阻燃防火布

近年來，伴隨著海上油氣勘探開采和石油運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，海上石油天然氣發(fā)生井噴著火事件頻繁發(fā)生，經(jīng)濟(jì)損失和社會影響巨大，海上溢油事故往往伴隨著火災(zāi)事故發(fā)生，為了對燃燒的溢油進(jìn)行有效圍控，需要采用防火圍油欄進(jìn)行圍控，由于普通防火圍油欄無法滿足長時(shí)間高溫下的圍控作業(yè)和耐火時(shí)長需求，因此需要針對性地開展海面溢油防火圍油欄研究，解決高溫下長時(shí)間有效圍控燃燒溢油的難題。溢油應(yīng)急過程中針對海上溢油燃燒作業(yè)，為了防止圍控區(qū)域內(nèi)的溢油四處飄散并便于集中燃燒處置，防火圍油欄需要長時(shí)間圍控燃燒的溢油，在現(xiàn)場燃燒過程中發(fā)現(xiàn)國內(nèi)目前的防火圍油欄無法對燃燒溢油進(jìn)行有效圍控，這主要由于國內(nèi)防火圍油欄防火性能差，溢油防火有效圍控時(shí)長只有幾十分鐘，難以形成有效圍控。國外溢油處置公司如美國Elastic、芬蘭Lamor、丹麥Desmi等生產(chǎn)的防火圍油欄產(chǎn)品使用的防火材料性能更好，在實(shí)際應(yīng)用中能夠形成較長時(shí)間的圍控，但無公開報(bào)道國外圍油欄可以達(dá)到超過24h的防火圍控，而且價(jià)格昂貴，采購周期長，關(guān)鍵核心技術(shù)保密，目前在國內(nèi)海上溢油事故中沒有國外防火圍油欄應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。

因此，本文在調(diào)研國內(nèi)外防火圍油欄產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對國內(nèi)外現(xiàn)有的海面溢油防火圍油欄防火材料進(jìn)行了分析，對適用于防火圍油欄的欄體耐火材料進(jìn)行研究[1]，并提出了一種防火圍油欄耐火材料結(jié)構(gòu)組合方式，立足實(shí)際有針對性地探討了溢油應(yīng)急領(lǐng)域防火圍油欄需解決的耐火材料問題，為防火圍油欄的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了思路，以期解決我國溢油應(yīng)急行業(yè)的卡脖子難題[2]。

1 國內(nèi)外防火圍油欄現(xiàn)狀分析

防火圍油欄主要用于海上溢油已經(jīng)起火的情況，或打算用燃燒法清除海上溢油的情況。為了更加清晰地了解海上溢油燃燒圍控需求，本文調(diào)研了國內(nèi)外現(xiàn)有防火圍油欄結(jié)構(gòu)形式，綜合分析現(xiàn)有防火圍油欄的設(shè)計(jì)參數(shù)和防火性能（耐火溫度與耐火時(shí)長），并選取不同形式的欄體耐火材料進(jìn)行分析。基于不同防火圍油欄的性能，結(jié)合當(dāng)前防火圍油欄耐磨損、耐高溫時(shí)間長、布放回收方便的總體研發(fā)需求，遴選國內(nèi)外應(yīng)用相對成熟的防火圍油欄結(jié)構(gòu)形式，開展防火材料選型研究，從而選取能達(dá)到24h以上耐火燃燒時(shí)長的阻燃耐火柔性欄體材料（原油燃燒高溫度可達(dá)1315℃，一般要求防火圍油欄欄體耐火溫度大于1000℃）。

目前國內(nèi)外防火圍油欄主要分為水冷型和非水冷阻燃型兩種形式產(chǎn)品。水冷型防火圍油欄是在高分子或充氣式浮力結(jié)構(gòu)外層覆蓋持續(xù)被海水浸透的水滲透性材料，滲水材料包覆氣室形成防火保護(hù)層以承受高溫灼燒，并使用高流量供水泵為水滲防火保護(hù)層不斷提供冷卻水達(dá)到防火降溫的效果，代表性產(chǎn)品如美國Elastec的Hydro-fire Boom。阻燃型防火圍油欄

