海洋平台防火材料的应用

石明伟，张天财，齐 曦

（611研究所，上海 200032）

0 前 言

海洋平台极易遭受火灾的侵害。火灾一旦发生，在油气燃烧所产生的高温作用下，将很快引起海洋平台结构失效，给整个海洋平台及人员的安全造成极大危害[1-3]。海洋平台防火的目的主要是[4]：保护人员的生命和财产；防止生态环境遭受破坏。海洋平台的防火技术可分为主动式防火和被动式防火。其中被动式防火主要是通过燃烧时具有隔热作用的非金属防火作用，延迟和减缓火灾对海洋平台钢结构或防火分隔以及其它重要设备的破坏和危害，使得人员的安全能够得到最大保障。

1 海洋平台的防火等级要求

根据有关海洋平台安全的标准规范来归纳[4，5]，海洋平台的防火主要有以下3方面的内容和要求：

1)防止承重结构件钢材的温度超过400℃，也就是取钢材的屈服强度折减系数为0.6的这个温度为海洋平台承重结构防火的临界温度。

2)阻止热的传递，使得热量通过舱壁（包括甲板、天棚和其它的一些通道）时，其背火面的平均温度增加不超过 140℃和最高温度增加不超过180℃。

3)对采油和油气生产过程中的容器、管道和阀门的温度进行限制（这个临界温度通常由设计者或使用者来决定），以确保这些设备的安全。

对于海洋平台的防火来说，通常需要用一个给定的等级来表示。该防火等级包含了2层意义。一是防火试验所模拟的火灾燃烧的类型，即防的是那一类别的火灾。针对海洋平台的防火试验有3种类型：

1)“A”级（cellulosic fire）标准防火试验，这种燃烧升温是模拟棉制品、纸张、木材在燃烧时的温度变化而作出的时间温度曲线。这种防火试验温度上升比较缓慢，在第60min时的温度比原始温度增加925℃。

2)“H”级（hydrocarbon fire）碳氢火防火试验，是模拟碳氢类燃料的燃烧，一种比标准防火试验的升温要快和猛烈的燃烧试验。在4min时温度就可达到900℃，在第30min时温度可达到1100℃，并一直维持这个温度直到试验结束。这种防火试验在 1970年代开始被应用于海洋平台上，近年来已成为海洋平台防火的主要试验标准。

3)“J”级（jet fire）喷射火防火试验，是由泄漏的高压碳氢气剧烈燃烧形成喷射火。这种燃烧在数分钟内温度可达到 1200～1300℃[6,7]。“J” 级喷射火防火试验是由于发生在1988年Piper Alpha海洋平台的火灾后而进行研究得出的防火试验方法[8]。英国从 1990年开始实施，并逐步在其它国家的海洋平台上应用。

3种不同等级要求的防火试验升温曲线如图 1所示。

图1 防火试验升温曲线

海洋平台防火等级的另一层含义是在规定的试验时间内结构不遭受破坏，同时在规定的一个临界极限温度下能持续的时间。如在60min内不超过所规定的温度，即称作 60级。把防火试验类型和防火时间结合起来就是一个完整的防火等级，如“H120”级即表示为在碳氢火燃烧的防火试验条件下能在120min内不超过所规定的临界温度。

2 海洋平台防火材料使用的基本要求

对于海洋平台的防火,早在1970年代就得到了很大的发展，文献[9,10]对此都有专述。特别是1988年英国北海油田的 Piper Alpha海洋平台的一场大火使 167人失去了生命[11]，更引起了世界各国对海洋平台防火的高度重视。一些要求更高的防火等级被提出，并在防火技术和防火材料上都有了很大的发展[12,13]。

用于海洋平台上的防火材料的基本要求是不燃材料，另外以下几点也是需要考虑的：

1)所使用的防火材料要在海洋平台结构困难复杂的场合下容易施工。

2)所使用的防火材料无论是在施工前、在施工时还是在施工完成后都不能对人体有危害。

3)所使用的防火材料应具有长效性，能长期处在海洋环境下而不减弱防火效果。

4)所使用的防火材料应容易进行维护和修补。

但是有一些材料的使用会产生一些问题，如有机树脂类的膨胀型涂层和升华型涂层并不能够满足不燃材料的规定，而且这种材料暴露在燃烧的火中会产生有害气体。但是这类材料在使用时又具有很多的优越性能，如施工方便，有良好的耐候性和抗化学性等。因此对这类材料的使用作出了一些限定，在生活模块和工作场所要限制使用，而一般是在无人区域或敞开的及通风良好的区域才能进行使用。

