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膨脹型防火涂料在冬季施工中開裂原因分析與對策
2019年12月05日    閱讀量:18746    新聞來源:涂層與防護 涂料工業  |  投稿

01 引言


海洋石油工程領域與陸地相比,具有很多獨特的特點,如海上平臺結構緊湊,空間狹小。另一方面,海洋石油平臺油氣生產區、油氣處理區及儲存區等都是極易發生火災的危險區域,關系到人身及財產安全。


在海洋平臺上發生的火災,主要為碳氫化合物燃燒引發的,產生的碳氫火焰與常規纖維火焰不同,極難撲滅涂料在線coatingol.com。另一種噴射火焰則是含壓的石油或天然氣從設備或管道中泄露并噴射出,該類火災危險性更高。鋼材隨著溫度升高,其能承受的屈服應力也隨之降低,相關的曲線接近倒S型。通常情況下,在500 ℃左右(ISO 834-1),鋼材的強度急劇降低。依據不同鋼結構設計需求,達到鋼材失效的結構強度的溫度稱為核心溫度。通常裸鋼在5~10 min即能達到核心溫度。而經過防火保護的鋼材結構,能極大延長達到核心溫度的時間,從而為滅火、疏散、逃生和搶救險情贏得時間。


根據石油石化相關安全標準,必須對處在高危區域的鋼結構進行防火保護設計。常用的防火方式有防火板以及水泥基、膨脹型環氧防火涂料等。防火板安裝清潔,裝飾美觀,然而僅適用于纖維素類火災;水泥基防火材料耐火時間長,成本低,然而外觀粗陋,本身笨重,無法應用在潮濕的海洋環境;膨脹型環氧膜厚低,施工便捷,但是成本較高。


被動防火涂層的原理是,在需要防火保護的鋼結構表面施工一層高效的特種防火涂料,該涂層在火災場景中,能極大降低鋼材表面火焰的傳播速率,并減緩熱量的傳遞速度,在一定時間范圍內推遲鋼結構達到臨界屈服強度的時間,為火災救援和人員逃生贏得足夠時間。


隨著人們對安全防火重視程度的提高,越來越多的海洋石油平臺對核心區域采用涂裝防火涂層的保護方式。選擇防火涂料時,應充分考慮海洋鋼結構物的功能、存在的燃燒介質狀態、可能發生的火災火焰類型、人員逃生和啟動消防設施等的預期時間。最重要的是所選擇的防火涂料的性能應能達到與火災安全分析的適應性要求。根據大量報道和實際工程應用情況,認為防火防火涂料應具備以下性能:

(1)具有良好的完整性和抗火焰沖擊性。暴露于火焰中時,能夠保持防火涂層本身的完整,阻止火焰和煙的通過;(2)具有良好的涂層穩定性。海洋環境惡劣,后期的修補困難,因此要求防火涂料必須能夠提供超過20年的穩定防護;(3)具有良好的保溫性。在設計的防護的時間內,應能很好地阻擋熱量的傳播,未暴露面的溫度變化不能超過規定溫度;(4)防火涂層的防水、防腐性能,是否適合于復雜鋼結構的施工,火災中是否產生煙塵和有毒氣體等也是重要考量因素。


02 極寒環境下防火涂料的施工


2.1 施工條件

與常規防火涂料施工不同,本研究的項目是需要在極寒地區服役的某石油石化項目,其建造場地在青島黃島和天津塘沽兩地。施工時間持續2個年度,其冬季施工溫度較低,夏季施工溫度較高,溫度區間在-10~39 ℃之間,施工季節跨度較大。


防火涂料施工分為車間施工和場地施工兩種工況。


車間施工防火涂料:主要用于新建造的模塊,但需要預留出模塊上組裝和焊接的部位。車間施工噴砂和涂敷均采用機械設備自動完成,施工條件較好,能控制施工環境條件,滿足相關規格書和標準的要求。


現場施工防火涂料:主要是修補預留和損壞的部位。噴砂和涂敷均由工人手工完成,場地施工條件比車間要差,在冬季或雨季需要搭建棚子,控制施工溫度和相對濕度。


2.2存在的問題

防火涂料經過冬季施工后,在春季巡檢過程中,質檢人員在防火涂料表面發現了大量的裂紋,裂紋分布在整個模塊,無明顯規律,車間施工和現場施工的防火涂料都能發現裂紋,其中現場施工的防火涂料出現的裂紋最多。裂紋深度能達到底漆,嚴重時甚至出現成塊剝落的情況。


