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熊睿,张国庆,王洪福,宋博,万明奇
（海洋石油工程股份有限公司设计院，天津300451）
1、引言
海洋石油工程领域与陆地相比，具有很多独特的特点，如海上平台结构紧凑，空间狭小。另一方面，海洋石油平台油气生产区、油气处理区及储存区等都是极易发生火灾的危险区域，关系到人身及财产安全。
在海洋平台上发生的火灾，主要为碳氢化合物燃烧引发的，产生的碳氢火焰与常规纤维火焰不同，极难扑灭。另一种喷射火焰则是含压的石油或天然气从设备或管道中泄露并喷射出，该类火灾危险性更高。钢材随着温度升高，其能承受的屈服应力也随之降低，相关的曲线接近倒S型。通常情况下，在500 ℃左右（ISO 834-1），钢材的强度急剧降低。依据不同钢结构设计需求，达到钢材失效的结构强度的温度称为核心温度。通常裸钢在5~10 min即能达到核心温度。而经过防火保护的钢材结构，能极大延长达到核心温度的时间，从而为灭火、疏散、逃生和抢救险情赢得时间。
根据石油石化相关安全标准，必须对处在高危区域的钢结构进行防火保护设计。常用的防火方式有防火板以及水泥基、膨胀型环氧防火涂料等。防火板安装清洁，装饰美观，然而仅适用于纤维素类火灾；水泥基防火材料耐火时间长，成本低，然而外观粗陋，本身笨重，无法应用在潮湿的海洋环境；膨胀型环氧膜厚低，施工便捷，但是成本较高。
被动防火涂层的原理是，在需要防火保护的钢结构表面施工一层高效的特种防火涂料，该涂层在火灾场景中，能极大降低钢材表面火焰的传播速率，并减缓热量的传递速度，在一定时间范围内推迟钢结构达到临界屈服强度的时间，为火灾救援和人员逃生赢得足够时间。
随着人们对安全防火重视程度的提高，越来越多的海洋石油平台对核心区域采用涂装防火涂层的保护方式。选择防火涂料时，应充分考虑海洋钢结构物的功能、存在的燃烧介质状态、可能发生的火灾火焰类型、人员逃生和启动消防设施等的预期时间。最重要的是所选择的防火涂料的性能应能达到与火灾安全分析的适应性要求。根据大量报道和实际工程应用情况，认为防火防火涂料应具备以下性能：
（1）具有良好的完整性和抗火焰冲击性。暴露于火焰中时，能够保持防火涂层本身的完整，阻止火焰和烟的通过；（2）具有良好的涂层稳定性。海洋环境恶劣，后期的修补困难，因此要求防火涂料必须能够提供超过20年的稳定防护；（3）具有良好的保温性。在设计的防护的时间内，应能很好地阻挡热量的传播，未暴露面的温度变化不能超过规定温度；（4）防火涂层的防水、防腐性能，是否适合于复杂钢结构的施工，火灾中是否产生烟尘和有毒气体等也是重要考量因素。
2、极寒环境下防火涂料的施工
2.1 施工条件
与常规防火涂料施工不同，本研究的项目是需要在极寒地区服役的某石油石化项目，其建造场地在青岛黄岛和天津塘沽两地。施工时间持续2个年度，其冬季施工温度较低，夏季施工温度较高，温度区间在-10~39 ℃之间，施工季节跨度较大。
防火涂料施工分为车间施工和场地施工两种工况。
车间施工防火涂料：主要用于新建造的模块，但需要预留出模块上组装和焊接的部位。车间施工喷砂和涂敷均采用机械设备自动完成，施工条件较好，能控制施工环境条件，满足相关规格书和标准的要求。
现场施工防火涂料：主要是修补预留和损坏的部位。喷砂和涂敷均由工人手工完成，场地施工条件比车间要差，在冬季或雨季需要搭建棚子，控制施工温度和相对湿度。
