浅谈石油化工企业室外钢结构防火涂料的选用

孙文华

摘要：文章简述了钢结构防火涂料的防火原理、分类及特点，并针对钢结构耐火差的特性及石油化工企业（下面简称石化企业）生产、环境特点，提出对石化企业室外钢结构必须进行防火保护，选用合适的防火涂料，并结合实例论述厚涂型（下面简称厚型）防火涂料的优缺点，以及科研单位针对该类防火涂料的缺点而朝薄涂型（下面简称薄型）绿色环保型钢结构防火涂料方向开发新型防火涂料。

关键词：石化企业；室外钢结构；防火涂料

中图分类号：TQ637 文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）11-0124-03

钢结构体系具有自重轻、强度高、延展性好、工厂化制造、安装快捷、施工周期短、适应性强、抗震性能好、易维修、建筑造型美观、投资回收快、污染少等综合优势，与钢筋混凝土结构相比，更具有在高、大、轻三个方面发展的独特性而在石化企业中越来越多地被应用。但由于钢结构耐火性差，而石化企业具有易燃易爆特性，还有酸、碱等介质的腐蚀，而且室外环境条件苛刻，因此钢结构的防火要求还因考虑其耐水、防冻、防腐、耐久、耐候性等因素，比起其他企业的钢结构以及石化企业的室内钢结构要求更多更高，本文将就钢结构特点及石化企业的工作环境特点对室外钢结构的防火保护采取合适的措施作专门论述。

一、正确选择厚型防火涂料

（一）钢结构的缺点耐火性能差

建筑钢材虽然不属于燃烧材料，但耐火性能却很差，原因是：

1．其在高温下强度降低快，在建筑物钢结构中普遍使用的普通低碳钢温度超过350°C，强度开始大幅度降低，在350°C、500°C、600°C时强度可分别降低1/3、1/2、2/3左右。

2．钢材热导率大：λ=37.5W/m〞k，易于传递热量，使构件内部升温很快。钢材的热导率约为混凝土的40倍，在一般情况下，一个空间起火且无外来干涉，大约燃烧7分钟，就可达到500°C的高温。

3．在高温下钢材塑性变大，易于产生变形。在450°C至650°C温度中钢结构失去静态稳定性，在800°C至1000°C，钢结构很快发生塑性变形，失去承载力，导致事故。

4．比热小：C=520J/kg〞C。钢构件由单一材料组成，温度分布均匀，截面面积较小，热容量小，呈薄壁状，受火面积大，升温快。

因此钢结构必须采取防火保护处理措施。

（二）钢结构防火保护处理措施

钢结构防火保护处理措施一般有下面四种方法：

1．隔热法:用耐火材料把构件包裹起来。包裹材料有混凝土、轻质耐火混凝土或钢丝网膜耐火砂浆等。其优点是取材方便，价格低廉，表面强度高，耐冲击，对施工技术要求不高，但比较笨重。

2.阻热法：构件表面设置一层保温材料，火灾产生的高温首先传给这些保温材料，再由保温材料传给构件。由于所选保温材料导热系数均较小，能截断或阻滞热流向构件的传输，使构件在规定的时间内温升不超过临界温度而起到保护作用。

3.导热法：就是在空心封闭截面中（主要是柱）充水，火灾时构件把吸收的热量传给水，依靠水的蒸发消耗热量或通过循环把热量导走，构件的温度可维持在100℃左右。使构架温度不至于升高到临界温度，从而起到保护作用。这种方法在实际应用中很难做得到，也不适用于室外钢结构。