03 相關原因調查及探討


由于防火涂料是關乎項目后期運行安全的保障,是項目完整性不可或缺的一部分。據了解,目前世界上在極寒地區應用膨脹型防火涂料的經驗很少,在寒冷環境下施工的經驗也同樣不足。因此針對此次事件開展了全面調查。相關的調查包括針對防火涂料性能、防火涂料施工工藝、鋼結構受力分析及綜合性能等方面展開。


3.1防火涂料產品質量實驗

首先考慮的是產品質量是否存在問題。將實際使用的防火涂料送第三方實驗室進行檢測。對于附著在鋼結構上的防火涂料,首先考慮其抗壓強度和拉伸強度是否滿足要求。因為在施工,搬運,吊裝,焊接等過程中,會受到一定的外力,如果本身防火涂料的強度過低,則容易在這些外力的作用下導致開裂。檢測結果表明,從現場獲得的膨脹型防火涂料樣品,其抗壓強度和拉伸強度滿足產品說明書中的要求。


經過實驗室各項測試,得到的結論是場地使用的膨脹型防火漆產品是質量是合格的。但是我們考慮從現場得到得試塊是已經剝落或者是強行剝落下來的,試塊自身結合良好,送檢得到的性能不可能差別很大。即使小塊防火涂料的附著力等各項測試滿足要求,但是缺少大塊試樣的相關實驗,因而僅能證明在實驗室的基礎上,防火涂料的質量符合產品要求。防火漆開裂因素還需要從其他方面尋找。


3.2防火涂料施工程序調查

防火涂料的施工需要經過多道程序,以普通碳鋼為例,首先需要經過噴砂處理鋼結構表面。在噴砂完成后,需要進行底漆施工,且在全面噴涂施工前,對于焊縫、自由邊、角落或噴涂難以達到的部位應預涂。底漆應牢固粘結在鋼表面,附著力達到ISO 2409 的0級,漆膜厚度為50~75μm。


在上一道工序質量滿足要求后,才能施工防火涂料。對車間環境要控制在空氣溫度不低于10℃;相對濕度不高于85%;基底表面溫度至少要大于露點溫度3℃。使用的防火漆分為A,B兩組分,使用前,將組分A 和組分 B按質量比2.5:1精確混合。且每班開始時與每次停機并重新啟動后,應至少進行一次比例檢查。一次噴涂最多成膜5 mm為宜,最后一道涂層的厚度不得少于3 mm。在上一道涂層固化后,但又不能完全固化(失去附著力),最好保持輕微的粘著狀態,方可施工下一道防火漆。每一道涂層表面不允許出現不連續、針孔、氣泡或過厚涂料局部堆積的情況。


經過多道噴涂的防火涂料,還應時刻關注灰塵,水污染等,在施工過程中不斷控制膜厚,保證施工質量。


作為最后保護的防火漆免受污染,紫外線等損害,并提供顏色和美觀,在防火漆固化后,受到其他表面污染前,施工一層面漆。


經過上述復雜的步驟,最終施工完成美觀的防火保護涂料。


每一道工序均有質量檢驗和監理監督的證明,且均在廠家技術指導下完成。因此防火涂料施工程序滿足技術規格書和油漆廠家的要求,現場施工符合施工程序。但是由于防火涂料厚度較厚,施工分為多層多次噴涂,現場施工時,應避免工人把控厚度不準,為避免厚度不滿足技術要求,盡可能噴涂更多的防火涂料,導致實際干膜厚度偏厚的問題。


3.3結構變形調查

該模塊的結構屬于常見的方形框架結構,使用有限元軟件進行結構應力吊裝極限工況模擬,模擬的單根結構主梁平均變形量為0.08%,其對應桿件的最大伸長率0.32%,遠小于防火涂料測試實驗中受破壞的最大的伸長率1.07%。根據模擬結果,極限應力變形發生在鋼結構的邊角位置,腹板及頂板等位置其形變及應力并不明顯,與場地觀測到的裂紋發生在腹板等位置的事實情況相悖,因此,可以排除防火涂料的開裂是由結構形變引起的。


