海上油气生产设施喷射火及其被动防护的初探

陈好 李长伟 贾媛

摘 要：本文引出了喷射火的定义和研究方法，以及判定海上油气生产设施设备或材料被动防护有效性的标准，分析了被动防护有效性的3个判定标准之间的内在关系，指导海上油气生产设施的本质安全设计。

关键词：海上油气生产设施 被动防护 喷射火

中图分类号：TE9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（a）-0-02

一般而言，火灾主要分为两大类型：纤维素类火灾和烃类火灾。纤维素火灾是指含纤维素的材料，如木材、纸张等发生燃烧。烃类火灾是指碳氢化合物发生燃烧。这两种火灾具有不同的特点，对应的被动防护要求大不相同。针对海上油气生产设施而言，烃类火灾升温速度快，可能发生爆炸破坏后果非常严重，因此一直是海洋石油安全研究领域的热点。但是，国内海上油气生产设施消防研究的起步相对较晚，關注热点长时间停留在研究烃类池火[1]，而对烃类喷射火及相应被动防护的研究仍然非常薄弱，亟待进一步提升。

1 喷射火定义及其研究方法

对于纤维素类火灾和烃类池火，人为规定一种能反映、模拟一般火灾规律的标准温升条件，把它绘制成曲线称为时间-温度标准曲线，以表征现场火灾发展状况，统一防火材料耐火时间的检验标准。区别于烃类池火，烃类喷射火是快速持续泄露的高压气态、气液两相、纯液态碳氢化合物剧烈燃烧形成的扩散火焰[2]。烃类喷射火强度范围过于宽泛，不宜采用统一的火灾升温曲线，取而代之以标准热辐射强度约束和重复喷射火模拟。目前，国际上公认的喷射火防火测试方法是在1988年英国北海油田的Piper Alpha海洋平台发生了一场以167条生命为代价的火灾后而进行研究得出的，利用标准喷嘴喷射并燃烧丙烷（0.3kg/sec）产生的水平火焰模仿海洋平台面临的强烈喷射火。英国从1990年开始实施该试验方法测定被动防火材料的抗喷射火性能，并逐步在世界范围内的海洋平台上应用，现已被国际标准ISO 22899第1部分（ISO 22899-1）和HSE第OTI 95 634号（OTI95-634）采纳[3，4]。

严格按照ISO 22899-1[3]和OTI95-634[4]提供的测试方法，数分钟内样本表面温度可达到1150℃～1250℃，获得的标准热辐射强度为250～320kW/m2，高于典型的烃类池火热辐射强度200kW/m2（如图1所示）。然而，ISO 22899-1和 OTI 95-634规定的测试条件，无法满足实际高热辐射强度（HHF，超过350kW/m2）喷射火的测试需要。为弥补不足，必须对上述标准的测试方法中规定的测试条件进行必要的扩展，才能获得热辐射强度超过350kW/m2。

2 设备或材料被动防护的有效性

衡量海上油气生产设施设备或材料被动防护是否有效，存在3个基本的判定准则[5]：（1）稳定性。在火焰作用下，承重构件截面积缩小，承载能力和刚度下降，承受不了原设计的荷载而发生跨塌或变形量超过规定值，则表明构件失去支撑稳定性。（2）完整性。在火焰作用下，构件发生爆裂或局部塌落，形成孔隙或穿透性裂缝。火焰和高温气体穿过构件，使其背面可燃物发生燃烧或炭化，则表明构件的完整性被破坏。（3）隔热性。在火焰高温作用下，构件背火面测得的平均温度超过140℃，或背火面任一点温升超过180℃时，则表明构件失去隔绝过量热传导的性能。

被动防护有效性的3个判定标准之间实质是连续的递进关系。如果构件的稳定性不符合要求，则直接认定构件的完整性和隔热性不符合要求，即考虑维护构件完整性和隔热性的前提是保证其稳定性。同理，如果构件的完整性已不符合要求，则直接认定构件的隔热性也不符合要求，即考虑维护构件隔热性的前提是保证其完整性。换个角度理解，对于某一特定的构件，可以只考虑保证稳定性，不用考虑其完整性和隔热性的要求；或者，只考虑保证稳定性和完整性，而不考虑隔热性的要求。以A0级钢质耐火分隔材料为例，须能在1h的实验条件下维持钢质结构的支撑稳定性，防止烟和火焰的通过，但并不评估材料的隔热性。

3 设备或材料被动防护的功能性要求

喷射火火灾工况下，为保证关键工艺设备执行特定功能，海上油气生产设施上的设备和材料其表面允许最高温度必须满足：（1）钢质工艺设备和管线（容器、塔和换热器等），内部介质为气态、液态或液化烃类，不得高于350℃。（2）立管支撑，不得高于400℃。（3）紧急关断阀、立管和油气外输管道，不得高于200℃。（4）消防泵和应急发电机，不得高于200℃。对于自动控制阀门，执行机构元器件的表面允许最高温度一般要求为100℃，可根据厂家提供的信息进行修正。

喷射火火灾工况下，为了最大程度保障人员和设备的安全，延迟和减缓其持续暴露于火焰的破坏和危害，故为海上油气生产相关设施或系统提供被动防火保护，其最短保护时间必须满足：（1）无法泄压的存烃设备，不小于2h。（2）疏散、逃生与救援的设施，不小于2h。（3）非危险区避难所，不小于1h。（4）可紧急泄压的存烃设备，不小于1h。

4 结语

海上油气生产设施一旦发生喷射火，危害十分严重。喷射火危害机理和被动防护有效性的相关研究，必将有助于预防和控制海上油气生产设施发生重大安全事故，从而实现海上油气生产设施的本质安全设计。

参考文献

[1] 宋雪飞，陆建辉.海洋平台池火火灾模型概述[J].石油工程建设，2011，37（2）：1-5.

[2] API RP 2218， Recommended Practice for Fireproofing Practices in Petroleum and Petrochemical Processing Plants [S].Third Edition， Washington，2013.

[3] ISO 22899-1：2007， Determination of the resistance to jet fires of passive fire protection materials—Part 1： General requirements[S].First Edition， Geneva，2007.

[4] Health and Safety Executive， OTI 92/634， Jet-fire resistance test of passive fire protection materials[R].First Edition，1996.

[5] GB 50016-2014，建筑设计防火规范[S].2015.