海上油气生产设施被动防火设计

李艳华,许晓丽,覃柳莎,贾庆丽,霍有利

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

0 引 言

被动防火是指在火灾发生的情况下,可以对被保护区域或者目标提供热保护限制热量传递。被动防火设计是海上油气生产设施消防安全设计的重要内容,与主动防火系统组成了生产设施上人员防护的最后保护。国内海上油气生产设施采用被动防火措施越来越多[1、 2]。目前,国内关于被动防火设计的标准均侧重于陆地建筑和工厂[3～5],针对海上油气生产设施被动防火设计没有完整、统一的规则和标准。本文结合工程实践,介绍了海上油气生产设施上被动防火设计步骤和考虑因素,对被动防火设计的几个关键问题进行了探讨。

1 被动防火设计方法

在海上生产设施上被动防火设计的目的是选择合适的被动防火材料保护特定的对象,使保护对象在设计的火灾工况下能够发挥其功能,减少火灾带来的损失。通常被动防火设计分5步:(1)确定风险可接受标准;(2)确定设计目的;(3)火灾模拟计算确定火灾类型,影响范围和持续时间;(4)明确被动防火保护对象范围;(5)被动防火材料选型计算,详见表1。

表1 被动防火设计步骤Tab.1 Steps for passive fire protection design on offshore production facility

风险可接受标准分为两类,一类是性能判断标准,是客观的评标标准,如有毒气体的致命浓度、致命的热辐射强度、烟气的能见度等。这一类的标准有实验数据或者理论数据作为支撑。另一类标准是概率标准,即需要考虑多大概率事件产生的后果。概率标准与技术、成本和风险偏好、行业的整体安全水平相关。通常,海上生产设施上的概率标准为万年一遇(10-4),对于部分非常关键的设备比如立管,可以采用5×10-5的概率标准[6]。

海上油气生产设施的消防总体目标包括如下几个方面:降低火灾发生的可能性;保障人员的人身安全;保障财产安全;减少对周边的环境影响;防止设施发生严重的破坏或者垮塌;减少由于火灾造成的生产中断。同一个生产设施的总体目标可以是上述目标中的一个或者多个。在无人平台上,消防设计以保护财产、降低环境影响等为目标;在有人值守平台上,以保护人员生命安全为主要目标。

火灾场景模拟计算采用基于流体力学的软件,进行火灾爆炸的模拟计算,明确火灾的类型、火灾持续时长和火灾影响的范围。这三个参数是被动防火设计重要的基础参数,详见表2。

表2 被动防火材料选型参数Tab.2 Factors influenced on PFP material selection

2 被动防火设计关键问题

2.1 防火分隔设计

防火分隔的功能是阻止一个区域内的火灾蔓延到另外一个区域。防火分隔设计的主要任务是确定防火分隔适用的火灾类型和防护时长。海上油气生产设施上的火灾类型分为纤维素物质火灾和烃类物质火灾。烃类物质火灾又分为池火和喷射火两类。防火分隔的防护时长通常分为15、 30、 60和120min。表3是海上生产设施上不同区域之间防火分隔推荐的类型和防火时长[7]。表中HF表示火灾类型烃类物质火灾,CF表示火灾类型是纤维素物质火灾,数字表示的是以分钟为单位的防护时长要求。

2.2 被动防火保护对象

被动防火保护对象范围的选择与海上生产设施上的整体消防安全目标密切相关,并应与生产设施上的主动消防系统统筹考虑。表4是海上生产设施上典型的被动防火保护对象。对于有人平台,消防保护目标以人员救生和逃生为目的,表格中的保护对象都需要保护。对于无人平台,以结构完整性或者财产完整性为目标,保护对象可以选择关键钢结构和烃类容器的支撑。

表4 海上油气生产设施典型被动防火保护范围Tab.4 Typical passive fire protection requirements on offshore oil and gas production facility

(续表)

2.3 钢结构临界温度选择

临界温度是被保护对象发挥其功能的最高允许温度,也是被动防火材料背面允许的最高温度。海上生产设施常见的是钢材料,其强度与温度的关系如图1所示。表面温度上升到400℃时,钢材强度为初始强度的75%。当表面温度升高到538℃时,钢材强度降低到初始强度的50%。在实际工程实践中通常选择400℃作为钢材的临界温度。

图1 钢结构强度随温度变化曲线Fig.1 Corresponding curves between temperature and steel strength

设备的临界温度与其要实现的功能密切相关。海上生产设施上典型设备的临界温度限值及保护时长见表5。

表5 海上油气生产设施典型设备被动防火保护标准[7]Tab.5 Typical protection criteria for selected equipment offshore oil and gas production facility

2.4 水喷淋替代被动防火分析

部分项目采用消防水喷淋替代被动防火的设计。表6给出了不同规范和参考资料对消防水喷淋替代被动防火材料的描述和规定。通过各规范的描述可以看出,承重钢结构的被动防火措施不能用水喷淋代替。其他设施的被动防火措施能否采用水喷淋代替,各规范不禁止,但是需要提供证明材料证明该替代是合理有效的,不能随便代替。

表6 不同设计规范对水喷淋替代被动防火的规定[8～10]Tab.6 Different standards and codes’ requirements about fire water replace of PFP

使用水喷淋代替被动防火措施时还应该考虑水喷淋系统在火灾、爆炸情况下功能完整性:(1)喷淋管道及其支架的耐火性,尤其是适用玻璃钢管道作为消防水喷淋管线的项目。需要通过严谨的计算来证明管道的功能完整性。(2)喷淋强度。目前尚未有相关的科学试验数据支撑水喷淋代替被动防火设计。因此,不能轻易地用水喷淋代替被动防火措施。如果要采用这一设计方案,应该在设计中对此进行详细的论证和分析,并获得发证检验机构的认可。

3 被动防火设计案例

以南海某无人平台的被动防火设计案例,简介被动防火设计的应用。该平台无人值守,整体目标是保护平台整体结构安全以及与平台相连接的船舶安全。基于上述保护目标,确定被动防火保护对象包括:(1)支撑钢结构(附属钢结构除外);(2)塔型设备卸料臂;(3)消防设备雨淋阀;(4)中控室。

平台钢结构的整体被动防火保护范围如图2中红色标记所示。被动防火主要设计参数如下:钢结构的临界温度取值为400℃,采用防火油漆进行喷涂保护,防护时长为120min,火灾类型为烃类物质池火(H级);中控室采用H120防墙与工艺区进行防火分隔,雨淋阀采用H120防火罩壳保护,防火罩壳功能要求与防火墙相同,在120min火灾条件下,背面温度升高不超过140℃。

图2 某项目被动防火保护范围示意图Fig.2 Passive Fire Protection Boundary Schematic

4 结论和展望

结合目前行业内被动防火设计实践,海上油气生产设施被动防火设计在如下几个方面还需要开展进一步的研究:

首先是建立海上生产设施被动防火设计的规范标准,指导被动防火的设计。目前,海上生产设施被动防火设计在总体保护目标、风险可接受标准、保护对象选择以及临界温度等多个方面在各项目实践中存在较大的差异,亟需行业内统一的规范标准对此类问题进行规定。

其次是建立各类设施和设备的失效标准。设备失效标准是被动防火设计的重要参考依据。在相同的火灾情景下,不同的设备失效标准对被动防火的需求不同,建立统一的设备失效标准对规范被动防火设计十分重要。