海工平臺防火設(shè)計研究

石建新

(招商局重工(江蘇)有限公司,江蘇 南通 226100)

0 引言

油氣海工項目風(fēng)險較高,危險工況時有發(fā)生,因此對海洋工程人員居住的生活區(qū)的防火安全研究就顯得尤為重要。

目前,國內(nèi)對海工平臺生活區(qū)的整體防火安全和完整性的研究較多,而對于艙壁/甲板上的一些舾裝件熱傳遞方面研究較少。這些舾裝件可以將熱量傳遞到艙壁或甲板背面,從而破壞艙壁或甲板的防火完整性,這就對防火安全產(chǎn)生一定的隱患。

本文對在設(shè)計過程中浮式生產(chǎn)儲油卸油平臺生活區(qū)內(nèi)所涉及到防火區(qū)域內(nèi)的艙壁/甲板上的支撐舾裝件熱傳遞問題進行研究,簡要分析在支撐結(jié)構(gòu)側(cè)或者非支撐側(cè)發(fā)生火災(zāi)處于高溫狀態(tài)時,耐火等級分別為A60與H60的甲板/艙壁整體結(jié)構(gòu)的熱傳遞狀況,劃分出可能對甲板或艙壁的防火完整性有影響的舾裝件,為后續(xù)新項目的防火安全設(shè)計和檢驗提供依據(jù)。

1 防火分隔

依據(jù)《國際海上人命安全公約》及MODU規(guī)范,船舶在設(shè)計和建造時應(yīng)從預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的角度出發(fā),建立一套完整的防火措施,這些措施主要有可燃物和著火源的控制等?；诖艘?船舶在設(shè)計時就應(yīng)對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行防火等級的劃分,同時選用規(guī)定的防火材料,在特定船舶中還會有要求將船舶劃分為若干個主豎區(qū)。

1.1 主豎區(qū)的劃分

主豎區(qū)是指船體、上層建筑和甲板室以A級分隔分成的區(qū)域,它在任何一層甲板上的平均長度和寬度一般不超過48 m,總面積不超過1 600 m2。目前,主豎區(qū)劃分要求是為保證船舶(特別是客船)具有足夠的防火完整性。

以一個750人生活平臺為例,生活區(qū)主要集中在三層甲板,因此每一層進行了主豎區(qū)劃分。第1層甲板劃分為45.5 m×36.0 m、45.5 m×30.0 m各2個尺寸的4個主豎區(qū),第2層和第3層甲板分別劃分為45.5 m×36.0 m、45.5 m×22.5 m各2個尺寸的4個主豎區(qū)。在主豎區(qū)的外圍鋼壁均使用A60等級的防火材料敷設(shè),且每個區(qū)域均有一個完整的逃生梯道,以便在發(fā)生火災(zāi)的情況下,人員能夠有足夠的安全時間進行逃生。

1.2 主豎區(qū)防火材料的應(yīng)用

本項目主豎區(qū)的界限邊均以A60分隔為邊界。甲板A60采用密度為40 kg/m3的防火絕緣,型材采用密度為70 kg/m3的防火絕緣;艙壁A60采用密度為60 kg/m3的防火絕緣,型材采用密度為70 kg/m3的防火絕緣。絕緣節(jié)點見圖1。

此外,本項目對重量控制要求非常嚴格,用上述組合的絕緣搭配可減少全船的材料重量。

另外,在防火要求高的區(qū)域需要保證防火的完整性,尤其是某些油氣海工項目還有H60的區(qū)域,因此涉及一些支撐件貫穿件的安裝均需要滿足防火要求。本文將對這些防火區(qū)域的支撐件進行分析,以滿足建造檢驗需求。

2 甲板支撐件的熱傳遞分析

2.1 背景條件

海工項目A60或H60甲板區(qū)域的反頂支撐件與甲板焊接處在建造檢驗時有破壞A60或H60的防火等級的風(fēng)險,對其安全性有一定的影響。本文將簡要分析在支撐結(jié)構(gòu)側(cè)或者非支撐側(cè)發(fā)生火災(zāi)處于高溫狀態(tài)時,耐火等級分別為A60與H60的甲板/艙壁整體結(jié)構(gòu)的熱傳遞。

2.2 材料性能

本項目涉及到甲板、艙壁、加強材、墊板、電纜支撐及隔熱材料(見圖2和圖3)。甲板、墊板和支撐材料均為Q235,熱導(dǎo)率為10 W/(m·K),比熱容為502 J/(kg·K)。A60甲板選用密度為100 kg/m3的絕緣材料,其導(dǎo)熱性能見表1;H60艙壁選用密度為70 kg/m3的絕緣材料,其導(dǎo)熱性能見表2。

表1 A60 艙壁絕緣材料導(dǎo)熱性能

表2 H60艙壁絕緣材料導(dǎo)熱性能

圖3 H60區(qū)域典型支撐件(單位:mm)

