海洋平台结构被动防火设计方法与实际应用研究

田 凯，李 杰，蓝 天，杨益涵

1.中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院，北京 100028

2.中国石油集团海洋工程有限公司海工事业部，山东青岛 266580

海洋石油平台远离陆地且在狭小的空间内布置有大量的油气管道，一旦发生火灾，容易造成灾难性的后果。在海洋石油平台上发生的各种可能事故中，井喷、泄漏、船舶撞击、直升机事故等都有可能引起火灾[1]。

随着海上油田作业者对平台火灾问题重视程度的不断增强，被动防火设计变得越来越重要。与主动防火系统需要外部激励才能启动不同，在突发火灾的情况下，以防火涂料为代表的被动防火保护（Passive Fire Protection，PFP） 可以自动保护结构完整性，从而为船上人员提供足够的缓冲时间进行自救。但在平台上全面采用防火涂层设计成本太高，如在蓬莱19-3平台项目中，1 m2防火漆的成本就达到了2 000元[2]。因此需要合理的设计以使成本和安全性达到平衡。

我国至今没有海洋工程钢结构防火设计的专用国家标准，目前的防火设计主要按照《国际海上人命安全共约》（SOLAS）和《海上固定平台安全规则》采用A级防火分隔。但根据海洋平台的特点，还需要考虑对应池火的H级防火分隔，和对应喷射火的J级防火分隔。特别是喷射火的热辐射强度比池火更大，并且由于喷射火具有冲击作用，因而喷淋系统的作用可能有限[3]。

在工程实践中，设计公司多在规格书中要求对关键节点、逃生通道、紧急关断阀支撑结构、救生艇支撑结构等区域默认采用被动防火涂层，并综合考虑结构承重、截面因子、耐火级别等参数，以确定涂层厚度。这样的设计在保证安全的同时也提高了项目成本。

为了达到兼顾安全与经济性的目标，本文对海洋平台结构防火设计方法进行研究，根据火灾类别和高温下钢材的热工参数[4-5]，应用有限元软件分析平台热传导和热膨胀导致的热应力，进而评估耐火涂层对结构的保护作用，达到了降本增效的目的，其经验可供同业人员设计借鉴。

1 被动防火设计方法

在工程实践中，通常依据API RP 2FB[6]进行被动防火系统设计，其主要包括三个步骤：筛选分析、线性强度分析、非线性延性分析。分析流程如图1所示。

图1 结构被动防火设计流程

筛选分析初步研究了各火情场景。如果认为火情可能对结构造成较大影响，就进行下一步的线性强度分析或非线性延性分析。

筛选分析是最初步的分析。由于火灾造成的温度荷载可以作为意外荷载考虑，因而分析中结构许用应力可以达到其屈服强度。如果以0.2%应变对应的S355屈服强度作为标准，结构杆件的最高允许温度为400℃[7]。通过分析环境温度的变化和热源的分布可以得到每个结构构件在火灾中达到的最高温度。如果某个火灾场景中存在超过温度允许值的结构构件，就需要进行下一步分析。

线性强度分析同时考虑温度荷载和钢材力学性能在高温下的变化，即在分析中使用折减后的刚度和屈服强度。其折减系数与构件最高温度的关系如表1所示。

表1 结构构件最高温度与许用应力折减系数

如果在线性强度分析中发现失效构件，就需要进行非线性延性分析。分析中允许出现杆件失效和荷载重分布，通过时域分析得到结构的最大承载能力。最终平台结构应满足以下要求：第一，任何防爆墙和防火墙都应留在原处，不会出现破裂或支撑损坏；第二，保证安全关键要素不受影响，例如关键设备关断、人员保护和逃生、火情控制、通信以及阻止油气逸散；第三，归类为关键构件的结构单元不应出现屈服；第四，整体结构的完整性应一直保持到火灾结束；第五，防止局部屈曲；第六，结构的变形不能导致关键设备和管道支撑的损坏。

2 项目实例

以某海洋平台项目为例，该平台上部组块尺寸为21 m×24.5 m，包含四个水平层及16个井口槽。在设计时根据相关规范进行了防火区划分，并设置了水消防系统和二氧化碳气体灭火系统。平台经过筛选分析发现：中层甲板A轴附近处600 m3储罐有较大概率发生加注过量引起泄漏，形成油面后引燃，造成池火火情。初始温度设为20℃，最高温度可达到800℃。在线性强度分析中，钢材的弹性模量、比热容、线膨胀系数和热传导系数等随温度变化的非线性特性按照Eurocode 3规范取值。暂不考虑环境荷载作用和构件防火保护层。首先，使用有限元软件ABAQUS进行瞬态热传导分析，选择合适的分析单元并合理规划网格密度，得到平台结构的整体温度场分布如图2（a） 所示。将热传导分析的结果作为初始温度场进行线性强度分析，得到的热应力分布如图2（b）所示。在没有结构防火层保护的情况下，仅热膨胀效应导致的热应力就会使结构本身达到屈服；如果考虑钢材弹性模量和屈服强度随温度升高而降低的影响，结构整体失效将不可避免。

如果按照H120级设计被动防火涂层，则在120 min内被保护钢材基材温度平均升高不超过140℃，此时平台结构内部温度场及热应力分布如图3所示，即此时结构可以保持整体稳定和强度，从而确保人员撤离或进行其他操作。

图2 储罐火灾发生时平台温度场及热应力分布

图3 采用被动防火涂层后的平台温度场及热应力分布

3 结束语

海洋石油平台属于火灾高风险区域。为了保证人员逃生和减少损失，平台结构必须在火灾中保持功能的完整性。目前国内规范对于火灾下海工结构整体响应的要求较为模糊，工程实践中需要综合考虑成本的影响。本文探讨了进行结构被动防火设计的流程和方法，评估了受火灾影响的构件膨胀、变形以及产生的热应力，研究成果有助于选择合适的耐火等级及涂料厚度，以保护结构的安全。