3 海洋平台防火材料的应用

3.1 水泥蛭石涂层

水泥蛭石涂层是早期海洋平台建造中最常用的防火材料。这种涂层以水泥为凝结材料加上轻质的具有层状孔隙结构的蛭石混合而成。水泥蛭石凝胶涂层不会因燃烧而产生烟雾和毒气，因此对人员没有危害。水泥蛭石涂层主要用在海洋平台飞溅区及飞溅区以上的钢质承重结构梁上。用于海洋平台结构防火上的水泥蛭石涂层的容重在500～ 550kg/m3，50mm厚的涂层能满足“H120”级的钢结构件防火要求。 但是水泥蛭石涂层相对比较笨重，在小截面上的水泥蛭石涂层施工困难。另外涂层结合强度比较低、不耐碰撞，逐渐被其它防火涂层所取代。

3.2 膨胀型涂层

膨胀型涂层主要应用在海洋平台对承重结构和油气存储设施的防火上。海洋平台所用的膨胀型防火涂层通常是以环氧树脂为基本材料，再加上遇热时能膨胀的助剂。膨胀型防火涂层在受到燃烧高温热量时，涂层中的发泡性成分即受热分解能迅速膨胀形成空隙状的炭化层，从而在火焰和被保护的基材之间筑成一道热屏障，来延缓钢结构基材的表面温度上升。14mm厚的环氧树脂膨胀型防火涂层能满足结构因子（Hp/A）为 140的钢结构件的“H120”级防火要求。

环氧类涂层具有很好的耐海洋环境、耐久性和耐候性，并且对钢结构件具有很好的附着力，同时涂层厚度薄，使得它们适合于在海洋平台上的应用。环氧树脂膨胀型防火涂层除了防火作用外，还能够起到防腐和装饰作用。环氧树脂膨胀型防火涂层采用的涂装工艺与普通的环氧涂层基本相似，只不过在涂层比较厚的时候需要加上金属网或碳纤维网来进行固定。

由于环氧膨胀型防火涂层遇火会挥发出有害气体，因此不能作为生活区域和防火分隔的应用。

3.3 升华型涂层

升华型涂层也是应用在海洋平台对承重结构和油气存储设施的防火上。升华型涂层在遇到火燃烧的热量时，会吸热从固态直接升华为气态。由于物质在升华时会吸收大量热量，并形成气体从燃烧热量相反的方向散发，从而起到阻碍热量传递的作用。

升华型涂层的防护性能与各种组份的升华温度、涂层厚度、燃烧强度及作用时间有关。海洋平台所使用的升华型防火涂层也是以环氧树脂为基本材料。根据升华型涂层自身特性，一旦受火灾作用超过其极限时间，所有的有机材料都会被消耗掉而失去防护功能。升华型防火涂层最适合用在海洋平台油气存储设施上的防火，用6mm厚的升华型涂层可达到与60mm厚的水泥蛭石涂层同等的防火效果。升华型防火涂层用作海洋平台钢结构防火时，6mm厚度的涂层能达到“J60”的防火等级。

环氧树脂基升华型涂层的技术特点和施工工艺都与环氧树脂膨胀型防火涂层相类似。与环氧树脂膨胀型涂层一样, 由于升华型防火涂层遇火会挥发出有害气体，因而不适合应用于生活区域和防火分隔上。

3.4 岩棉

岩棉制品是以优质的玄武岩为主要原料，经高温熔融后，由高速离心设备制成直径在 10μm 以下的无机纤维。再加入适量的酚醛树脂粘结剂和防潮硅油，即可制成岩棉制品。高温岩棉能耐900℃以上，短时能耐 1100℃。在海洋平台上也可以用作“H”级的防火绝热材料。如使用容重为150kg/m3、总厚度为150mm的高温岩棉毡贴覆在舱壁钢板上并用碰钉固定，可以达到“H120”级的防火分隔要求。