4. 喷涂法：用喷涂器具将防火涂料直接喷涂在构件表面，发生火灾时能形成耐火保护层，起到保护作用。

喷涂法与前面三种方法相比，具有施工方便、重量轻、造价低、不受构件几何形状限制等优点，目前笔者所在的大型化工企业建筑室外钢结构都采用此方法。

（三）钢结构防火涂料的防火原理

钢结构防火涂料涂覆在钢基材表面，可有效进行防火隔热保护，防止钢结构在火灾中迅速升温而失去强度，挠曲变形塌落。其防火原理是：

1. 涂层对钢基材起屏蔽作用，使钢构件不至于直接暴露在火焰高温中。

2．涂层吸热后部分物质分解出水蒸汽或其他不燃气体，起到消耗热量、降低火焰温度和燃烧速度、稀释氧气的作用。

3. 涂层本身多孔轻质和受热后形成炭化泡沫层，阻止了热量迅速向钢基材传递，推迟了钢基材强度的降低从而提高了钢结构的耐火极限。

（四）钢结构防火涂料的分类及特点

1．钢结构防火涂料的分类

钢结构防火涂料的分类方法很多，按照所使用的粘结剂的不同可分为有机防火涂料和无机防火涂料两类。有机防火涂料又可分为膨胀型和非膨胀型两类；无机防火涂料为非膨胀型。

钢结构防火涂料按照涂层厚度分为厚型防火涂料(H类)、薄型（B类）和超薄型（CB类）。

2．钢结构防火涂料的特点

厚型（H类）：涂层厚度一般为8～50mm，也称作隔热防火涂料，属非膨胀型防火涂料，由无机粘结剂（如耐火水泥、磷酸铝盐、硅溶胶等或难燃树脂）、无机轻质绝热骨料材料（如膨胀蛭石、珍珠岩、粉煤灰、矿物纤维等）、增强材料（如硅酸纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、岩棉等）和阻燃剂等组成。该涂料在火灾中利用材料的不燃性，低导热性、或涂层中材料的吸热性，以及材料的粒状表面、低密度，涂覆于钢结构表面，隔绝空气，并能隔热和阻止火源入侵基材。含有机物质的非膨胀型防火涂料，受热分解释放出惰性气体氮气等，可阻止燃烧或延缓火势蔓延。此类防火涂料的耐火时间与涂层厚度有关，涂层越厚，耐火时间越长。此类防火涂料的耐火时间长，耐老化，兼具抗冻、保温、吸声性，价廉。耐火极限为1.5～3h。

薄型（B类）:涂层厚度一般为3～7mm，属膨胀型防火涂料，主要由粘结剂、脱水（膨胀）催化剂、成碳剂、发泡剂、填料及改性剂等组成为一个协调的防火体系，在一定温度下，催化剂首先分解生成碳、水及二氧化碳、无机酸等；成碳剂在脱水催化剂作用下，形成具有三维空间结构的泡沫炭化层骨架；发泡剂的分解过程为吸热反应，可消耗大量热量，降低燃烧温度，分解出惰性气体氮气、氨气等，它们覆盖于钢结构表面起隔绝空气作用。另一方面它使炭化层骨架厚度急剧膨胀几十倍甚至上百倍，形成发泡海绵状隔热层，这一系列连锁效应有利于阻止氧化反应，降低环境温度，延缓热量传递，从而达到防火效果。此类防火涂料涂层粘结力强、抗振动和挠曲性好，涂层薄，单位面积用量小，重量轻，工程总费用低，防火功能强，装饰效果好，是防火涂料的发展方向。树脂防火涂料成膜性好，防水、有光泽，外观装饰性好，涂膜粘结力高，有一定的抗腐蚀作用，对钢材的保护性好，用汽油作溶剂。耐火极限可达0.5～2h。

超薄型（CB类）：涂层厚度一般小于3mm，是在薄型钢结构防火涂料的基础上发展起来的。选择对钢材基面有较好粘结力的树脂作为该类涂料的成膜物质，并且选择有较好的阻燃性能的阻燃材料，与树脂能够匹配。受火时缓慢膨胀发泡形成致密坚硬的防火隔热层，具有很强的耐火冲击性，延缓钢材温升，从而保护钢构件。该涂料具有粘结度高、耐候耐水性好、流平性及美观性较好，涂层超薄，工程总费用低。也是钢结构防火涂料的发展方向。耐火极限最高为1.5 h以上。

（五）石化企业特点

1．石化企业生产特点。笔者所在石化企业单位的几大生产装置如乙二醇、丙烯睛、乙醛、聚乙烯醇等生产的原料、生产产品及中间产品大多为易燃易爆物品，且有毒有害，这些物品或呈酸性、或呈碱性，故生产装置都为室外钢结构敞开式布置。防火涂料不管在施工中还是应用中都不能释放出易燃易爆及有毒有害气体。

