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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?；诓煌阑饑蜋诘男阅?，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(duì)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(tái)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(dòng)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(gè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?；鹧?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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(huì)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(cè)并進(jìn)行防火性能測試，測試需要采取對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(jí)中邁向新的臺(tái)階。