工程中遇到的問題，從鋼構(gòu)件耐火保護(hù)、防火涂料分類、防火涂層構(gòu)造做法等三個方面，對化工裝置鋼結(jié)構(gòu)的防火涂裝設(shè)計進(jìn)行探討和總結(jié)。

1 常用設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)項目嚴(yán)格按照國家相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，涉外項目則按照合同約定的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或業(yè)主認(rèn)可的定量風(fēng)險分析報告(Quantitative Risk Assessment)中的相關(guān)內(nèi)容執(zhí)行。本文針對國內(nèi)項目進(jìn)行探討。

(1)國內(nèi)項目常用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)如下：GB 50016—2014(2018年版)建筑設(shè)計防火規(guī)范，以下簡稱《建規(guī)》；GB 50160—2008(2018年版)石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)，以下簡稱《石化標(biāo)》；GB 51283—2020精細(xì)化工企業(yè)工程設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)，以下簡稱《精化標(biāo)》；GB 50229—2019火力發(fā)電廠與變電站設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)，以下簡稱《火標(biāo)》；GB 51428—2021煤化工工程設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)，以下簡稱《煤化標(biāo)》；SH/T 3017—2013石油化工建筑設(shè)計規(guī)范；SH/T 3196—2017石油化工企業(yè)建筑物分類標(biāo)準(zhǔn)

(2)常用鋼結(jié)構(gòu)防火涂裝技術(shù)規(guī)范如下：GB 51249—2017建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范；GB/T 51082—2015工業(yè)建筑涂裝設(shè)計規(guī)范；GB/T 50046—2018工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；GB 14907—2018鋼結(jié)構(gòu)防火涂料；T/CECS 24—2020鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程。

因SH3137—2013石油化工鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)技術(shù)規(guī)范尚未及時更新，某些地方與現(xiàn)行國家規(guī)范存在差異，目前僅作參考。

2 鋼構(gòu)件防火涂料分類

鋼構(gòu)件防火涂料種類劃分見表1。

表1 鋼構(gòu)件防火涂料分類

在實際工程中，通常按防火機理選用膨脹型和非膨脹型防火涂料，也是常說的薄涂型和厚涂型。采用膨脹型或非膨脹型防火涂料時，其涂層厚度、耐火時間的設(shè)計和驗收均采用國家檢測部門出具的型式檢驗報告作為依據(jù)。

耐火時間不超過2h的鋼構(gòu)件，多選用膨脹型防火涂料，其具有隔熱性能好、輕薄美觀、施工靈活、環(huán)境友好等優(yōu)點，但防火性能會隨使用年限的增長而衰減，需定期檢查、維護(hù)，及時補刷。

值得注意的是，石油化工企業(yè)的火災(zāi)絕大多數(shù)是烴類火災(zāi)，存在噴射火(Jet Fire)或爆炸風(fēng)險。在鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計時，甲、乙類工業(yè)建構(gòu)筑物，通常按Ft特種鋼結(jié)構(gòu)防火涂料選用。

膨脹型防火涂料依據(jù)成膜物質(zhì)，又可分為環(huán)氧類和非環(huán)氧類。其中，環(huán)氧類膨脹型防火涂料也可用于耐火極限>2h的鋼構(gòu)件，多用在烴類火災(zāi)場所。海洋工程及石化工程鋼結(jié)構(gòu)建筑，應(yīng)選用室外非膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料或室外環(huán)氧類膨脹型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料。

3 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火保護(hù)

3.1 建、構(gòu)筑物劃分

做防火設(shè)計時，建筑物按照《建規(guī)》執(zhí)行，構(gòu)筑物則按《石化標(biāo)》的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，這種做法目前基本得到各地圖審機構(gòu)的認(rèn)可。但長期以來，從業(yè)者對建筑物、構(gòu)筑物如何劃分比較困惑。例如，出現(xiàn)構(gòu)架局部做圍護(hù)或者建筑物與構(gòu)架疊加共建等情況，往往難以界定其類別。遇到這種情況，筆者的做法是，先按《石油化工企業(yè)建筑物分類標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，再具體情況具體分析。建、構(gòu)筑物分類標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 建、構(gòu)筑物分類標(biāo)準(zhǔn)

3.2 建筑物鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件

鋼構(gòu)建筑物的構(gòu)件設(shè)計耐火極限應(yīng)根據(jù)建筑的耐火等級，按現(xiàn)行建規(guī)GB 50016的規(guī)定確定(見表3)。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的防火保護(hù)應(yīng)與被連接構(gòu)件中防火保護(hù)要求最高者相同。

