海工平台防火设计研究

石建新

(招商局重工(江苏)有限公司,江苏 南通 226100)

0 引言

油气海工项目风险较高,危险工况时有发生,因此对海洋工程人员居住的生活区的防火安全研究就显得尤为重要。

目前,国内对海工平台生活区的整体防火安全和完整性的研究较多,而对于舱壁/甲板上的一些舾装件热传递方面研究较少。这些舾装件可以将热量传递到舱壁或甲板背面,从而破坏舱壁或甲板的防火完整性,这就对防火安全产生一定的隐患。

本文对在设计过程中浮式生产储油卸油平台生活区内所涉及到防火区域内的舱壁/甲板上的支撑舾装件热传递问题进行研究,简要分析在支撑结构侧或者非支撑侧发生火灾处于高温状态时,耐火等级分别为A60与H60的甲板/舱壁整体结构的热传递状况,划分出可能对甲板或舱壁的防火完整性有影响的舾装件,为后续新项目的防火安全设计和检验提供依据。

1 防火分隔

依据《国际海上人命安全公约》及MODU规范,船舶在设计和建造时应从预防火灾发生的角度出发,建立一套完整的防火措施,这些措施主要有可燃物和着火源的控制等。基于此要求,船舶在设计时就应对相应的结构进行防火等级的划分,同时选用规定的防火材料,在特定船舶中还会有要求将船舶划分为若干个主竖区。

1.1 主竖区的划分

主竖区是指船体、上层建筑和甲板室以A级分隔分成的区域,它在任何一层甲板上的平均长度和宽度一般不超过48 m,总面积不超过1 600 m2。目前,主竖区划分要求是为保证船舶(特别是客船)具有足够的防火完整性。

以一个750人生活平台为例,生活区主要集中在三层甲板,因此每一层进行了主竖区划分。第1层甲板划分为45.5 m×36.0 m、45.5 m×30.0 m各2个尺寸的4个主竖区,第2层和第3层甲板分别划分为45.5 m×36.0 m、45.5 m×22.5 m各2个尺寸的4个主竖区。在主竖区的外围钢壁均使用A60等级的防火材料敷设,且每个区域均有一个完整的逃生梯道,以便在发生火灾的情况下,人员能够有足够的安全时间进行逃生。

1.2 主竖区防火材料的应用

本项目主竖区的界限边均以A60分隔为边界。甲板A60采用密度为40 kg/m3的防火绝缘,型材采用密度为70 kg/m3的防火绝缘;舱壁A60采用密度为60 kg/m3的防火绝缘,型材采用密度为70 kg/m3的防火绝缘。绝缘节点见图1。

此外,本项目对重量控制要求非常严格,用上述组合的绝缘搭配可减少全船的材料重量。

另外,在防火要求高的区域需要保证防火的完整性,尤其是某些油气海工项目还有H60的区域,因此涉及一些支撑件贯穿件的安装均需要满足防火要求。本文将对这些防火区域的支撑件进行分析,以满足建造检验需求。

2 甲板支撑件的热传递分析

2.1 背景条件

海工项目A60或H60甲板区域的反顶支撑件与甲板焊接处在建造检验时有破坏A60或H60的防火等级的风险,对其安全性有一定的影响。本文将简要分析在支撑结构侧或者非支撑侧发生火灾处于高温状态时,耐火等级分别为A60与H60的甲板/舱壁整体结构的热传递。

2.2 材料性能

本项目涉及到甲板、舱壁、加强材、垫板、电缆支撑及隔热材料(见图2和图3)。甲板、垫板和支撑材料均为Q235,热导率为10 W/(m·K),比热容为502 J/(kg·K)。A60甲板选用密度为100 kg/m3的绝缘材料,其导热性能见表1;H60舱壁选用密度为70 kg/m3的绝缘材料,其导热性能见表2。

表1 A60 舱壁绝缘材料导热性能

表2 H60舱壁绝缘材料导热性能

图3 H60区域典型支撑件(单位:mm)

