石油化工企業(yè)鋼結(jié)構防火設計及工程應用要點

石油化工企業(yè)鋼結(jié)構防火設計及工程應用要點摘要:石油化工企業(yè)易燃易爆物品較多，發(fā)生火災的幾率非常大，一直以來鋼結(jié)構防火設計都是石油化工企業(yè)重點考慮內(nèi)容。隨著相關新規(guī)范的發(fā)布與施行，由原先以經(jīng)驗設計方法轉(zhuǎn)變?yōu)榛诮Y(jié)構構件耐火極限驗算的量化設計方法。本文以梳理現(xiàn)行規(guī)范體系下鋼結(jié)構防火設計要點、防火保護措施以及耐火驗算方法流程，探討其在石油化工領域的應用，以期為石油化工項目工程應用提供有益參考。關鍵詞：防火設計；耐火等級；耐火極限；防火保護措施引言鋼結(jié)構作為石油化工裝置的重要組成部分，具有自重輕、強度高、抗震性能好的特點，便于工業(yè)化生產(chǎn)、良好的裝配性、施工速度快、有利于縮短施工周期、降低工程成本，因此廣泛應用于石油化工、工業(yè)和民用建筑領域。但鋼結(jié)構也并非是一種完美的材料，也存在一定的缺陷，比如在耐火性能、抗腐蝕性能，特別鋼材在200℃~300℃時容易出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象。當鋼構件受到火災時，鋼材強度會隨溫度的升高而迅速降低，無防火保護的鋼結(jié)構在約20min時，強度和模量會降低70%左右，其耐火時間通常僅為15~20min，結(jié)構承載力很快喪失，發(fā)生倒塌破壞?；谀突鹪囼灥膫鹘y(tǒng)防火設計方法也就是常說的構件模擬實驗法，主要是通過設計荷載作用下的構件防火實驗確來確定構件的防火時限，主要以試驗結(jié)果數(shù)據(jù)為主。該方法由于建筑、構筑物功能復雜性等，使得耐火等級、耐火極限確定變得困難，一致在實際操作的過程中獲得的數(shù)據(jù)較為粗略，難以達到安全性和經(jīng)濟性要求。長期以來在結(jié)構設計者的印象中建筑防火設計是建筑師的范疇，所以很多結(jié)構設計人員對防火設計的概念不熟練，甚至不清晰。隨著防火設計相關新規(guī)范的發(fā)布與施行，對鋼結(jié)構設計者提出了更高的專業(yè)技術要求。這對于剛接觸新規(guī)范的設計者來說，無疑是新的考驗。新規(guī)范耐火驗算及防火設計主要圍繞鋼結(jié)構耐火承載力極限狀態(tài)，火災下鋼結(jié)構破壞的本質(zhì)是結(jié)構承載力作用下鋼材強度、剛度快速衰減導致結(jié)構承載力的喪失。以下結(jié)合建筑鋼結(jié)構防火設計以及石油化工相關新規(guī)范的施行內(nèi)容，重點介紹基于耐火驗算的鋼結(jié)構防火設計流程和設計要點以及實際工程中如何選擇防火涂料和應用。1防火設計基本要點梳理建筑防火設計無疑是建筑設計中的重點，需明確建筑防火設計的基本流程和順序→耐火等級的確定→整體布局基本要求→構件耐火時限以及消防設施配套等要求等；由此結(jié)構專業(yè)進行鋼結(jié)構設計時，圖紙上應需注明必要的防火設計技術文件指標參數(shù)和注意事項；以下從幾個方面介紹如何根據(jù)規(guī)范確定耐火等級和耐火極限、防火保護措施，以及如何確定符合選型的防火涂料等。1.1確定耐火等級和耐火極限進行建筑防火設計時針對不同類別性質(zhì)用途的建筑物有不同的耐火等級，這樣可以做到經(jīng)濟性，既利于工程投資建設，又有利于建筑消防安全。建筑物的使用性質(zhì)和重要性、火災危險性（大?。┮约敖ㄖ锏母叨龋娣e）等是影響耐火等級主要因素。