表3 鋼構(gòu)件的設(shè)計耐火極限 h

建筑物的耐火等級一般不低于二級。

表3中“墻”不是作為單一墻體材料考慮，而指整套鋼構(gòu)墻體體系，包括墻板、墻檁及墻檁支撐構(gòu)件三部分，所以“墻”的耐火極限，這三部分都應(yīng)達(dá)到要求。

(1)甲、乙類倉庫和高層倉庫，一、二級耐火等級的建筑，當(dāng)采用鋼結(jié)構(gòu)輕型板外墻時，墻板、外露的墻檁及墻檁支撐構(gòu)件的耐火極限，均按本表“非承重外墻”執(zhí)行。

(2)除甲、乙類倉庫和高層倉庫外，一、二級耐火等級的建筑，當(dāng)采用鋼結(jié)構(gòu)輕型板外墻時，可采用單層壓型鋼板或巖棉夾芯板的金屬外墻體系，其墻檁及墻檁支撐構(gòu)件，無需防火保護(hù)。

(3)樓梯間的隔墻和前室、防護(hù)門斗的墻，當(dāng)采用鋼結(jié)構(gòu)輕型墻板時，墻板、外露的墻檁及墻檁支撐構(gòu)件，均按本表“樓梯間隔墻”的2.00h執(zhí)行，且墻體不宜采用泄爆板材。

表3中的“樓板”指建筑物內(nèi)各樓層之間封閉的鋼樓板、壓型鋼板組合樓板等，但不包括設(shè)備平臺的樓板。對鏤空的鋼格柵板(格柵板透空率不應(yīng)低于50%)，耐火極限不作要求。

表3中“疏散樓梯”指建筑物的室內(nèi)疏散用鋼梯，如封閉梯間或開敞梯間里的鋼梯。室外疏散鋼梯則按《建規(guī)》相關(guān)條款執(zhí)行。但以下鋼梯可不做耐火保護(hù)：①設(shè)備平臺間的鋼梯；②用作丁、戊類廠房的第二安全出口的鋼梯；③丁、戊類高層廠房，每層工作平臺上人數(shù)不超過2人，且各層工作平臺同時工作人數(shù)總和不超過10人時，疏散采用敞開鋼梯。

需要防火保護(hù)的鋼板，如樓板、上人屋面板、樓梯平臺板和踏步板等，為防止踩踏磨損，一般在鋼板底部涂刷防火涂料。室外鋼梯平臺也可采用在鋼板上澆筑40mm厚的細(xì)石混凝土做防火保護(hù)。

3.3 構(gòu)筑物鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件

石油化工類的構(gòu)筑物嚴(yán)格按《石化標(biāo)》執(zhí)行。

以煤為原料的煤化工，除煤的運輸、儲存、處理等(按《火標(biāo)》執(zhí)行)外，后續(xù)加工過程與石油化工相同，按照《石化標(biāo)》和新發(fā)布的《煤化標(biāo)》相關(guān)條款執(zhí)行，需采取覆蓋防火保護(hù)的鋼構(gòu)件，其耐火極限不應(yīng)低于2h。

精細(xì)化工按《精化標(biāo)》8.1.6條規(guī)定，廠房內(nèi)設(shè)備構(gòu)架的承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)采用不燃燒體。當(dāng)可燃?xì)怏w、助燃?xì)怏w和甲、乙、丙類液體的設(shè)備承重構(gòu)架、支架、裙座及管廊(架)采用鋼結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采取耐火極限不低于2h的保護(hù)措施。

在判定構(gòu)筑物鋼構(gòu)件具體涂刷部件和范圍時，還需安全、工藝、管道布置與結(jié)構(gòu)等專業(yè)通力配合，并最終反饋到結(jié)構(gòu)圖中，以便施工。

3.4 建、構(gòu)筑物合建

對于主體結(jié)構(gòu)相對獨立的建、構(gòu)筑物，建筑物的鋼構(gòu)件防火，按《建規(guī)》相關(guān)要求執(zhí)行；建筑物內(nèi)部的設(shè)備平臺和設(shè)備支撐鋼構(gòu)件、與建筑物貼臨的外部鋼構(gòu)架，因其受火災(zāi)影響而破壞時，不會導(dǎo)致建筑物倒塌，防火涂刷范圍按《石化標(biāo)》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。其中，封閉樓面、屋面視同規(guī)范條款中的“地面”。

對于主體結(jié)構(gòu)一體化的合建型建、構(gòu)筑物，則需要具體分析，原則上從嚴(yán)執(zhí)行。

4 防火涂層構(gòu)造做法

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料不應(yīng)含有石棉及甲醛，不用苯類溶劑，施工干燥后應(yīng)無刺激氣味，燃燒時不應(yīng)產(chǎn)生濃煙和有害人身健康的氣體。