2．石化企业室外钢结构环境特点。石油化工企业具有易燃易爆特性，还有酸、碱等介质的腐蚀，环境条件苛刻，室外钢结构还要经受热晒寒冻，风吹雨打，保护层容易老化、开裂、起壳、脱落等，因此钢结构的防火要求要综合考虑其耐火、耐水、防冻、防腐、抗裂、粘结性、附着力、耐久、耐候性等多种因素。

3. 石化企业火灾特点。大量的实验研究和火灾事例表明，处于火灾高温下的不加任何保护的裸露钢结构在15分钟左右即失去承载力发生倒塌破坏。而石化企业火灾属于烃类火灾，烃类火灾与建筑火灾的主要区别是升温曲线不同，建筑火灾30分钟火焰温度达到700℃～800℃，而烃类火灾升温速度快，10分钟温度达到1000℃。烃类火一般比纤维素火更猛烈（见图1）。

国外许多国家如美国、英国、荷兰等国的研究单位，已分别制定了不同的烃类火升温曲线，上述升温曲线的数据比较如表1[1]。从该表看出，烃类火的温升要比标准火快得多，10min时大约为标准火温升的1.48～1.82倍，90min时大约为标准火温升的1.17～1.32倍。

综上所述，石化企业室外钢结构必须选择具有不燃性，良好的绝缘性、抗开裂、粘结度强、耐候性强、耐潮湿、耐冻融、耐腐蚀、耐酸碱，隔热性好、抗老化、耐火时间长，在施工中及应用中都不能释放有毒有害气体，即具有无毒、无臭等优良的理化性能的防火涂料——厚型防火涂料。

二、厚型防火涂料应用实例

（一）厚型防火涂料的优点

笔者参加的一个石化企业室外钢结构防火批覆项目，钢结构建筑物耐火等级为二级，耐火极限不小于2小时。采用的是LG室外厚涂型防火涂料，该涂料由粘结剂硅酸盐、耐火水泥，无机隔热轻质材料珍珠岩，增强材料硅酸铝纤维等加自来水混合而成。

施工方法：（1）构件表面作锈处理，并除去污尘，可直接在上面用底胶打底；（2）表面打底：打底时采用手提式喷枪，厚度为1～2 m m，打底层基本均匀即可；（3）底料配置：按专用胶：LG涂料:水=1:3:2.1左右配置，（用水量略有调节以适和喷涂）。（4）防火涂料拌和：涂料系粉状混合物，在低速搅拌机中掺加适量自来水拌和成厚浆状，搅拌时间为5～10min，不得过快，拌匀即可。拌和比例：LG涂料：水=1:0.86 （5）涂层厚度：一般情况下，每次涂料厚度控制在5～10m m，二次涂抹间隔时间为24 h。

该涂料具有粘结性较好，强度较高，因不含有机物且溶剂为水，故无毒无刺激气味，干燥固化快，施工方便等优点。技术性能见表2：

（二）厚型防火涂料的缺点

厚型防火涂料的不足之处：涂层厚增加了自身重量，也增加了结构的负重，不仅影响建筑外观，而且影响外包层与基层的粘结强度，历经风吹雨淋，容易开裂，脱落、起壳、水汽易进入，不仅增加了腐蚀性而且很大地影响了防火效果。涂层厚，涂料用量增加，使得工程总造价增加。没有几年就出现开裂、脱落（目前仍是石化、石油行业存在的一个老大难问题），维修工作量增加，并导致费用增加。

三、新型的薄型、超薄型绿色环保型防火涂料

近年来，随着涂料技术的不断提高，钢结构防火涂料工业正在朝提高涂膜质量、方便施工、节省资源、节省能源和适应环境方向努力，产品朝着薄型、超薄型、绿色环保型、装饰性、耐候性的方向发展，在提高钢结构防火涂料的理化性能、防火性能、装饰性能，降低成本等方面进行开发。国内外市场上现有的薄型、超薄型钢结构防火涂料产品普遍存在的问题是：耐火极限较厚型涂料低；主要组分为有机材料，耐老化、耐久性较差；施工时气味大，遇火时可能会释放出浓烟及有害气体；影响了其室外应用。