石油化工建（構）筑物內(nèi)生產(chǎn)及儲存物品的火災危險性分類符合規(guī)范范圍時，應進行防火保護設計，其耐火等級由產(chǎn)品類別和建筑面積確定。根據(jù)GB50160—2008<2018年版>第5.6.2條與SH3137—2013第4.1規(guī)定，進一步確定建（構）筑物鋼構件的耐火等級。石化企業(yè)建筑物的防火要求在建筑專業(yè)設計統(tǒng)一技術中體現(xiàn)。結(jié)構耐火時間≥結(jié)構耐火極限（一般是通過構件的模擬實驗法來獲得數(shù)據(jù)），其判定條件為：失去穩(wěn)定性、失去完整性和失去絕熱性。石油化工耐火極限在SH3137—2013第4.3、第5.1條和GB50160—2008<2018年版>第5.6.2有明確的規(guī)定。耐火極限也可以通過耐火試驗或耐火驗算獲得，當兩種方式得出的數(shù)據(jù)不一致時，應以耐火試驗所得數(shù)據(jù)為準。1.2確定防火保護范圍石油化工鋼結(jié)構防火保護范圍設計依據(jù)：（1）GB50160—2008<2018年版>第5.6.1條和SH3137—2013第3.1、3.2條都明確規(guī)定了石油化工企業(yè)生產(chǎn)區(qū)符合規(guī)定的建（構）筑物鋼結(jié)構應進行防火保護設計。構筑物鋼結(jié)構具體的防火保護范圍按照GB50160—2008<2018年版>第5.6.2條和SH3137—2013第5.2、4.4條執(zhí)行。（2）GB50160—2008<2018年版>與SH3137—2013關于防火設計保護范圍的描述基本是一致，但也略有不同。其中GB50160—2008<2018年版>第5.6.1條增加了“裙座、跨越裝置區(qū)以及罐區(qū)消防車道的鋼管架”防火保護要求，以避免火災發(fā)生時該部位的鋼管架坍塌而影響消防車通行；在構件層面，除框架梁、柱外，SH3137—2013對支承設備鋼構架的承重柱間支撐、設備支承梁、設備支座及空冷器支架同樣做出了防火保護的要求。（3）據(jù)業(yè)主提供的全廠爆炸危險區(qū)域劃分圖的信息進行建（構）構物鋼結(jié)構防火保護范圍確定；特別注意跨越裝置區(qū)以及罐區(qū)消防車道的鋼管架。1.3確定防火保護措施及構造設計時應立足于有效的防火保護前提下，結(jié)合現(xiàn)場實際條件，綜合考慮構件承載形式、環(huán)境因素、施工方便和質(zhì)量可靠等因素，同時也應和其他施工、作業(yè)相匹配。石油化工多采用噴涂（抹涂、刷涂）防火涂料的方法；其它方法可參見GB51249—2017條文說明第4.1.2條表2給出了這些方法的特點及適應范圍。石油化工及其他易燃易爆產(chǎn)品在生產(chǎn)、儲存、使用過程中采用的防火保護材料，應按GA/T714-2007《構件用防火保護材料：快速升溫耐火實驗方法》的升溫曲線進行實驗。鋼構件基層面防腐蝕底漆與防火涂料兩種材料需相適應并具有良好的結(jié)合力，防火涂料應采用具有地碳環(huán)保性能，不應含有石棉和玻璃纖維等有害物質(zhì)，也不宜采用苯類溶劑類產(chǎn)品，可參見SH3137—2013第6.1、6.2的規(guī)定；GB14907—2018《鋼結(jié)構防火涂料》將防火涂料按照火災防護對象、使用場所、分散介質(zhì)以及防火機理進行分類。見下表格;使用場所使用厚度分散介質(zhì)防火機理火災防護對象室內(nèi)型室外型超薄型薄型厚型水基性溶劑性膨脹型非膨脹型普通型特殊型T/CECS24—2020《鋼結(jié)構防火涂料應用技術規(guī)程》增加了防火涂料分類，按成膜物不同將膨脹型鋼結(jié)構防火涂料分為環(huán)氧類和非環(huán)氧類。