2.3 結(jié)構(gòu)溫度場分析

2.3.1 耐火標準

A60:1 h的標準耐火實驗中,其背火一面的平均溫度較初始溫度升高不超過140 ℃,且在包括任何接頭在內(nèi)的任何一點的溫度較初始溫度升高不超過180 ℃[1]。

H60:2 h的碳氫火焰實驗中,其背火一面的平均溫度較初始溫度升高不超過140 ℃,且在包括任何接頭在內(nèi)的任何一點的溫度較初始溫度升高不超過180 ℃[2]。

根據(jù)標準應(yīng)采用瞬態(tài)分析,2種隔熱材料的比熱容參數(shù)均設(shè)定為800 J/(kg·K)[3]。

2.3.2 A60艙壁耐火狀況

參考ISO 834-1中第6.1.1規(guī)定的標準耐火實驗中加熱爐的溫度-時間公式為[4]

T=345lg(8t+1)+20

(1)

式中:T為平均爐溫,℃;t為時間,min。

A60瞬態(tài)狀況計算設(shè)置為支撐側(cè)背面或者支撐側(cè)處于火災(zāi)中,施加1 h如溫升曲線所示的對流熱載荷,對流傳熱系數(shù)為125 W/(m2·K);另一側(cè)與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,空氣的對流傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K)。

2.3.3 H60艙壁耐火狀況

參考ISO 834-3規(guī)定的碳氫耐火實驗中加熱爐的升溫曲線,碳氫火災(zāi)的標準溫度-時間公式為[5]

T1=1 100(1-0.325e-0.166 7t1-0.204e-1.417t1-0.471e-15.833t1)

(2)

式中:T1為升溫,℃;t1為溫度上升的時間,h。

H60瞬態(tài)狀況計算設(shè)置為支撐側(cè)背面或者支撐側(cè)處于火災(zāi)中,施加2 h如溫升曲線所示的對流熱載荷,對流傳熱系數(shù)為125 W/(m2·K);另一側(cè)與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,空氣的對流傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K)。

2.3.4 艙壁工況

工況1:初始溫度為20 ℃,A60支撐側(cè)發(fā)生火災(zāi)石棉,溫度變化見式(1),持續(xù)時間為60 min;支撐側(cè)背面與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,對流傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K)。

工況2:初始溫度為20 ℃,A60支撐側(cè)背面發(fā)生火災(zāi)石棉,溫度變化見式(1),持續(xù)時間為60 min;支撐側(cè)與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,對流傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K)。

工況3:初始溫度為20 ℃,H60支撐側(cè)發(fā)生火災(zāi)石棉,溫度變化見式(2),持續(xù)時間為120 min;支撐側(cè)背面與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,對流傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K)。

工況4:初始溫度為20 ℃,H60支撐側(cè)背面發(fā)生火災(zāi)石棉,溫度變化見式(2),持續(xù)時間為120 min;支撐側(cè)與空氣接觸,進行對流熱交換,空氣溫度為20 ℃,對流傳熱系數(shù)為25 W/(m2·K)。

4種工況差異信息見表3。

表3 4種工況差異

2.3.5 總結(jié)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,對甲板和艙壁結(jié)構(gòu)不同的支撐件在發(fā)生火災(zāi)時溫度分布情況及背火面最高溫度變化情況的分析,列出了4種工況下背火面最高溫度以及相比于初始狀態(tài)20 ℃的溫度變化量,并得出了各工況下A60甲板與H60艙壁結(jié)構(gòu)背火面溫度的最大變化量,具體見表4。從表中得知,結(jié)果均小于180 ℃,滿足規(guī)范要求。

表4 各工況下火災(zāi)對側(cè)的最高溫度

3 結(jié)論

(1)參考相關(guān)規(guī)范,從防火完整性的角度分別對海工平臺甲板和艙壁結(jié)構(gòu)不同的支撐朝向發(fā)生火災(zāi)時溫度分布情況及背火面最高溫度變化情況進行了分析。

(2)通過模擬耐火實驗中的火災(zāi)狀態(tài),對A60甲板與H60艙壁結(jié)構(gòu)進行了熱分析,共設(shè)置了4種工況,并得出了各工況下背火面溫度的最大變化量,結(jié)果均小于180 ℃,滿足規(guī)范要求。由于所選型材最大規(guī)格為75 mm,所以型材規(guī)格小于等于75 mm時無需額外包敷絕緣材料。

(3)本文研究在甲板/艙壁上的舾裝件的焊接處是否需要包敷A60/H60,以及是否會對此區(qū)域的防火完整性造成破壞給予了明確的結(jié)論,能夠為后續(xù)海工項目的建造在防火完整性方面提供一定的經(jīng)驗借鑒。