阻燃防火布

阻燃防火布

近年来，伴随着海上油气勘探开采和石油运输行业的发展，海上石油天然气发生井喷着火事件频繁发生，经济损失和社会影响巨大，海上溢油事故往往伴随着火灾事故发生，为了对燃烧的溢油进行有效围控，需要采用防火围油栏进行围控，由于普通防火围油栏无法满足长时间高温下的围控作业和耐火时长需求，因此需要针对性地开展海面溢油防火围油栏研究，解决高温下长时间有效围控燃烧溢油的难题。溢油应急过程中针对海上溢油燃烧作业，为了防止围控区域内的溢油四处飘散并便于集中燃烧处置，防火围油栏需要长时间围控燃烧的溢油，在现场燃烧过程中发现国内目前的防火围油栏无法对燃烧溢油进行有效围控，这主要由于国内防火围油栏防火性能差，溢油防火有效围控时长只有几十分钟，难以形成有效围控。国外溢油处置公司如美国Elastic、芬兰Lamor、丹麦Desmi等生产的防火围油栏产品使用的防火材料性能更好，在实际应用中能够形成较长时间的围控，但无公开报道国外围油栏可以达到超过24h的防火围控，而且价格昂贵，采购周期长，关键核心技术保密，目前在国内海上溢油事故中没有国外防火围油栏应用的相关报道。

因此，本文在调研国内外防火围油栏产品的基础上，针对国内外现有的海面溢油防火围油栏防火材料进行了分析，对适用于防火围油栏的栏体耐火材料进行研究[1]，并提出了一种防火围油栏耐火材料结构组合方式，立足实际有针对性地探讨了溢油应急领域防火围油栏需解决的耐火材料问题，为防火围油栏的创新设计提供了思路，以期解决我国溢油应急行业的卡脖子难题[2]。

1 国内外防火围油栏现状分析

防火围油栏主要用于海上溢油已经起火的情况，或打算用燃烧法清除海上溢油的情况。为了更加清晰地了解海上溢油燃烧围控需求，本文调研了国内外现有防火围油栏结构形式，综合分析现有防火围油栏的设计参数和防火性能（耐火温度与耐火时长），并选取不同形式的栏体耐火材料进行分析。基于不同防火围油栏的性能，结合当前防火围油栏耐磨损、耐高温时间长、布放回收方便的总体研发需求，遴选国内外应用相对成熟的防火围油栏结构形式，开展防火材料选型研究，从而选取能达到24h以上耐火燃烧时长的阻燃耐火柔性栏体材料（原油燃烧高温度可达1315℃，一般要求防火围油栏栏体耐火温度大于1000℃）。

目前国内外防火围油栏主要分为水冷型和非水冷阻燃型两种形式产品。水冷型防火围油栏是在高分子或充气式浮力结构外层覆盖持续被海水浸透的水渗透性材料，渗水材料包覆气室形成防火保护层以承受高温灼烧，并使用高流量供水泵为水渗防火保护层不断提供冷却水达到防火降温的效果，代表性产品如美国Elastec的Hydro-fire Boom。阻燃型防火围油栏

Pyroboom防火围油栏将特殊钢丝增强耐火材料织物与传统的GlobeBoom形式结合在一起形成栏体，防火部分由硅酮涂层高温金属丝和Fiberfrax陶瓷纤维交织而成。金属半球填充玻璃泡沫再通过机械方式连接到栏体上，水线以下采用PVC涂层聚酯织物以达到一定的强度和柔韧性，现场燃烧耐火时长为3小时13分钟，但该公司在耐火测试中发现该围油栏暴露在1315℃温度的火焰中可长达24小时，仍能保持其有效性和结构连续性。

该防火围油栏是一种由多种高温材料组成的多层结构，充气室由耐高温织物制成，能够为围油栏的气室保持良好的气密性，陶瓷布将气室与高温油火隔离，外层覆盖不锈钢网。气室连接到由聚氨酯织物制成的围油栏裙体上，裙体底部有镀锌配重链条，也用作张紧构件。在2010年由美国Oil stop公司生产的同类围油栏持续燃烧测试时间为1小时34分钟。但此种防火围油栏由充气型气室提供浮力，不适宜海上平台的定点长期围控。