石油化工鋼結(jié)構建(構)筑物，應選用的防火涂料種類為室外非膨脹型或室外環(huán)氧類膨脹型，且符合第3.2條要求；石油化工鋼結(jié)構防火涂層厚度選用方法：SH3137—2013第6.3.1條：a）通過耐火試驗數(shù)據(jù)選定相應的保護層；b）采用厚型（非膨脹型）防火涂料時，可根據(jù)標準耐火試驗數(shù)據(jù)，按SH3137—2013附錄C或GB51249-2017附錄A的計算方法推算涂層厚度。防火保護層構造可參見GB51249-2017第4.2節(jié)及SH3137—2013第7節(jié)。其中特別主要梁頂面有覆蓋層（如鋪板、管道、儀表橋架、設備、DECK板以及格柵板等）的情況做法。2鋼結(jié)構防火設計驗算方法結(jié)構設計師可以根據(jù)建筑物或構筑物的不同結(jié)構類型的重要性，結(jié)合荷載特性等對基于結(jié)構整體結(jié)構耐火驗算或基于構件耐火驗算；其本質(zhì)都是R（結(jié)構構件抗力）≥S（荷載作用效應組合）。規(guī)范GB51249—2017第3.1.2條規(guī)定了鋼結(jié)構構件的耐火極限驗算方法以及防火保護措施的關系。規(guī)范3.2.6中規(guī)定的耐火極限法、承載力法和臨界溫度法這三種基于構件驗算方法其效果是一致的。以下主要梳理討論在PKPM軟件中如何實現(xiàn)臨界溫度法以及如何填寫軟件參數(shù)；TS——PKPM軟件運用的參數(shù)臨界問題；2.1防火設計在PKPM軟件中運用：構件的荷載比R=火災下（結(jié)構或構件的荷載效應設計值）/（其常溫下的承載力設計值）的比值。參見規(guī)范GB51249—20177.2章節(jié)規(guī)定；主要分為：軸心受拉鋼構件強度荷載比；軸心受壓鋼構件強度荷載比和穩(wěn)定荷載比；單軸受彎鋼構件強度荷載比和穩(wěn)定荷載比；拉彎鋼構件強度荷載比；壓彎鋼構件強度荷載比和穩(wěn)定荷載比；主要和荷載比、鋼材類型、長細比以及穩(wěn)定系數(shù)有關；可參見規(guī)范GB51249—20177.2章節(jié)規(guī)定；標準火災升溫曲線在規(guī)范GB51249—2017第6.1.1條規(guī)定常見的室內(nèi)火災升溫曲線函數(shù)如下所示：1、對于以纖維類物質(zhì)為主的火災，可按下式確定：2、對于以烴類物質(zhì)為主的火災，可按下式確定：t—火災持續(xù)時間（min）；Tg—火災發(fā)展到t時刻的熱煙氣平均溫度（℃）；Tg0—火災前室內(nèi)環(huán)境的溫度（℃），可取20℃。其中PKPM軟件程序開放計算步長t，供用戶定義，根據(jù)規(guī)范要求該步長不應大于5s，以避免計算結(jié)果失真。構件溫度:GB51249—2017第6.2節(jié)，其中F/V—無防火保護鋼構件的截面形狀系數(shù)；它等于構件受火面積/相應的體積；

PKPM中提供了規(guī)范中給出兩種保護層的布置方式；從規(guī)范GB51249—2017第6.2.1-1條公式可以得出結(jié)論：關于F/V截面形狀系數(shù)越大，構件越輕薄，升溫越快。也就是說同樣條件下，矩形形式的保護層要比周邊形式保護層，所需保存層厚度小。防火材料屬性——等效熱阻和保護層厚度；PKPM軟件給出了用戶需要的防火材料修改面板，用戶可以根據(jù)防火材料廠家給出的防火材料屬性進行填寫。對于膨脹型防火材料，程序根據(jù)規(guī)范的相關公式只給出等效熱阻；對于非膨脹型防火材料程序根據(jù)規(guī)范的相關公式給出了等效熱阻和所需保護層厚度。防火材料的等效導熱系數(shù)（λi）值通常情況下厚型防火涂料（0.100W/m·℃）左右，柔性氈類防火涂料一般可取（0.0450W/m·℃）左右，具體數(shù)值還需用戶參考具體工程的防火材料信息確定填寫。

