自升式海洋平台的防火结构设计

李庆宁

(武汉船舶职业技术学院船舶工程系,湖北武汉 430050)

火灾对海洋平台结构造成的破坏、对环境带来的污染、对经济带来的影响都是不可估量的。近海钻井平台的火灾主要由井喷引起,据国际钻井承包协会从11家公司调查后提供的报告,在172个井架中共发生了井喷53次,有8次形成火灾,火灾频率比油船高,更远比客船、货船高[1]。火灾一旦发生,在海上较陆上难以扑救,损失大、危害大,油气燃烧所产生的高温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。钢结构海洋平台的防火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防火隔热作用的非金属防火,延迟和减缓火灾对海洋平台钢结构、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。本文介绍了某自升式海洋平台结构防火的设计及应用实例。

1 防火等级

海洋平台防火类别包含了两层意义:一是防火试验所模拟的火灾燃烧的类型;二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。

1.1 防火试验的类型

针对海洋平台的防火试验有3种类型:

1)“A”级标准防火试验,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60 min时的温度比原始温度增加925℃。

2)“H”级碳氢火防火试验,H级主要特点是热源强度高、温度上升快,可达1100℃。目前主要有三种类型:H-60、H-120和H-0。H 级定义为:①以钢或其它等效材料制造;②有适当的防挠材加强;③结构在1 h的标准耐火试验结束时,能防止烟及火焰通过;④采用认可的不燃材料隔热,在规定时间内(H-60为60 min,H-120为120 m in,与原始温度相比,背火面的平均温度增高不超过139℃,包括接头在内的任何一点温度的增高不会超高180℃。

3)“J”级喷射火防火试验,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℃[2,3]。“J”级喷射火防火试验是由于发生在1988年 Piper A lpha海洋平台的火灾后而研究得出的防火试验方法[4]。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。

1.2 防火结构持续的时间

海洋平台的防火结构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60 min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“H 120”级即表示为在碳氢火燃烧的防火试验条件下,防火结构能在120 min内不超过所规定的临界温度。

2 防火设计

2.1 防火分隔区域的划分

按照《1974年国际海上人命安全公约1981年修正案》的规定,防火分隔区域的划分为:该海洋平台的通用机械区与危险区相邻接的区域,其舱壁防火分隔标准为A-60级;通用机械区与生活区相邻接,舱壁防火分隔为A-60级;应急电源间及消防泵间与其他机器处所相邻,舱壁防火分隔为A-60级标准。图1为机械甲板主机舱与机器处所防火分隔图,其相邻的舱壁防火分隔为A-60级标准。

图1 机械甲板防火分隔图

2.2 防火隔热结构设计及材料的应用

将防火材料作为近海钻井平台的上层建筑的主要内装材料,从根本上增强近海钻井平台的防火能力,保证了海上人命安全。常用的防火隔热材料有:水泥蛭石涂层、膨胀型涂层、升华型涂层、岩棉、可溶性硅酸铝纤维、硅酸钙板。硅酸铝纤维具有优异的防火性能,可承受1260℃的高温,非常适合用作“H”级、“A”级防火分隔的绝热材料。

该海洋平台主要使用硅酸铝纤维硬毡、硅酸铝纤维软毡作防火材料,岩棉作为隔热隔音材料。机械甲板A-60级舱壁防火结构设计节点见图2,钢质舱壁铺设厚度为40 mm(两层20 mm+20 mm)的硅酸铝纤维硬毡,密度 170 kg/m3,见图2中①;舱壁扶强材包覆厚度为40 mm(两层20 mm+20 mm)硅酸铝纤维软毡,密度170 kg/m3,见图2中②;用射钉型绝缘碰钉固定,射钉密度在12～16枚/m2,见图2中③,用厚度(38 mm+50 mm)、容重为128kg/m3再加上厚度38mm、容重为96kg/m3的硅酸铝纤维贴覆在舱壁钢板上并用碰钉固定,可以用作为“H 120”级的防火分隔。

图2 舱壁防火结构节点图

机械甲板A-60级防火结构设计节点图见图3,钢质甲板铺设厚度为30 mm的硅酸铝纤维硬毡,密度170 kg/m3,见图3中 ①;甲板加强材包覆厚度为30 mm的硅酸铝纤维软毡,密度170 kg/m3,见图3中②;用射钉型绝缘碰钉固定,射钉密度在12～16枚/m2,见图3中③。

图3 甲板防火结构节点图

该海洋平台设A-60防火绝缘的甲板和舱壁,遇到与其相交的舱壁或甲板时,为防止导热的危险,在结构交接点和终止点处,所设防火绝缘结构延伸450 mm,如图4(a)(b)所示。设岩棉隔热隔音绝缘的甲板和舱壁,当遇到与其相交的舱壁或甲板时,在结构交接点和终止点处,所设绝缘延伸300 mm,如图5所示。由于海洋平台上肋骨间距种类繁多,实船施工时需要注意选择合适宽度的绝缘,减少切割。所有绝缘切割口使用玻璃纤维布粘贴妥当。

图4 防火绝缘节点图

图5 甲板、舱壁隔音隔热绝缘节点图

2.3 防火材料使用的基本要求

用于海洋平台上的防火材料,还应考虑以下几点:[5]

1)所使用的防火材料要在海洋平台结构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。

3 防火涂料

防火涂料能降低可燃基材火焰传播速率或消除基材的引燃过程,通过阻止热量向可燃基材传递而推迟结构构件失稳及力学性能降低的涂料。

3.1 防火涂料的应用

1)升华型涂料应用在海洋平台对承重结构和油气存储设施的防火上。涂层在遇到火燃烧时,会吸热从固态直接升华为气态,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。涂6 mm厚的升华型涂料,可达到“J60”的防火等级。

2)海洋平台排烟管采用铝色、半光有机硅丙烯酸树脂耐高温漆。该漆耐高温可达350℃,可广泛地与有机和无机锌底漆相配,具有优异的耐候性,易于清洁。喷涂前,钢材表面喷砂处理达到ISO标准Sa2.5级或Sa3级,钢材表面温度至少高于露点3℃。耐高温漆涂装方式可采用高压无气喷涂和有气喷涂,修饰及局部修补才可以采用刷涂或辊涂。高压无气喷涂选择喷咀孔径0.38 mm～0.48 mm,喷出压力 12 M Pa～15 MPa。有气喷涂喷咀孔径 1.5 mm～2 mm,喷出压力0.3MPa～0.4 MPa。油漆干膜厚度30μm,油漆表干时间1～2 h,覆涂最小间隔18 h,最大间隔无限制。该漆是溶剂型涂料,必须避免吸入漆雾和溶剂,涂装时尽量不使皮肤和眼睛暴露。

4 结 语

海洋平台在我国具有广阔的前景,为了预防火灾以及在火灾后能有效地阻止火灾蔓延,应严格遵守有关“公约”和“规范”的防火规定,做好防火结构设计,采用防火材料、防火涂料,结合探火和灭火设计,使海洋平台具有理想的防火控制能力,最大限度地保证人员和设施的安全。今后应着重研究开发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。在环保要求越来越高的海上作业环境中,如何应用无毒不燃同时效率又高的防火涂料,是值得进一步研究的问题。

1 周宗仪.船舶消防[M].大连:大连海运学院出版社,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.