Pyroboom防火圍油欄將特殊鋼絲增強(qiáng)耐火材料織物與傳統(tǒng)的GlobeBoom形式結(jié)合在一起形成欄體，防火部分由硅酮涂層高溫金屬絲和Fiberfrax陶瓷纖維交織而成。金屬半球填充玻璃泡沫再通過機(jī)械方式連接到欄體上，水線以下采用PVC涂層聚酯織物以達(dá)到一定的強(qiáng)度和柔韌性，現(xiàn)場燃燒耐火時(shí)長為3小時(shí)13分鐘，但該公司在耐火測試中發(fā)現(xiàn)該圍油欄暴露在1315℃溫度的火焰中可長達(dá)24小時(shí)，仍能保持其有效性和結(jié)構(gòu)連續(xù)性。

該防火圍油欄是一種由多種高溫材料組成的多層結(jié)構(gòu)，充氣室由耐高溫織物制成，能夠?yàn)閲蜋诘臍馐冶３至己玫臍饷苄?，陶瓷布將氣室與高溫油火隔離，外層覆蓋不銹鋼網(wǎng)。氣室連接到由聚氨酯織物制成的圍油欄裙體上，裙體底部有鍍鋅配重鏈條，也用作張緊構(gòu)件。在2010年由美國Oil stop公司生產(chǎn)的同類圍油欄持續(xù)燃燒測試時(shí)間為1小時(shí)34分鐘。但此種防火圍油欄由充氣型氣室提供浮力，不適宜海上平臺的定點(diǎn)長期圍控。

1.4 國內(nèi)不銹鋼防火圍油欄

國內(nèi)防火圍油欄主要在2000年左右引進(jìn)國外代不銹鋼型防火圍油欄，水上部分采用耐熱防銹的不銹鋼，柔性段欄體采用防火纖維編織布、金屬絲網(wǎng)和耐高溫橡膠構(gòu)成，現(xiàn)在國內(nèi)主要防火圍油欄廠商為光明、華海、泰洋等公司。目前國內(nèi)在實(shí)際應(yīng)急過程中很少采用受控燃燒技術(shù)處置溢油的實(shí)例，海上溢油燃燒事故時(shí)采用國內(nèi)不銹鋼防火圍油欄進(jìn)行作業(yè)時(shí)，浮體中間連接的柔性欄體連接強(qiáng)度低，有效圍控燃燒溢油時(shí)間不足20分鐘，除了不耐高溫之外，欄體結(jié)構(gòu)非常笨重，無法使用卷繞機(jī)進(jìn)行自動收放，作業(yè)時(shí)需要大量船舶甲板資源和作業(yè)人員，布放回收效率低。

現(xiàn)場燃燒作為清除溢油的有效解決方案之一，以上幾種防火圍油欄是目前市場流行的產(chǎn)品，下圖為調(diào)研的幾種防火圍油欄溢油燃燒時(shí)長，由于現(xiàn)場溢油燃燒可能中斷，此圖僅作為各產(chǎn)品耐火時(shí)長參考。在實(shí)際現(xiàn)場溢油燃燒過程中并沒有達(dá)到24h燃燒時(shí)長的案例（其中僅DESMI公司在Pyroboom產(chǎn)品宣傳中顯示其耐火測試時(shí)達(dá)到了24h的耐火時(shí)長），所以選取優(yōu)異的耐火材料和恰當(dāng)?shù)牟牧辖M合成為了防火圍油欄具有長時(shí)間防火圍控能力的關(guān)鍵。

2 防火圍油欄欄體耐火材料研究

為了促進(jìn)阻燃隔熱耐火材料在原油泄漏污染防治方向的研究和發(fā)展，特別是應(yīng)用于防火圍油欄欄體的加工制作，防火圍油欄欄體耐火材料需要考慮以下幾個方面：

2.1 耐火材料選型

防火圍油欄欄體需要選取合適的隔熱耐火材料，它從很大程度上決定了欄體能夠承受的溫度和耐火時(shí)長，是防火屏障的主要受熱部分，選取合適的耐火材料后還需要在實(shí)際使用工況條件下對耐火材料樣品進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。