（一）环氧膨胀型防火涂料

国外涂料公司纷纷开发研究生产环氧膨胀型防火涂料，这是因为：（1）环氧膨胀型防火涂料与厚型防火涂料相比表面更光滑，表面不易产生灰尘，易清洁；（2）膨胀涂料的涂膜比厚型的薄得多，占用空间小；（3）膨胀涂料使用更方便；（4）膨胀涂料的装饰性更好；（5）膨胀涂料对机械撞击没有厚型防火涂料敏感。目前国外厚型防火涂料几乎完全被环氧防火涂料取代，特别是在石化、石油等领域。

环氧树脂作为防火涂料的成膜物有许多优点：

（1）作为膨胀型防火涂料的成炭剂（碳源），成炭剂是形成三维空间结构不易燃的泡沫炭化层的物质基础，对泡沫炭化层起着骨架的作用，也可以与脱水催化剂反应生成多孔结构的炭化层。

（2）目前国内在室外所使用的膨胀型防火涂料的有些活性成分即阻燃成分在潮湿的环境条件下会慢慢析出，影响了防火效果，而环氧树脂由于其优异的封闭性，阻燃成分不会迁移到涂层面，因此其防火性能受时间和环境的影响较小。

（3）环氧树脂的流动性好，有粘接力强，机械强度高的特性。固化后的环氧树脂，具有优良的耐化学腐蚀性、耐热性、耐酸碱及良好的电绝缘性，因而用它来配制的防火涂料具有优良的附着力、防腐蚀性和机械强度。特别是在发生烃类火灾时，常伴随有爆炸发生，环氧树脂防火涂料都能保持完好并粘附在基材上，针对爆炸和烃类火具有优异的防护功能。较传统膨胀型防火涂料更适用于石化、石油企业[2]。国外在室外或潮湿环境下大多采用环氧类防火涂料，对抗损伤、抗破坏要求较高的，有潜在爆炸危险的建筑钢结构，特别是在有烃类火灾危险的钢结构中广泛采用。

如果我国的环氧防火涂料开发成功，早日投入市场，就可改变国内以昂贵的价格购买国外环氧类防火涂料的现状。该类涂料在石化企业具有广阔的应用前景。

（二）纳米防火涂料

根据有关报道，国内一家科研所正在进行专项“无害环保型涂料研究”，准备2010年投入市场。这种涂料也称为“零VOC纳米涂料”，所谓VOC，就是涂料中的挥发性有机化合物，当它们在空气中达到一定浓度时，就会对人体产生影响，甚至会致癌、致突变。因此，降低涂料中的VOC是提高其环保性能的重要指标。纳米涂料的奥秘在于，它的原料——乳液的颗粒直径小于100纳米，这就改变了乳液的性状，在合成涂料过程中，不需要在乳液中加入含VOC的助剂。涂料中VOC的主要来源就是乳液助剂，现在不必添加它们，而实现了VOC的零排放。甲醛也是涂料中危害人体健康的成分，乳液中的氮-羟甲基丙烯胺成分会释放甲醛，这种成分和助剂一样，虽然有害，但在以往的涂料生产过程中是不可缺少的。经过科研人员的努力，纳米涂料成功摆脱了甲醛。

可见该涂料中的关键技术均是由于纳米材料的特性形成的，纳米材料的成功改性并复合成涂料是本项目的关键所在，一旦项目研究投入大批量生产，预示纳米材料在克服目前室外钢结构防火涂料的不足之处，为今后防火涂料的应用又提供了一个新的选择。

对于石化室外钢结构防火涂料而言，采用新型涂料，不仅有更好的耐火性能，而且由于减少涂层厚度而减轻自重，降低脱落几率，增加了耐久性，从而大大减少工程总造价及维修费用。

四、结语

由于石化企业生产、环境特点，以及易发生烃类火灾故对石化企业室外钢结构必须进行防火保护，目前必须选用厚型无机防火涂料。但随着薄型、超薄型、环保型钢结构防火涂料的开发研究生产，必定会给石化企业室外钢结构带来更有效、更友好、更节能的新型防火涂料。

参考文献

[1]陈树棕．石化企业钢结构防火涂料的选用[J]．石油工程建设．

[2]王华进，王丹，等．无溶剂环氧膨胀型防火涂料及其制备方法[P]．