等效熱阻—GB51249—2017第3.1.5條和6.2.2條文說明有其規(guī)定，取值范圍一般在[0.010~0.500]值之間，它是衡量防火保護層防火保護性能的重要的技術指標。等效熱阻值越大（即刷涂厚度越厚或涂料性能越高），涂料防護性能就越好，構件在耐火時間內(nèi)升溫就越低，構件在高溫下就越不容易屈服。當施工中使用的防火保護材料等效熱阻系數(shù)與設計條件規(guī)定的不一致，設計師可以根據(jù)等效熱阻相等的原則來進行等價代換確定防火保護層的施工厚度。3鋼結(jié)構防火設計案例分析及其防火保護措施選用依托某實際工程位于上?；@區(qū)，主裝置及公用工程管廊鋼結(jié)構構筑物耐火極限不小于2小時，其防火涂料做法參數(shù)要求如下表所示：油漆系統(tǒng)號：EM/EM;油漆等級GLS-2013涂層系統(tǒng)Paintsystem干膜厚度DFT(μm)底漆Primer環(huán)氧瑪蹄脂EpoxyMastic250防火涂料Firecoating非膨脹厚型防火涂料（室外）Non-expansionthickfireretardantcoating(outdoor)≥15mm結(jié)構中各構件耐火極限取用原則：鋼結(jié)構柱間支撐耐火極限同鋼柱，樓蓋系統(tǒng)中的支撐同鋼梁的耐火極限，屋蓋系統(tǒng)中支撐、系桿同屋面承重構件的耐火極限。強節(jié)點和弱構件設計原則，節(jié)點防火保護措施應采用與其鏈接構件的較高者相同。其中防火設計的計算書如下：構件類型耐火極（h）防火涂料類型涂層厚度（mm）等效熱阻（m2.C/w）鋼柱2.0非膨脹型18.800.31鋼梁2.0非膨脹型22.980.38本工程選用涂抹非膨脹型防火涂料進行防火保護。耐火極限不小于2小時，鋼框架柱、鋼支撐以及鋼梁的防火涂料厚度為30mm；采用了室外非膨脹型鋼結(jié)構防火涂料GT-WSF-Ft2.0-LT主型產(chǎn)品關鍵原材料。DG/TJ08-008-2017附錄B.0.5條等效熱傳導系數(shù)0.089W/m?0c配料表：1).水泥（P?F3.2.5）:初凝時間≥15min,終凝時間≤10h;2).膨脹珍珠巖：導熱系數(shù)≤0.0550W/(m?k);3).膨脹蛭石：松密度≤161.0kg/m3;基準隔熱效率（涂層厚度25mm）:122min。耐火性能實驗采用GA/T714-2007烴類（HC）火災升溫實驗條件,符合耐火實驗要求。4結(jié)束語設計師需重視鋼結(jié)構防火設計和防火涂料的合理性選擇，在石油化工工程中起到關鍵的作用。設計階段要重視概念設計、思路清晰。要有合理正確的判斷識別能力，通過科學的設計方法及有效的防火構造保護措施，保證鋼結(jié)構在全生命周期內(nèi)完成既定防火目標的任務。特別在使用防火涂料時，相關的工作人員一定要對防火涂料進行嚴格的檢測，確保防火涂料達到鋼結(jié)構防火設計的標準。參考文獻[1]《建筑鋼結(jié)構防火技術規(guī)范》GB51249-2017[S].北京：中國計劃出版社，2018.[2]《建筑設計防火規(guī)范》GB50016-2014[S].北京：中國計劃出版社，2015.[3]《石油化工鋼結(jié)構防火保護技術規(guī)范》SH3137-2013[S].北京：中國石化出版社，201