海上油氣生產設施被動防火設計

李艷華,許曉麗,覃柳莎,賈慶麗,霍有利

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

0 引 言

被動防火是指在火災發生的情況下,可以對被保護區域或者目標提供熱保護限制熱量傳遞。被動防火設計是海上油氣生產設施消防安全設計的重要內容,與主動防火系統組成了生產設施上人員防護的最后保護。國內海上油氣生產設施采用被動防火措施越來越多[1、 2]。目前,國內關于被動防火設計的標準均側重于陸地建筑和工廠[3～5],針對海上油氣生產設施被動防火設計沒有完整、統一的規則和標準。本文結合工程實踐,介紹了海上油氣生產設施上被動防火設計步驟和考慮因素,對被動防火設計的幾個關鍵問題進行了探討。

1 被動防火設計方法

在海上生產設施上被動防火設計的目的是選擇合適的被動防火材料保護特定的對象,使保護對象在設計的火災工況下能夠發揮其功能,減少火災帶來的損失。通常被動防火設計分5步:(1)確定風險可接受標準;(2)確定設計目的;(3)火災模擬計算確定火災類型,影響范圍和持續時間;(4)明確被動防火保護對象范圍;(5)被動防火材料選型計算,詳見表1。

表1 被動防火設計步驟Tab.1 Steps for passive fire protection design on offshore production facility

風險可接受標準分為兩類,一類是性能判斷標準,是客觀的評標標準,如有毒氣體的致命濃度、致命的熱輻射強度、煙氣的能見度等。這一類的標準有實驗數據或者理論數據作為支撐。另一類標準是概率標準,即需要考慮多大概率事件產生的后果。概率標準與技術、成本和風險偏好、行業的整體安全水平相關。通常,海上生產設施上的概率標準為萬年一遇(10-4),對于部分非常關鍵的設備比如立管,可以采用5×10-5的概率標準[6]。

海上油氣生產設施的消防總體目標包括如下幾個方面:降低火災發生的可能性;保障人員的人身安全;保障財產安全;減少對周邊的環境影響;防止設施發生嚴重的破壞或者垮塌;減少由于火災造成的生產中斷。同一個生產設施的總體目標可以是上述目標中的一個或者多個。在無人平臺上,消防設計以保護財產、降低環境影響等為目標;在有人值守平臺上,以保護人員生命安全為主要目標。

火災場景模擬計算采用基于流體力學的軟件,進行火災爆炸的模擬計算,明確火災的類型、火災持續時長和火災影響的范圍。這三個參數是被動防火設計重要的基礎參數,詳見表2。

表2 被動防火材料選型參數Tab.2 Factors influenced on PFP material selection

2 被動防火設計關鍵問題

2.1 防火分隔設計

防火分隔的功能是阻止一個區域內的火災蔓延到另外一個區域。防火分隔設計的主要任務是確定防火分隔適用的火災類型和防護時長。海上油氣生產設施上的火災類型分為纖維素物質火災和烴類物質火災。烴類物質火災又分為池火和噴射火兩類。防火分隔的防護時長通常分為15、 30、 60和120min。表3是海上生產設施上不同區域之間防火分隔推薦的類型和防火時長[7]。表中HF表示火災類型烴類物質火災,CF表示火災類型是纖維素物質火災,數字表示的是以分鐘為單位的防護時長要求。

2.2 被動防火保護對象

被動防火保護對象范圍的選擇與海上生產設施上的整體消防安全目標密切相關,并應與生產設施上的主動消防系統統籌考慮。表4是海上生產設施上典型的被動防火保護對象。對于有人平臺,消防保護目標以人員救生和逃生為目的,表格中的保護對象都需要保護。對于無人平臺,以結構完整性或者財產完整性為目標,保護對象可以選擇關鍵鋼結構和烴類容器的支撐。

表4 海上油氣生產設施典型被動防火保護范圍Tab.4 Typical passive fire protection requirements on offshore oil and gas production facility

(續表)

2.3 鋼結構臨界溫度選擇

臨界溫度是被保護對象發揮其功能的最高允許溫度,也是被動防火材料背面允許的最高溫度。海上生產設施常見的是鋼材料,其強度與溫度的關系如圖1所示。表面溫度上升到400℃時,鋼材強度為初始強度的75%。當表面溫度升高到538℃時,鋼材強度降低到初始強度的50%。在實際工程實踐中通常選擇400℃作為鋼材的臨界溫度。

圖1 鋼結構強度隨溫度變化曲線Fig.1 Corresponding curves between temperature and steel strength

設備的臨界溫度與其要實現的功能密切相關。海上生產設施上典型設備的臨界溫度限值及保護時長見表5。

表5 海上油氣生產設施典型設備被動防火保護標準[7]Tab.5 Typical protection criteria for selected equipment offshore oil and gas production facility

2.4 水噴淋替代被動防火分析

部分項目采用消防水噴淋替代被動防火的設計。表6給出了不同規范和參考資料對消防水噴淋替代被動防火材料的描述和規定。通過各規范的描述可以看出,承重鋼結構的被動防火措施不能用水噴淋代替。其他設施的被動防火措施能否采用水噴淋代替,各規范不禁止,但是需要提供證明材料證明該替代是合理有效的,不能隨便代替。

表6 不同設計規范對水噴淋替代被動防火的規定[8～10]Tab.6 Different standards and codes’ requirements about fire water replace of PFP

使用水噴淋代替被動防火措施時還應該考慮水噴淋系統在火災、爆炸情況下功能完整性:(1)噴淋管道及其支架的耐火性,尤其是適用玻璃鋼管道作為消防水噴淋管線的項目。需要通過嚴謹的計算來證明管道的功能完整性。(2)噴淋強度。目前尚未有相關的科學試驗數據支撐水噴淋代替被動防火設計。因此,不能輕易地用水噴淋代替被動防火措施。如果要采用這一設計方案,應該在設計中對此進行詳細的論證和分析,并獲得發證檢驗機構的認可。

3 被動防火設計案例

以南海某無人平臺的被動防火設計案例,簡介被動防火設計的應用。該平臺無人值守,整體目標是保護平臺整體結構安全以及與平臺相連接的船舶安全。基于上述保護目標,確定被動防火保護對象包括:(1)支撐鋼結構(附屬鋼結構除外);(2)塔型設備卸料臂;(3)消防設備雨淋閥;(4)中控室。

平臺鋼結構的整體被動防火保護范圍如圖2中紅色標記所示。被動防火主要設計參數如下:鋼結構的臨界溫度取值為400℃,采用防火油漆進行噴涂保護,防護時長為120min,火災類型為烴類物質池火(H級);中控室采用H120防墻與工藝區進行防火分隔,雨淋閥采用H120防火罩殼保護,防火罩殼功能要求與防火墻相同,在120min火災條件下,背面溫度升高不超過140℃。

圖2 某項目被動防火保護范圍示意圖Fig.2 Passive Fire Protection Boundary Schematic

4 結論和展望

結合目前行業內被動防火設計實踐,海上油氣生產設施被動防火設計在如下幾個方面還需要開展進一步的研究:

首先是建立海上生產設施被動防火設計的規范標準,指導被動防火的設計。目前,海上生產設施被動防火設計在總體保護目標、風險可接受標準、保護對象選擇以及臨界溫度等多個方面在各項目實踐中存在較大的差異,亟需行業內統一的規范標準對此類問題進行規定。

其次是建立各類設施和設備的失效標準。設備失效標準是被動防火設計的重要參考依據。在相同的火災情景下,不同的設備失效標準對被動防火的需求不同,建立統一的設備失效標準對規范被動防火設計十分重要。