3.5 可溶性硅酸盐纤维

目前较多使用的是一种含有钙、镁元素的可溶性碱土金属硅酸盐纤维，在国外称作AES。主要化学成分是SiO2、MgO和CaO，和岩棉有点类似。与岩棉相比，它的隔热性能和耐高温性能更好些。该材料的使用温度在短期内可承受1260℃的高温，非常适合用作“H”级防火分隔的绝热材料，因此它是在海洋平台上用作“H”级防火分隔中的一种很有发展前途的绝热材料。用厚度(38mm+50mm)、容重为128kg/m3再加上厚度38mm、容重为96kg/m3的可溶性硅酸盐纤维贴覆在舱壁钢板上并用碰钉固定，可以用作为“H120”级的防火分隔。

另外，可溶性硅酸盐纤维还可以和其他材料进行复合，用作海洋平台的储油容器、管道的防火保护等。

3.6 硅酸钙板

硅酸钙板过去在船舶的“A”级防火分隔上进行使用。硅酸钙制品是以硅藻土等硅质材料和消石灰等钙质材料为主要原料，再加入适量的纤维增强材料，经制浆、成型、蒸压养护、贴面处理等工序制成的一种绝热材料。

在海洋平台上，硅酸钙板主要作为高等级的防火分隔独立围壁板来应用。用芯材容重为 300 kg/m3、厚度为96mm的硅酸钙板，表面用0.7 mm厚钢板贴覆的复合板做成的独立围壁，可以用作“H120”级的非承重防火分隔。

4 结 语

综上所述，在海洋平台的建造过程中，对防火材料的应用是必不可少的。通过论述提出以下几点建议：

1)在海洋平台承重结构件的防火技术上，目前主要采用的是有机树脂类的涂层，但是不够环保，一旦遭遇火灾时会释放出有毒有害气体，因此希望能使用既无毒不燃同时效率又高的防火涂层。

2)还需要研究开发出更新型和先进的防火材料，如轻质高效的绝热材料，减少防火分隔的绝热层厚度和减轻绝热层重量。

3)从工艺上进行研究，使得所应用的防火材料能得到最佳的防火效果。

虽然目前有新颖的海洋平台防火材料正在研制和试用中，但还是存在着一些问题，如无机型膨胀防火涂层的防火效率低，气凝胶绝热材料的成本非常高。因此还需要做好一些前沿性的研究和技术准备，以满足海洋平台建造中不断提升的防火要求。

[1]Tony Paterson.Offshore Fire Safety[M].London∶Tulsa Oklahoma∶Pennwell Publishing Co, 1993.21-37.

[2]Ravichandra Pula, Faisal I Khan, Brian Veitch, and Paul R Amyotte. Revised fire consequence models for offshore quantitative risk assessment[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries,200518∶443-454 .

[3]Hallie Ephron Touger. NFPA and the offshore oil industry are helping to resolve dueling federal fire safety standards[J]. NFPA Journal.Sup/Oct 2001∶47-50.

[4]ISO 13702-1999.Petroleum and natural gas industries-Control and mitigation of fire and explosions on offshore production installations -Reruirements and guidelines[S].

[5]DNV-OS-D301 (2005). Fire Protection[S].

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

[7]David Galbraith，Ed Terry. Fire and explosion guidance(Part 2∶ Avoidance and mitigation of fires)[R]．HSE Document 152-RP-48. Scotland 2006.

[8]The Jet Fire Test Working Group.Jet-fire Resistance Test of Passive Fire Protection Materials[R]. London∶Health and Safety Executive OTI 95634, 1992.

[9]R G Gowal.Development in Fire Protection of Offshore Platforms[M]. Applied science publishers LTD. London 1978.205-226.

[10]Harald Thv Olstad．NPD Requirements to passive fireprotection materials[C]. Offshore passive fire protection international conference. London∶1987.31-36.

[11]Robert E Snyder.Piper Alpha disaster[J]. Ocean Industry.Aug 1988∶5-6.

[12]T Cotgreave.Passive Fire Protection∶ Performance Requirements and Test Methods[R]. London∶Health and Safety Executive OTI 92606, 1992.

[13]The Steel Construction Institute.Availability and Properties of Passive and Active Fire Protection System[R]. London∶Health and Safety Executive OTI 92607, 1992.