4.1 防火涂層構(gòu)造

4.1.1膨脹型防火涂層

膨脹型防火涂層的配套體系一般包含防腐蝕底涂層、防腐蝕中間涂層、防火涂層和防腐蝕面涂層。在弱、微腐蝕環(huán)境下，若防火涂層能夠滿足耐久性要求，除潮濕環(huán)境外，可不設(shè)防腐蝕面涂層。

4.1.2非膨脹型防火涂層

非膨脹型防火涂層配套體系一般包含防腐蝕底涂層、防腐蝕中間涂層、防火涂層，在強、中腐蝕環(huán)境下，應(yīng)設(shè)置防腐蝕面涂層。

非膨脹型防火涂層有下列情況之一者，宜在涂層與鋼構(gòu)件之間設(shè)置相連接的鍍鋅鋼絲網(wǎng)(宜采用直徑為φ0.5mm～φ1.5mm、網(wǎng)孔20mm×20mm～50mm×50mm的鍍鋅鋼絲網(wǎng))：①構(gòu)件承受沖擊、振動荷載；②防火涂料的粘結(jié)強度≤0.05MPa；③涂層厚度>25mm；④構(gòu)件尺寸>500mm×500mm。

4.2 防火涂層做法

鋼構(gòu)件防火涂刷常用做法見表4。

表4 鋼結(jié)構(gòu)體防火涂刷常用做法

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，市面上防火涂料種類繁多，采購和施工時可根據(jù)其產(chǎn)品的權(quán)威測試評估報告和產(chǎn)品應(yīng)用說明，對具體涂刷做法和厚度酌情調(diào)整。

(1)若該膨脹型防火涂料在一定程度上能起到防腐中間漆的作用，可取消中間層，在防火涂層上直接做防腐面層。

(2)在微、弱腐環(huán)境中，若該防火涂層能滿足耐久性要求，且對外觀無特別高要求時，可不設(shè)面涂層。

(3)設(shè)計中，建筑專業(yè)只能提出耐火時間要求和涂刷基本做法，至于防火涂層的施用厚度，需根據(jù)采購的防火涂料具體參數(shù)性能指標(biāo)，配合鋼結(jié)構(gòu)耐火驗算等來確定。

以上措施都需要防火涂料廠商的深度配合，無法單純靠設(shè)計部門完成，建議做二次設(shè)計。

4.3 防火涂料在腐蝕環(huán)境下的面涂層

化工裝置易受腐蝕性生產(chǎn)介質(zhì)的影響，鋼構(gòu)件的防火設(shè)計應(yīng)兼顧防腐性能。在強、中腐蝕環(huán)境下，需設(shè)置防腐蝕面層，且應(yīng)考慮防火涂料和防腐涂料的相容性，使涂層間結(jié)合良好。

(1)鋼結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境下，防火涂層按下列順序涂裝：①先在構(gòu)件表面涂覆防腐蝕底涂料及防腐蝕中間層涂料；②待防腐涂層干燥固化后，再涂刷防火涂層；③防火涂層干燥固化后，再涂刷防腐蝕面層涂料。

對高溫、高濕環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，宜加強防護(hù)，避免構(gòu)件表面結(jié)露。涂層應(yīng)自然養(yǎng)護(hù)干燥。

(2)防火涂料上涂覆的防腐蝕面涂層，應(yīng)符合以下規(guī)定：①應(yīng)滿足耐腐蝕性、阻燃型和耐久性的要求，使用年限和GB/T 50046-2018工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)；②非膨脹厚型防火涂料應(yīng)采用耐堿的面涂料；③不應(yīng)采用對防火涂料膨脹性能有不利影響的面涂料；④面涂層厚度可按表5來確定。

表5 在防火涂料上的防腐蝕面涂層

5 結(jié)語

綜上所述，廣泛運用于化工裝置的鋼結(jié)構(gòu)，其

防火保護(hù)是一項科學(xué)系統(tǒng)的工作。防火涂料作為鋼結(jié)構(gòu)防火常用材料，品種較多、各具特色。如何依據(jù)國家規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，秉承安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則做好鋼結(jié)構(gòu)防火，對設(shè)計人員提出了較高要求。

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的選擇，應(yīng)和火災(zāi)場所及火災(zāi)類別相匹配。目前，針對耐火極限≤2h的鋼構(gòu)件或>2h的鋼管混凝土柱，可采用非環(huán)氧類膨脹型防火涂料；>2h的鋼構(gòu)件應(yīng)采用非膨脹型防火涂料或環(huán)氧類膨脹型防火涂料。防火涂料的施用厚度需結(jié)合具體的防火涂料來確定，還需與防腐要求一并綜合考慮。