3.4涂層固化內應力與內聚力影響

涂層膜厚及施工工藝均按照產品要求進行施工后出現大面積的開裂,考慮可能是防火涂料涂覆材料及其施工工藝與鋼結構建造不匹配引起。


膨脹型防火涂料厚膜涂覆材料屬于多道施工,每道涂覆厚度為5 mm。當涂料在固化過程中產生的固化應力(固化及凝膠時間過快)超過了涂層本身的內聚應力,涂層就會產生開裂或者空鼓。這受涂料本身及施工工藝因素影響,需要進一步進行實驗室認證。


現場大部分開裂部位多集中在鋼結構拐點等應力集中部位,而平整H型鋼的腹板和翼板則鮮有大面積裂紋出現。這是由于漆膜膠化及固化過程不斷增加的應力(隨著漆膜的不斷固化,內應力增加)以及環境應力(環境溫度變化)導致最終漆膜的內應力大于漆膜的內聚力。因此漆膜的內應力大于內聚力的部位出現開裂,這也是防火涂料涂層開裂的主要原因。


3.5 儲運環節分析

材料的進場驗收和庫存管理是一個必不可少的關鍵環節,防火漆涂料在采購進場時,根據進料計劃分批采購,每批產品必須帶有相應的產品質量保證和產品合格證。進場材料應配有驗收報告和材料取樣復檢報告。


本次研究的項目,使用的防火涂料的儲存環境要求最低5 ℃,最高30 ℃。根據場地倉庫存儲記錄,防火涂料均存儲在符合規定的倉庫中,相關報告和資料俱全。在各方提供的資料中,排除倉儲環節的情況下,僅運輸和出倉倒運的環節可能使防火涂料暴露在較低溫度的情況。


由于膨脹防火涂料的低溫耐受性缺失相關論證,目前成熟的膨脹性防火涂料均要求在原材料階段避免受到過低溫度的侵蝕。因而,可以考慮防火涂料原料在運輸及倒運的過程中受到低溫環境影響后,導致性能出現部分降低。將該部分涂料混合后施工在鋼結構表面,在氣溫變化的情況下,出現受力不均而引起開裂。


膨脹型防火涂料其低溫環境下的耐受性需要得到相進一步論證。


04 結語


隨著海洋油氣開發越來越深入,更高緯度地區的油氣田也逐漸開始受到關注。為保護油氣設施和財產的安全,更好更優秀的防火措施亟待開發。目前國際上成熟的防火涂料,用在極寒項目中非常少見,目前實際項目中施工階段發現的防火涂料開裂問題,那么在實際極寒環境下運營將更難保證火災安全防護的可靠性。


根據本文分析結論可知,防火涂料施工在材料質量,防火涂料厚度,施工工藝,施工質量,材料儲存運輸等方面都存在需要改進的地方。


本次針對膨脹型防火涂料在冬季施工引起開裂的問題的研究,給出以下建議:

(1)合理設計防火涂料的厚度。與相關的火災安全分析結合考慮,綜合防火需求,在滿足防火需求的情況下,盡量降低膨脹型防火涂料的厚度;

(2)多層涂覆的防火涂料系統,會由于系統本身應力(預熱50 ℃后噴涂固化殘余應力、結構變形應力以及環境溫度變化引起的熱應力)而更容易引起開裂風險,而隨著涂層的厚度增加,開裂風險將急劇增加。可以優化施工程序,保證涂層厚度在設計要求范圍內,加強厚度監控;

(3)采購的防火涂料在運輸存儲的全過程中,應做好防護措施,避免暴露在過低溫度環境中;

(4)膨脹型防火涂料其低溫環境下的耐受性需要得到相關廠家進一步論證。



詳細內容,請參閱《涂層與防護》

2019年第11期

文章原題目:膨脹型防火涂料在冬季施工中開裂的研究


作者 / 熊睿,張國慶,王洪福,宋博,萬明奇

(海洋石油工程股份有限公司設計院,天津300451)

標簽:工程建筑涂料涂裝應用裝修百科技術中心防火涂料
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