石油化工企业钢结构防火设计及工程应用要点

石油化工企业钢结构防火设计及工程应用要点摘要:石油化工企业易燃易爆物品较多，发生火灾的几率非常大，一直以来钢结构防火设计都是石油化工企业重点考虑内容。随着相关新规范的发布与施行，由原先以经验设计方法转变为基于结构构件耐火极限验算的量化设计方法。本文以梳理现行规范体系下钢结构防火设计要点、防火保护措施以及耐火验算方法流程，探讨其在石油化工领域的应用，以期为石油化工项目工程应用提供有益参考。关键词：防火设计；耐火等级；耐火极限；防火保护措施引言钢结构作为石油化工装置的重要组成部分，具有自重轻、强度高、抗震性能好的特点，便于工业化生产、良好的装配性、施工速度快、有利于缩短施工周期、降低工程成本，因此广泛应用于石油化工、工业和民用建筑领域。但钢结构也并非是一种完美的材料，也存在一定的缺陷，比如在耐火性能、抗腐蚀性能，特别钢材在200℃~300℃时容易出现蓝脆现象。当钢构件受到火灾时，钢材强度会随温度的升高而迅速降低，无防火保护的钢结构在约20min时，强度和模量会降低70%左右，其耐火时间通常仅为15~20min，结构承载力很快丧失，发生倒塌破坏。基于耐火试验的传统防火设计方法也就是常说的构件模拟实验法，主要是通过设计荷载作用下的构件防火实验确来确定构件的防火时限，主要以试验结果数据为主。该方法由于建筑、构筑物功能复杂性等，使得耐火等级、耐火极限确定变得困难，一致在实际操作的过程中获得的数据较为粗略，难以达到安全性和经济性要求。长期以来在结构设计者的印象中建筑防火设计是建筑师的范畴，所以很多结构设计人员对防火设计的概念不熟练，甚至不清晰。随着防火设计相关新规范的发布与施行，对钢结构设计者提出了更高的专业技术要求。这对于刚接触新规范的设计者来说，无疑是新的考验。新规范耐火验算及防火设计主要围绕钢结构耐火承载力极限状态，火灾下钢结构破坏的本质是结构承载力作用下钢材强度、刚度快速衰减导致结构承载力的丧失。以下结合建筑钢结构防火设计以及石油化工相关新规范的施行内容，重点介绍基于耐火验算的钢结构防火设计流程和设计要点以及实际工程中如何选择防火涂料和应用。1防火设计基本要点梳理建筑防火设计无疑是建筑设计中的重点，需明确建筑防火设计的基本流程和顺序→耐火等级的确定→整体布局基本要求→构件耐火时限以及消防设施配套等要求等；由此结构专业进行钢结构设计时，图纸上应需注明必要的防火设计技术文件指标参数和注意事项；以下从几个方面介绍如何根据规范确定耐火等级和耐火极限、防火保护措施，以及如何确定符合选型的防火涂料等。1.1确定耐火等级和耐火极限进行建筑防火设计时针对不同类别性质用途的建筑物有不同的耐火等级，这样可以做到经济性，既利于工程投资建设，又有利于建筑消防安全。建筑物的使用性质和重要性、火灾危险性（大小）以及建筑物的高度（面积）等是影响耐火等级主要因素。石油化工建（构）筑物内生产及储存物品的火灾危险性分类符合规范范围时，应进行防火保护设计，其耐火等级由产品类别和建筑面积确定。根据GB50160—2008<2018年版>第5.6.2条与SH3137—2013第4.1规定，进一步确定建（构）筑物钢构件的耐火等级。石化企业建筑物的防火要求在建筑专业设计统一技术中体现。结构耐火时间≥结构耐火极限（一般是通过构件的模拟实验法来获得数据），其判定条件为：失去稳定性、失去完整性和失去绝热性。石油化工耐火极限在SH3137—2013第4.3、第5.1条和GB50160—2008<2018年版>第5.6.2有明确的规定。耐火极限也可以通过耐火试验或耐火验算获得，当两种方式得出的数据不一致时，应以耐火试验所得数据为准。1.2确定防火保护范围石油化工钢结构防火保护范围设计依据：（1）GB50160—2008<2018年版>第5.6.1条和SH3137—2013第3.1、3.2条都明确规定了石油化工企业生产区符合规定的建（构）筑物钢结构应进行防火保护设计。构筑物钢结构具体的防火保护范围按照GB50160—2008<2018年版>第5.6.2条和SH3137—2013第5.2、4.4条执行。