由于防火圍油欄需要在溫度大于1000℃的高溫下承受24h的燃燒測試，圍油欄材料選型在借鑒國內(nèi)外性能優(yōu)異的防火材料基礎(chǔ)上，根據(jù)海上實(shí)際環(huán)境情況，通過方案比選和分析，擬采用多層防火材料（合金金屬絲網(wǎng)、陶瓷纖維等）編織，外層涂覆耐高溫橡膠（如硅酮橡膠等），粘合強(qiáng)度大于250N/50mm。然后開展防火圍油欄樣品的試制和試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)盡可能模擬海上溢油圍控燃燒工況，并使用防火圍油欄材料樣品在類似實(shí)際使用工況的條件下燃燒對比實(shí)驗(yàn)，收集分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分比較各方案作為圍油欄防火欄體的優(yōu)劣性，從而確定佳的防火材料作為防火圍油欄水面部分欄體材料。

2.2 耐火材料樣品測試

確定防火材料初步選型后對選取的材料進(jìn)行燃燒測試，分別進(jìn)行了多組防火材料高溫爐耐火試驗(yàn)和防火材料水箱內(nèi)耐火試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)材料包括合金金屬絲網(wǎng)、陶瓷纖維布（毯）、金屬片、硅橡膠等，根據(jù)不同厚度規(guī)格和組合方式設(shè)置正交實(shí)驗(yàn)方案，防火圍油欄材料樣品在類似實(shí)際使用工況的條件下燃燒對比實(shí)驗(yàn)表明，合金金屬絲網(wǎng)靠近火焰的一側(cè)作為耐磨層保護(hù)耐磨性差的陶瓷纖維層和硅橡膠層，通過金屬良好的導(dǎo)熱性向海水中傳導(dǎo)一部分熱量使陶瓷纖維層的溫度在一定程度上降低[3]。陶瓷纖維層作為隔熱層，通過自身的隔熱性能和吸水特性，確保火焰?zhèn)鲗?dǎo)至硅橡膠層的溫度在150℃以下，使硅橡膠層可以長時(shí)間使用。硅橡膠層主要用于防止溢油透過圍油欄體，彌補(bǔ)金屬絲網(wǎng)和陶瓷纖維無法阻止油水透過的不足。通過初步實(shí)驗(yàn)證明：高溫鉻鎳鐵合金金屬絲網(wǎng)+陶瓷纖維布+硅橡膠防油層的材料構(gòu)成方式在模擬實(shí)際工況的水池實(shí)驗(yàn)中基本滿足耐火要求。然而防火圍油欄欄體的詳細(xì)設(shè)計(jì)和終耐火材料選取需要從更多隔熱防火材料中進(jìn)行充分比選，設(shè)計(jì)更加合理的材料組合模式和加工工藝，并通過火焰燃燒模擬對海上溢油的燃燒進(jìn)行分析，計(jì)算出圍油欄在實(shí)際使用時(shí)所承受的火焰溫度或熱通量，從而進(jìn)行更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟牧蠘悠穼?shí)驗(yàn)以選取佳耐火材料來滿足同等海上工況條件下的作業(yè)要求。

2.3 欄體結(jié)構(gòu)分析

（1）耐火材料與合金金屬絲網(wǎng)復(fù)合

通過欄體結(jié)構(gòu)解析和實(shí)驗(yàn)論證，通過不同的耐火材料與合金金屬絲網(wǎng)復(fù)合可以增強(qiáng)欄體結(jié)構(gòu)的耐火性能，厚度和目數(shù)大的高性能耐火纖維材料明顯優(yōu)于一般材料，同時(shí)不同材料組合形式的耐火性能差異較大，對多層耐火材料進(jìn)行組合優(yōu)化確實(shí)可以增強(qiáng)欄體的耐火性能，然后隨著層數(shù)的增多，圍油欄的浮重比會隨著下降，成本隨之上升。

（2）欄體力學(xué)分析

除了考慮欄體的耐火性能之外，防火圍油欄還需要考慮欄體的力學(xué)強(qiáng)度（主要為抗拉力和抗撕裂），欄體在布防回收和作業(yè)過程中會收到拖帶力、波浪的反復(fù)沖擊導(dǎo)致欄體產(chǎn)生震顫或翻滾，欄體配重鏈及欄體耐火材料與浮體的連接方式也會影響圍油欄的受力，一體化的欄體雖然不容易更換受損部件，但是能夠較好的保護(hù)欄體受力均勻，減少應(yīng)力集中導(dǎo)致的欄體撕裂風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)模塊化的欄體則容易更換易損部件，但抗撕裂能力差。