1.4 国内不锈钢防火围油栏

国内防火围油栏主要在2000年左右引进国外代不锈钢型防火围油栏，水上部分采用耐热防锈的不锈钢，柔性段栏体采用防火纤维编织布、金属丝网和耐高温橡胶构成，现在国内主要防火围油栏厂商为光明、华海、泰洋等公司。目前国内在实际应急过程中很少采用受控燃烧技术处置溢油的实例，海上溢油燃烧事故时采用国内不锈钢防火围油栏进行作业时，浮体中间连接的柔性栏体连接强度低，有效围控燃烧溢油时间不足20分钟，除了不耐高温之外，栏体结构非常笨重，无法使用卷绕机进行自动收放，作业时需要大量船舶甲板资源和作业人员，布放回收效率低。

现场燃烧作为清除溢油的有效解决方案之一，以上几种防火围油栏是目前市场流行的产品，下图为调研的几种防火围油栏溢油燃烧时长，由于现场溢油燃烧可能中断，此图仅作为各产品耐火时长参考。在实际现场溢油燃烧过程中并没有达到24h燃烧时长的案例（其中仅DESMI公司在Pyroboom产品宣传中显示其耐火测试时达到了24h的耐火时长），所以选取优异的耐火材料和恰当的材料组合成为了防火围油栏具有长时间防火围控能力的关键。

2 防火围油栏栏体耐火材料研究

为了促进阻燃隔热耐火材料在原油泄漏污染防治方向的研究和发展，特别是应用于防火围油栏栏体的加工制作，防火围油栏栏体耐火材料需要考虑以下几个方面：

2.1 耐火材料选型

防火围油栏栏体需要选取合适的隔热耐火材料，它从很大程度上决定了栏体能够承受的温度和耐火时长，是防火屏障的主要受热部分，选取合适的耐火材料后还需要在实际使用工况条件下对耐火材料样品进行燃烧实验。

由于防火围油栏需要在温度大于1000℃的高温下承受24h的燃烧测试，围油栏材料选型在借鉴国内外性能优异的防火材料基础上，根据海上实际环境情况，通过方案比选和分析，拟采用多层防火材料（合金金属丝网、陶瓷纤维等）编织，外层涂覆耐高温橡胶（如硅酮橡胶等），粘合强度大于250N/50mm。然后开展防火围油栏样品的试制和试验，实验尽可能模拟海上溢油围控燃烧工况，并使用防火围油栏材料样品在类似实际使用工况的条件下燃烧对比实验，收集分析实验数据，充分比较各方案作为围油栏防火栏体的优劣性，从而确定佳的防火材料作为防火围油栏水面部分栏体材料。

2.2 耐火材料样品测试

确定防火材料初步选型后对选取的材料进行燃烧测试，分别进行了多组防火材料高温炉耐火试验和防火材料水箱内耐火试验，实验材料包括合金金属丝网、陶瓷纤维布（毯）、金属片、硅橡胶等，根据不同厚度规格和组合方式设置正交实验方案，防火围油栏材料样品在类似实际使用工况的条件下燃烧对比实验表明，合金金属丝网靠近火焰的一侧作为耐磨层保护耐磨性差的陶瓷纤维层和硅橡胶层，通过金属良好的导热性向海水中传导一部分热量使陶瓷纤维层的温度在一定程度上降低[3]。陶瓷纤维层作为隔热层，通过自身的隔热性能和吸水特性，确保火焰传导至硅橡胶层的温度在150℃以下，使硅橡胶层可以长时间使用。硅橡胶层主要用于防止溢油透过围油栏体，弥补金属丝网和陶瓷纤维无法阻止油水透过的不足。通过初步实验证明：高温铬镍铁合金金属丝网+陶瓷纤维布+硅橡胶防油层的材料构成方式在模拟实际工况的水池实验中基本满足耐火要求。然而防火围油栏栏体的详细设计和终耐火材料选取需要从更多隔热防火材料中进行充分比选，设计更加合理的材料组合模式和加工工艺，并通过火焰燃烧模拟对海上溢油的燃烧进行分析，计算出围油栏在实际使用时所承受的火焰温度或热通量，从而进行更加严谨的材料样品实验以选取佳耐火材料来满足同等海上工况条件下的作业要求。