（2）GB50160—2008<2018年版>与SH3137—2013关于防火设计保护范围的描述基本是一致，但也略有不同。其中GB50160—2008<2018年版>第5.6.1条增加了“裙座、跨越装置区以及罐区消防车道的钢管架”防火保护要求，以避免火灾发生时该部位的钢管架坍塌而影响消防车通行；在构件层面，除框架梁、柱外，SH3137—2013对支承设备钢构架的承重柱间支撑、设备支承梁、设备支座及空冷器支架同样做出了防火保护的要求。（3）据业主提供的全厂爆炸危险区域划分图的信息进行建（构）构物钢结构防火保护范围确定；特别注意跨越装置区以及罐区消防车道的钢管架。1.3确定防火保护措施及构造设计时应立足于有效的防火保护前提下，结合现场实际条件，综合考虑构件承载形式、环境因素、施工方便和质量可靠等因素，同时也应和其他施工、作业相匹配。石油化工多采用喷涂（抹涂、刷涂）防火涂料的方法；其它方法可参见GB51249—2017条文说明第4.1.2条表2给出了这些方法的特点及适应范围。石油化工及其他易燃易爆产品在生产、储存、使用过程中采用的防火保护材料，应按GA/T714-2007《构件用防火保护材料：快速升温耐火实验方法》的升温曲线进行实验。钢构件基层面防腐蚀底漆与防火涂料两种材料需相适应并具有良好的结合力，防火涂料应采用具有地碳环保性能，不应含有石棉和玻璃纤维等有害物质，也不宜采用苯类溶剂类产品，可参见SH3137—2013第6.1、6.2的规定；GB14907—2018《钢结构防火涂料》将防火涂料按照火灾防护对象、使用场所、分散介质以及防火机理进行分类。见下表格;使用场所使用厚度分散介质防火机理火灾防护对象室内型室外型超薄型薄型厚型水基性溶剂性膨胀型非膨胀型普通型特殊型T/CECS24—2020《钢结构防火涂料应用技术规程》增加了防火涂料分类，按成膜物不同将膨胀型钢结构防火涂料分为环氧类和非环氧类。石油化工钢结构建(构)筑物，应选用的防火涂料种类为室外非膨胀型或室外环氧类膨胀型，且符合第3.2条要求；石油化工钢结构防火涂层厚度选用方法：SH3137—2013第6.3.1条：a）通过耐火试验数据选定相应的保护层；b）采用厚型（非膨胀型）防火涂料时，可根据标准耐火试验数据，按SH3137—2013附录C或GB51249-2017附录A的计算方法推算涂层厚度。防火保护层构造可参见GB51249-2017第4.2节及SH3137—2013第7节。其中特别主要梁顶面有覆盖层（如铺板、管道、仪表桥架、设备、DECK板以及格栅板等）的情况做法。2钢结构防火设计验算方法结构设计师可以根据建筑物或构筑物的不同结构类型的重要性，结合荷载特性等对基于结构整体结构耐火验算或基于构件耐火验算；其本质都是R（结构构件抗力）≥S（荷载作用效应组合）。规范GB51249—2017第3.1.2条规定了钢结构构件的耐火极限验算方法以及防火保护措施的关系。规范3.2.6中规定的耐火极限法、承载力法和临界温度法这三种基于构件验算方法其效果是一致的。以下主要梳理讨论在PKPM软件中如何实现临界温度法以及如何填写软件参数；TS——PKPM软件运用的参数临界问题；2.1防火设计在PKPM软件中运用：构件的荷载比R=火灾下（结构或构件的荷载效应设计值）/（其常温下的承载力设计值）的比值。参见规范GB51249—20177.2章节规定；主要分为：轴心受拉钢构件强度荷载比；轴心受压钢构件强度荷载比和稳定荷载比；单轴受弯钢构件强度荷载比和稳定荷载比；拉弯钢构件强度荷载比；压弯钢构件强度荷载比和稳定荷载比；主要和荷载比、钢材类型、长细比以及稳定系数有关；可参见规范GB51249—20177.2章节规定；标准火灾升温曲线在规范GB51249—2017第6.1.1条规定常见的室内火灾升温曲线函数如下所示：1、对于以纤维类物质为主的火灾，可按下式确定：2、对于以烃类物质为主的火灾，可按下式确定：t—火灾持续时间（min）；Tg—火灾发展到t时刻的热烟气平均温度（℃）；Tg0—火灾前室内环境的温度（℃），可取20℃。其中PKPM软件程序开放计算步长t，供用户定义，根据规范要求该步长不应大于5s，以避免计算结果失真。构件温度:GB51249—2017第6.2节，其中F/V—无防火保护钢构件的截面形状系数；它等于构件受火面积/相应的体积；