2.3 结构温度场分析

2.3.1 耐火标准

A60:1 h的标准耐火实验中,其背火一面的平均温度较初始温度升高不超过140 ℃,且在包括任何接头在内的任何一点的温度较初始温度升高不超过180 ℃[1]。

H60:2 h的碳氢火焰实验中,其背火一面的平均温度较初始温度升高不超过140 ℃,且在包括任何接头在内的任何一点的温度较初始温度升高不超过180 ℃[2]。

根据标准应采用瞬态分析,2种隔热材料的比热容参数均设定为800 J/(kg·K)[3]。

2.3.2 A60舱壁耐火状况

参考ISO 834-1中第6.1.1规定的标准耐火实验中加热炉的温度-时间公式为[4]

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

(1)

式中:T为平均炉温,℃;t为时间,min。

A60瞬态状况计算设置为支撑侧背面或者支撑侧处于火灾中,施加1 h如温升曲线所示的对流热载荷,对流传热系数为125 W/(m2·K);另一侧与空气接触,进行对流热交换,空气温度为20 ℃,空气的对流传热系数为25 W/(m2·K)。

2.3.3 H60舱壁耐火状况

参考ISO 834-3规定的碳氢耐火实验中加热炉的升温曲线,碳氢火灾的标准温度-时间公式为[5]

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

(2)

式中:T1为升温,℃;t1为温度上升的时间,h。

H60瞬态状况计算设置为支撑侧背面或者支撑侧处于火灾中,施加2 h如温升曲线所示的对流热载荷,对流传热系数为125 W/(m2·K);另一侧与空气接触,进行对流热交换,空气温度为20 ℃,空气的对流传热系数为25 W/(m2·K)。

2.3.4 舱壁工况

工况1:初始温度为20 ℃,A60支撑侧发生火灾石棉,温度变化见式(1),持续时间为60 min;支撑侧背面与空气接触,进行对流热交换,空气温度为20 ℃,对流传热系数为25 W/(m2·K)。

工况2:初始温度为20 ℃,A60支撑侧背面发生火灾石棉,温度变化见式(1),持续时间为60 min;支撑侧与空气接触,进行对流热交换,空气温度为20 ℃,对流传热系数为25 W/(m2·K)。

工况3:初始温度为20 ℃,H60支撑侧发生火灾石棉,温度变化见式(2),持续时间为120 min;支撑侧背面与空气接触,进行对流热交换,空气温度为20 ℃,对流传热系数为25 W/(m2·K)。

工况4:初始温度为20 ℃,H60支撑侧背面发生火灾石棉,温度变化见式(2),持续时间为120 min;支撑侧与空气接触,进行对流热交换,空气温度为20 ℃,对流传热系数为25 W/(m2·K)。

4种工况差异信息见表3。

表3 4种工况差异

2.3.5 总结

根据相关规范,对甲板和舱壁结构不同的支撑件在发生火灾时温度分布情况及背火面最高温度变化情况的分析,列出了4种工况下背火面最高温度以及相比于初始状态20 ℃的温度变化量,并得出了各工况下A60甲板与H60舱壁结构背火面温度的最大变化量,具体见表4。从表中得知,结果均小于180 ℃,满足规范要求。

表4 各工况下火灾对侧的最高温度

3 结论

(1)参考相关规范,从防火完整性的角度分别对海工平台甲板和舱壁结构不同的支撑朝向发生火灾时温度分布情况及背火面最高温度变化情况进行了分析。

(2)通过模拟耐火实验中的火灾状态,对A60甲板与H60舱壁结构进行了热分析,共设置了4种工况,并得出了各工况下背火面温度的最大变化量,结果均小于180 ℃,满足规范要求。由于所选型材最大规格为75 mm,所以型材规格小于等于75 mm时无需额外包敷绝缘材料。

(3)本文研究在甲板/舱壁上的舾装件的焊接处是否需要包敷A60/H60,以及是否会对此区域的防火完整性造成破坏给予了明确的结论,能够为后续海工项目的建造在防火完整性方面提供一定的经验借鉴。