2.2存在的问题
防火涂料经过冬季施工后，在春季巡检过程中，质检人员在防火涂料表面发现了大量的裂纹，裂纹分布在整个模块，无明显规律，车间施工和现场施工的防火涂料都能发现裂纹，其中现场施工的防火涂料出现的裂纹最多。裂纹深度能达到底漆，严重时甚至出现成块剥落的情况。
3、相关原因调查及探讨
由于防火涂料是关乎项目后期运行安全的保障，是项目完整性不可或缺的一部分。据了解，目前世界上在极寒地区应用膨胀型防火涂料的经验很少，在寒冷环境下施工的经验也同样不足。因此针对此次事件开展了全面调查。相关的调查包括针对防火涂料性能、防火涂料施工工艺、钢结构受力分析及综合性能等方面展开。
3.1防火涂料产品质量实验
首先考虑的是产品质量是否存在问题。将实际使用的防火涂料送第三方实验室进行检测。对于附着在钢结构上的防火涂料，首先考虑其抗压强度和拉伸强度是否满足要求。因为在施工，搬运，吊装，焊接等过程中，会受到一定的外力，如果本身防火涂料的强度过低，则容易在这些外力的作用下导致开裂。检测结果表明，从现场获得的膨胀型防火涂料样品，其抗压强度和拉伸强度满足产品说明书中的要求。
经过实验室各项测试，得到的结论是场地使用的膨胀型防火漆产品是质量是合格的。但是我们考虑从现场得到得试块是已经剥落或者是强行剥落下来的，试块自身结合良好，送检得到的性能不可能差别很大。即使小块防火涂料的附着力等各项测试满足要求，但是缺少大块试样的相关实验，因而仅能证明在实验室的基础上，防火涂料的质量符合产品要求。防火漆开裂因素还需要从其他方面寻找。
3.2防火涂料施工程序调查
防火涂料的施工需要经过多道程序，以普通碳钢为例，首先需要经过喷砂处理钢结构表面。在喷砂完成后，需要进行底漆施工，且在全面喷涂施工前，对于焊缝、自由边、角落或喷涂难以达到的部位应预涂。底漆应牢固粘结在钢表面，附着力达到ISO 2409 的0级，漆膜厚度为50~75μm。
在上一道工序质量满足要求后，才能施工防火涂料。对车间环境要控制在空气温度不低于10℃；相对湿度不高于85%；基底表面温度至少要大于露点温度3℃。使用的防火漆分为A，B两组分，使用前，将组分A 和组分 B按质量比2.5:1精确混合。且每班开始时与每次停机并重新启动后，应至少进行一次比例检查。一次喷涂最多成膜5 mm为宜，最后一道涂层的厚度不得少于3 mm。在上一道涂层固化后，但又不能完全固化（失去附着力），最好保持轻微的粘着状态，方可施工下一道防火漆。每一道涂层表面不允许出现不连续、针孔、气泡或过厚涂料局部堆积的情况。
经过多道喷涂的防火涂料，还应时刻关注灰尘，水污染等，在施工过程中不断控制膜厚，保证施工质量。
作为最后保护的防火漆免受污染，紫外线等损害，并提供颜色和美观，在防火漆固化后，受到其他表面污染前，施工一层面漆。
经过上述复杂的步骤，最终施工完成美观的防火保护涂料。
每一道工序均有质量检验和监理监督的证明，且均在厂家技术指导下完成。因此防火涂料施工程序满足技术规格书和油漆厂家的要求，现场施工符合施工程序。但是由于防火涂料厚度较厚，施工分为多层多次喷涂，现场施工时，应避免工人把控厚度不准，为避免厚度不满足技术要求，尽可能喷涂更多的防火涂料，导致实际干膜厚度偏厚的问题。
3.3结构变形调查