PKPM中提供了规范中给出两种保护层的布置方式；从规范GB51249—2017第6.2.1-1条公式可以得出结论：关于F/V截面形状系数越大，构件越轻薄，升温越快。也就是说同样条件下，矩形形式的保护层要比周边形式保护层，所需保存层厚度小。防火材料属性——等效热阻和保护层厚度；PKPM软件给出了用户需要的防火材料修改面板，用户可以根据防火材料厂家给出的防火材料属性进行填写。对于膨胀型防火材料，程序根据规范的相关公式只给出等效热阻；对于非膨胀型防火材料程序根据规范的相关公式给出了等效热阻和所需保护层厚度。防火材料的等效导热系数（λi）值通常情况下厚型防火涂料（0.100W/m·℃）左右，柔性毡类防火涂料一般可取（0.0450W/m·℃）左右，具体数值还需用户参考具体工程的防火材料信息确定填写。

等效热阻—GB51249—2017第3.1.5条和6.2.2条文说明有其规定，取值范围一般在[0.010~0.500]值之间，它是衡量防火保护层防火保护性能的重要的技术指标。等效热阻值越大（即刷涂厚度越厚或涂料性能越高），涂料防护性能就越好，构件在耐火时间内升温就越低，构件在高温下就越不容易屈服。当施工中使用的防火保护材料等效热阻系数与设计条件规定的不一致，设计师可以根据等效热阻相等的原则来进行等价代换确定防火保护层的施工厚度。3钢结构防火设计案例分析及其防火保护措施选用依托某实际工程位于上海化工园区，主装置及公用工程管廊钢结构构筑物耐火极限不小于2小时，其防火涂料做法参数要求如下表所示：油漆系统号：EM/EM;油漆等级GLS-2013涂层系统Paintsystem干膜厚度DFT(µm)底漆Primer环氧玛蹄脂EpoxyMastic250防火涂料Firecoating非膨胀厚型防火涂料（室外）Non-expansionthickfireretardantcoating(outdoor)≥15mm结构中各构件耐火极限取用原则：钢结构柱间支撑耐火极限同钢柱，楼盖系统中的支撑同钢梁的耐火极限，屋盖系统中支撑、系杆同屋面承重构件的耐火极限。强节点和弱构件设计原则，节点防火保护措施应采用与其链接构件的较高者相同。其中防火设计的计算书如下：构件类型耐火极（h）防火涂料类型涂层厚度（mm）等效热阻（m2.C/w）钢柱2.0非膨胀型18.800.31钢梁2.0非膨胀型22.980.38本工程选用涂抹非膨胀型防火涂料进行防火保护。耐火极限不小于2小时，钢框架柱、钢支撑以及钢梁的防火涂料厚度为30mm；采用了室外非膨胀型钢结构防火涂料GT-WSF-Ft2.0-LT主型产品关键原材料。DG/TJ08-008-2017附录B.0.5条等效热传导系数0.089W/m▪0c配料表：1).水泥（P▪F3.2.5）:初凝时间≥15min,终凝时间≤10h;2).膨胀珍珠岩：导热系数≤0.0550W/(m▪k);3).膨胀蛭石：松密度≤161.0kg/m3;基准隔热效率（涂层厚度25mm）:122min。耐火性能实验采用GA/T714-2007烃类（HC）火灾升温实验条件,符合耐火实验要求。4结束语设计师需重视钢结构防火设计和防火涂料的合理性选择，在石油化工工程中起到关键的作用。设计阶段要重视概念设计、思路清晰。要有合理正确的判断识别能力，通过科学的设计方法及有效的防火构造保护措施，保证钢结构在全生命周期内完成既定防火目标的任务。特别在使用防火涂料时，相关的工作人员一定要对防火涂料进行严格的检测，确保防火涂料达到钢结构防火设计的标准。参考文献[1]《建筑钢结构防火技术规范》GB51249-2017[S].北京：中国计划出版社，2018.[2]《建筑设计防火规范》GB50016-2014[S].北京：中国计划出版社，2015.[3]《石油化工钢结构防火保护技术规范》SH3137-2013[S].北京：中国石化出版社，201