2.3 栏体结构分析

（1）耐火材料与合金金属丝网复合

通过栏体结构解析和实验论证，通过不同的耐火材料与合金金属丝网复合可以增强栏体结构的耐火性能，厚度和目数大的高性能耐火纤维材料明显优于一般材料，同时不同材料组合形式的耐火性能差异较大，对多层耐火材料进行组合优化确实可以增强栏体的耐火性能，然后随着层数的增多，围油栏的浮重比会随着下降，成本随之上升。

（2）栏体力学分析

除了考虑栏体的耐火性能之外，防火围油栏还需要考虑栏体的力学强度（主要为抗拉力和抗撕裂），栏体在布防回收和作业过程中会收到拖带力、波浪的反复冲击导致栏体产生震颤或翻滚，栏体配重链及栏体耐火材料与浮体的连接方式也会影响围油栏的受力，一体化的栏体虽然不容易更换受损部件，但是能够较好的保护栏体受力均匀，减少应力集中导致的栏体撕裂风险，结构模块化的栏体则容易更换易损部件，但抗撕裂能力差。

（3）栏体材料可加工工艺分析

由于国内目前没有生产过国外防火围油栏同类型产品，栏体材料加工工艺和生产线的设计也尤为重要，如何有效地将多种耐火材料进行复合编织，在外层涂覆耐高温橡胶，并进行批量化生产加工，成为了防火围油栏走向制造领先的关键一步[4]。

2.3 防火性能测试方案

防火围控栏试制完成后，通过编制生产测试手册并进行防火性能测试，测试需要采取对试制样品进行水池燃烧耐火试验，国际ASTM标准防火围油栏耐火测试实验条件为在100kW/m2的热通量（峰值小于150 kW/m2）下燃烧三次，每烧1小时冷却1小时[5-6]。国内采取的实验条件为：使用长度大于6m的一段配有接头的围油栏首尾连接成封闭形状，水深大于围油栏吃水的1.5倍，在大于1000℃的高温下承受24h的燃烧测试[7]。

实验结束后，为了保持防火围油栏的强度和完整性，要求防火围控设备金属件无明显变形，水下部分完好，主体结构无损坏，可出现部分材料烧毁或脱落，要求燃烧后浮重比不小于燃烧前的50%，干舷不小于燃烧前的50%，整体抗拉强度大于初始抗拉强度（45kN）的50%，燃烧后材料的收缩率小于1%。ASTM标准则规定开放水域防火围油栏拉伸强度大于72N/mm，撕裂强度大于450N。

3 结论

本文通过遴选防火围油栏结构形式，开展了防火围油栏材料选型研究，首先通过资料收集、情报分析、专家咨询等手段确定遴选的防火围油栏水上栏体耐火屏障面料等关键防火耐高温材料，其次开展隔热耐火材料的市场生产厂家调研，获取市场已有防火耐高温材料的材质特征（如密度、抗拉强度、抗撕裂强度）、耐火性能等重要参数，后结合本项目栏体材料的耐火性能需求，寻找国内相关厂家的防火隔热材料样品，搭建围油栏燃烧测试实验水池，开展防火围油栏样品耐火性能检验实验，验证防火围油栏样品的耐火性能。将来根据围油栏样品耐火性能测试结果和更严谨的水池燃烧实验还可以选取更加优秀的耐火材料和材料复合方式，针对性改进围油栏设计制造方案，制定防火围油栏加工工艺方案，进行批量化生产加工。

随着国家对环境保护的重视，促进海洋资源和环境的保护，避免水体生态环境遭到破坏，加强防火围油栏在内的溢油应急设备研发势在必行，伴随国内工业水平的发展，我国耐火材料生产水平也已接近国际水平，部分领域已达到国际领先，产品成本和质量均有较强的市场竞争力，但是需要考虑如何将新材料技术应用于各行各业，加强产学研相结合才能更好地促进耐火材料产业的发展壮大，这将推动隔热耐火材料制品的应用在国内产业机构升级中迈向新的台阶。

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