海洋平臺結構被動防火設計方法與實際應用研究

田 凱，李 杰，藍 天，楊益涵

1.中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京 100028

2.中國石油集團海洋工程有限公司海工事業部，山東青島 266580

海洋石油平臺遠離陸地且在狹小的空間內布置有大量的油氣管道，一旦發生火災，容易造成災難性的后果。在海洋石油平臺上發生的各種可能事故中，井噴、泄漏、船舶撞擊、直升機事故等都有可能引起火災[1]。

隨著海上油田作業者對平臺火災問題重視程度的不斷增強，被動防火設計變得越來越重要。與主動防火系統需要外部激勵才能啟動不同，在突發火災的情況下，以防火涂料為代表的被動防火保護（Passive Fire Protection，PFP） 可以自動保護結構完整性，從而為船上人員提供足夠的緩沖時間進行自救。但在平臺上全面采用防火涂層設計成本太高，如在蓬萊19-3平臺項目中，1 m2防火漆的成本就達到了2 000元[2]。因此需要合理的設計以使成本和安全性達到平衡。

我國至今沒有海洋工程鋼結構防火設計的專用國家標準，目前的防火設計主要按照《國際海上人命安全共約》（SOLAS）和《海上固定平臺安全規則》采用A級防火分隔。但根據海洋平臺的特點，還需要考慮對應池火的H級防火分隔，和對應噴射火的J級防火分隔。特別是噴射火的熱輻射強度比池火更大，并且由于噴射火具有沖擊作用，因而噴淋系統的作用可能有限[3]。

在工程實踐中，設計公司多在規格書中要求對關鍵節點、逃生通道、緊急關斷閥支撐結構、救生艇支撐結構等區域默認采用被動防火涂層，并綜合考慮結構承重、截面因子、耐火級別等參數，以確定涂層厚度。這樣的設計在保證安全的同時也提高了項目成本。

為了達到兼顧安全與經濟性的目標，本文對海洋平臺結構防火設計方法進行研究，根據火災類別和高溫下鋼材的熱工參數[4-5]，應用有限元軟件分析平臺熱傳導和熱膨脹導致的熱應力，進而評估耐火涂層對結構的保護作用，達到了降本增效的目的，其經驗可供同業人員設計借鑒。

1 被動防火設計方法

在工程實踐中，通常依據API RP 2FB[6]進行被動防火系統設計，其主要包括三個步驟：篩選分析、線性強度分析、非線性延性分析。分析流程如圖1所示。

圖1 結構被動防火設計流程

篩選分析初步研究了各火情場景。如果認為火情可能對結構造成較大影響，就進行下一步的線性強度分析或非線性延性分析。

篩選分析是最初步的分析。由于火災造成的溫度荷載可以作為意外荷載考慮，因而分析中結構許用應力可以達到其屈服強度。如果以0.2%應變對應的S355屈服強度作為標準，結構桿件的最高允許溫度為400℃[7]。通過分析環境溫度的變化和熱源的分布可以得到每個結構構件在火災中達到的最高溫度。如果某個火災場景中存在超過溫度允許值的結構構件，就需要進行下一步分析。

線性強度分析同時考慮溫度荷載和鋼材力學性能在高溫下的變化，即在分析中使用折減后的剛度和屈服強度。其折減系數與構件最高溫度的關系如表1所示。

表1 結構構件最高溫度與許用應力折減系數

如果在線性強度分析中發現失效構件，就需要進行非線性延性分析。分析中允許出現桿件失效和荷載重分布，通過時域分析得到結構的最大承載能力。最終平臺結構應滿足以下要求：第一，任何防爆墻和防火墻都應留在原處，不會出現破裂或支撐損壞；第二，保證安全關鍵要素不受影響，例如關鍵設備關斷、人員保護和逃生、火情控制、通信以及阻止油氣逸散；第三，歸類為關鍵構件的結構單元不應出現屈服；第四，整體結構的完整性應一直保持到火災結束；第五，防止局部屈曲；第六，結構的變形不能導致關鍵設備和管道支撐的損壞。

2 項目實例

以某海洋平臺項目為例，該平臺上部組塊尺寸為21 m×24.5 m，包含四個水平層及16個井口槽。在設計時根據相關規范進行了防火區劃分，并設置了水消防系統和二氧化碳氣體滅火系統。平臺經過篩選分析發現：中層甲板A軸附近處600 m3儲罐有較大概率發生加注過量引起泄漏，形成油面后引燃，造成池火火情。初始溫度設為20℃，最高溫度可達到800℃。在線性強度分析中，鋼材的彈性模量、比熱容、線膨脹系數和熱傳導系數等隨溫度變化的非線性特性按照Eurocode 3規范取值。暫不考慮環境荷載作用和構件防火保護層。首先，使用有限元軟件ABAQUS進行瞬態熱傳導分析，選擇合適的分析單元并合理規劃網格密度，得到平臺結構的整體溫度場分布如圖2（a） 所示。將熱傳導分析的結果作為初始溫度場進行線性強度分析，得到的熱應力分布如圖2（b）所示。在沒有結構防火層保護的情況下，僅熱膨脹效應導致的熱應力就會使結構本身達到屈服；如果考慮鋼材彈性模量和屈服強度隨溫度升高而降低的影響，結構整體失效將不可避免。

如果按照H120級設計被動防火涂層，則在120 min內被保護鋼材基材溫度平均升高不超過140℃，此時平臺結構內部溫度場及熱應力分布如圖3所示，即此時結構可以保持整體穩定和強度，從而確保人員撤離或進行其他操作。

圖2 儲罐火災發生時平臺溫度場及熱應力分布

圖3 采用被動防火涂層后的平臺溫度場及熱應力分布

3 結束語

海洋石油平臺屬于火災高風險區域。為了保證人員逃生和減少損失，平臺結構必須在火災中保持功能的完整性。目前國內規范對于火災下海工結構整體響應的要求較為模糊，工程實踐中需要綜合考慮成本的影響。本文探討了進行結構被動防火設計的流程和方法，評估了受火災影響的構件膨脹、變形以及產生的熱應力，研究成果有助于選擇合適的耐火等級及涂料厚度，以保護結構的安全。