该模块的结构属于常见的方形框架结构，使用有限元软件进行结构应力吊装极限工况模拟，模拟的单根结构主梁平均变形量为0.08%，其对应杆件的最大伸长率0.32%，远小于防火涂料测试实验中受破坏的最大的伸长率1.07%。根据模拟结果，极限应力变形发生在钢结构的边角位置，腹板及顶板等位置其形变及应力并不明显，与场地观测到的裂纹发生在腹板等位置的事实情况相悖，因此，可以排除防火涂料的开裂是由结构形变引起的。
3.4涂层固化内应力与内聚力影响
涂层膜厚及施工工艺均按照产品要求进行施工后出现大面积的开裂，考虑可能是防火涂料涂覆材料及其施工工艺与钢结构建造不匹配引起。
膨胀型防火涂料厚膜涂覆材料属于多道施工，每道涂覆厚度为5 mm。当涂料在固化过程中产生的固化应力（固化及凝胶时间过快）超过了涂层本身的内聚应力，涂层就会产生开裂或者空鼓。这受涂料本身及施工工艺因素影响，需要进一步进行实验室认证。
现场大部分开裂部位多集中在钢结构拐点等应力集中部位，而平整H型钢的腹板和翼板则鲜有大面积裂纹出现。这是由于漆膜胶化及固化过程不断增加的应力(随着漆膜的不断固化，内应力增加)以及环境应力(环境温度变化)导致最终漆膜的内应力大于漆膜的内聚力。因此漆膜的内应力大于内聚力的部位出现开裂，这也是防火涂料涂层开裂的主要原因。
3.5 储运环节分析
材料的进场验收和库存管理是一个必不可少的关键环节，防火漆涂料在采购进场时，根据进料计划分批采购，每批产品必须带有相应的产品质量保证和产品合格证。进场材料应配有验收报告和材料取样复检报告。
本次研究的项目，使用的防火涂料的储存环境要求最低5 ℃，最高30 ℃。根据场地仓库存储记录，防火涂料均存储在符合规定的仓库中，相关报告和资料俱全。在各方提供的资料中，排除仓储环节的情况下，仅运输和出仓倒运的环节可能使防火涂料暴露在较低温度的情况。
由于膨胀防火涂料的低温耐受性缺失相关论证，目前成熟的膨胀性防火涂料均要求在原材料阶段避免受到过低温度的侵蚀。因而，可以考虑防火涂料原料在运输及倒运的过程中受到低温环境影响后，导致性能出现部分降低。将该部分涂料混合后施工在钢结构表面，在气温变化的情况下，出现受力不均而引起开裂。
膨胀型防火涂料其低温环境下的耐受性需要得到相进一步论证。
4、结语
随着海洋油气开发越来越深入，更高纬度地区的油气田也逐渐开始受到关注。为保护油气设施和财产的安全，更好更优秀的防火措施亟待开发。目前国际上成熟的防火涂料，用在极寒项目中非常少见，目前实际项目中施工阶段发现的防火涂料开裂问题，那么在实际极寒环境下运营将更难保证火灾安全防护的可靠性。
根据本文分析结论可知，防火涂料施工在材料质量，防火涂料厚度，施工工艺，施工质量，材料储存运输等方面都存在需要改进的地方。
本次针对膨胀型防火涂料在冬季施工引起开裂的问题的研究，给出以下建议：
（1） 合理设计防火涂料的厚度。与相关的火灾安全分析结合考虑，综合防火需求，在满足防火需求的情况下，尽量降低膨胀型防火涂料的厚度；
（2）多层涂覆的防火涂料系统，会由于系统本身应力（预热50 ℃后喷涂固化残余应力、结构变形应力以及环境温度变化引起的热应力）而更容易引起开裂风险，而随着涂层的厚度增加，开裂风险将急剧增加。可以优化施工程序，保证涂层厚度在设计要求范围内，加强厚度监控；
（3）采购的防火涂料在运输存储的全过程中，应做好防护措施，避免暴露在过低温度环境中；
（4）膨胀型防火涂料其低温环境下的耐受性需要得到相关厂家进一步论证。
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