（3）欄體材料可加工工藝分析

由于國內(nèi)目前沒有生產(chǎn)過國外防火圍油欄同類型產(chǎn)品，欄體材料加工工藝和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)也尤為重要，如何有效地將多種耐火材料進(jìn)行復(fù)合編織，在外層涂覆耐高溫橡膠，并進(jìn)行批量化生產(chǎn)加工，成為了防火圍油欄走向制造領(lǐng)先的關(guān)鍵一步[4]。

2.3 防火性能測試方案

防火圍控欄試制完成后，通過編制生產(chǎn)測試手冊并進(jìn)行防火性能測試，測試需要采取對試制樣品進(jìn)行水池燃燒耐火試驗(yàn)，國際ASTM標(biāo)準(zhǔn)防火圍油欄耐火測試實(shí)驗(yàn)條件為在100kW/m2的熱通量（峰值小于150 kW/m2）下燃燒三次，每燒1小時(shí)冷卻1小時(shí)[5-6]。國內(nèi)采取的實(shí)驗(yàn)條件為：使用長度大于6m的一段配有接頭的圍油欄首尾連接成封閉形狀，水深大于圍油欄吃水的1.5倍，在大于1000℃的高溫下承受24h的燃燒測試[7]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，為了保持防火圍油欄的強(qiáng)度和完整性，要求防火圍控設(shè)備金屬件無明顯變形，水下部分完好，主體結(jié)構(gòu)無損壞，可出現(xiàn)部分材料燒毀或脫落，要求燃燒后浮重比不小于燃燒前的50%，干舷不小于燃燒前的50%，整體抗拉強(qiáng)度大于初始抗拉強(qiáng)度（45kN）的50%，燃燒后材料的收縮率小于1%。ASTM標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定開放水域防火圍油欄拉伸強(qiáng)度大于72N/mm，撕裂強(qiáng)度大于450N。

3 結(jié)論

本文通過遴選防火圍油欄結(jié)構(gòu)形式，開展了防火圍油欄材料選型研究，首先通過資料收集、情報(bào)分析、專家咨詢等手段確定遴選的防火圍油欄水上欄體耐火屏障面料等關(guān)鍵防火耐高溫材料，其次開展隔熱耐火材料的市場生產(chǎn)廠家調(diào)研，獲取市場已有防火耐高溫材料的材質(zhì)特征（如密度、抗拉強(qiáng)度、抗撕裂強(qiáng)度）、耐火性能等重要參數(shù)，后結(jié)合本項(xiàng)目欄體材料的耐火性能需求，尋找國內(nèi)相關(guān)廠家的防火隔熱材料樣品，搭建圍油欄燃燒測試實(shí)驗(yàn)水池，開展防火圍油欄樣品耐火性能檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證防火圍油欄樣品的耐火性能。將來根據(jù)圍油欄樣品耐火性能測試結(jié)果和更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃厝紵龑?shí)驗(yàn)還可以選取更加優(yōu)秀的耐火材料和材料復(fù)合方式，針對性改進(jìn)圍油欄設(shè)計(jì)制造方案，制定防火圍油欄加工工藝方案，進(jìn)行批量化生產(chǎn)加工。

隨著國家對環(huán)境保護(hù)的重視，促進(jìn)海洋資源和環(huán)境的保護(hù)，避免水體生態(tài)環(huán)境遭到破壞，加強(qiáng)防火圍油欄在內(nèi)的溢油應(yīng)急設(shè)備研發(fā)勢在必行，伴隨國內(nèi)工業(yè)水平的發(fā)展，我國耐火材料生產(chǎn)水平也已接近國際水平，部分領(lǐng)域已達(dá)到國際領(lǐng)先，產(chǎn)品成本和質(zhì)量均有較強(qiáng)的市場競爭力，但是需要考慮如何將新材料技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合才能更好地促進(jìn)耐火材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，這將推動隔熱耐火材料制品的應(yīng)用在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)升級中邁向新的臺階。