Огнестойкость стальных конструкций c эпоксидной огнезащитой при криогенном воздействии

Клеменьев Борис Александрович, ООО “Арктик СПГ 2”, Москва, 117393, Россия

Шабунина Дарья Евгеньевна, студент ФГОАУ ВО СПбПУ, Санкт-Петербург, 195251, Россия.

Аннотация

Предполагается, что пожары легковоспламеняющихся, горючих жидкостей и горючих газов с высоким потенциальным выделением тепловой энергии на производственных объектах нефтегазовой промышленности развиваются при углеводородном режиме пожара, характеризующимся стремительным ростом температуры до 1093 ± 56°С в течение 5 минут с начала испытания и поддержанием температуры на протяжении всего времени испытания, а также образованием избыточного давления. Данные параметры пожара вызывают быструю деформацию и разрушение незащищенных специальными материалами несущих строительных конструкций. Для защиты металлических конструкций от воздействия высоких температур используют различные системы огнезащитных покрытий, при этом сочетание противопожарной защиты и защиты от воздействия криогенных жидкостей, в том числе от сжиженного природного газа (далее СПГ) является относительно новым в международной практике и регламентируется серией стандартов ISO 20088. Материалы на основе эпоксидной смолы, благодаря своим характеристикам, а именно устойчивости к химическим и климатическим воздействиям, способны обеспечить огнестойкость стальных конструкций при возможном воздействии криогенных жидкостей на строительные конструкции. В статье представлены испытания стальных конструкций с тремя эпоксидными огнезащитными покрытиями, в результате которых определено время от начала криогенного воздействия до наступления предельного состояния образца, определено время от начала теплового воздействия до наступления предельного состояния этого образца при углеводородном температурном режиме пожара. Сделаны выводы о необходимости проведения последовательных криогенных и огневых испытаний стальных конструкций с различными типами огнезащиты в условиях углеводородного режима пожара с целью получения необходимых экспериментальных данных.

1. Введение

Нефтегазовая промышленность является одной из наиболее крупных, технологически сложных и важных отраслей глобальной экономики. В большинстве случаев, объекты топливно-энергетического комплекса (здания, сооружения и оборудование) являются источниками повышенной опасности, поскольку в технологических процессах производств нефтепереработки хранятся и обращаются в достаточном объеме горючие и взрывоопасные вещества, при несоблюдении правил работы с которыми возможны случаи воспламенения, взрыва и/или розлива [1,2]. Крупнейшие в мире катастрофы на платформе Piper Alpha в Северном море (6 июля 1988 года) и Deepwater Horizon (20 апреля 2010 года) подтвердили необходимость усовершенствования стандартов безопасности в нефтяной промышленности [3].

В области стандартизации огневых испытаний для конструкций регламентируются следующие температурные режимы: «стандартный» (целлюлозный), наружный, медленно развивающийся (тлеющий) и углеводородный режим [4]. Стальные конструкции нефтегазовых объектов при аварии, сопровождающейся пожаром и взрывом, подвергаются высокотемпературному воздействию и избыточному давлению согласно углеводородного режиму, при котором, в первые минуты пожара, температура достигает 1000 ºС и выше [5]. Прочность стальной конструкции значительно снижается в диапазоне 400–600 °C, а при нагрузке незащищенная конструкция практически мгновенно теряет устойчивость. В связи с этим на объектах повышенной опасности должны применяться конструкции, способные выдерживать высокие температуры, взрывную волну, то есть защищенные средствами огнезащиты.

Требования таких норм, как EN 1473 и NFPA 59A [6, 7] и отраслевых стандартов крупнейших компаний нефтегазового комплекса (НГК), предписывают, чтобы стальные конструкции оборудования, технологических установок и эстакад с обращением и хранением сжиженного природного газа (СПГ) были стойкими к криогенному воздействию, то есть к воздействию газов, сжатых до жидкого состояния, находящихся при сверхнизких – криогенных температурах (ниже -150 °C) [8], влияющих на разрушительное воздействие целостности многих сталей, имеющих температуру охрупчивания в диапазоне от -20 ºC до -40 ºC, и конструктивных соединений, например, сварных швов. Розлив СПГ может привести к возгоранию с повышенными давлением и тепловой нагрузкой. Существуют два распространенных типа пожара, которые могут возникнуть на предприятиях, перерабатывающих углеводороды: пожар пролива, возникающий при вытекании легковоспламеняющейся жидкости из сосуда или трубопровода, образуя «бассейн» с жидкостью, которая воспламеняется, и пожар с реактивной струей, являющийся потенциально более опасным видом пожара, который может произойти вследствие разрыва сосуда, находящегося под давлением, и/или газопровода [9].

При проектировании стальных конструкций объектов НГК необходимо принимать во внимание риски воздействия криогенной жидкости. Например, в [10] проведен анализ криогенного риска и предложен метод, позволяющий улучшить его количественную оценку, определить меры по снижению и оптимизировать покрытие в криогенных опасных зонах нефтегазовой установки. В [11] предложен упрощенный метод определения зоны опасности криогенного розлива в установке сжижения СПГ, подтвержденный экспериментальными испытаниями и моделированием, проводимые для определения степени опасной зоны в зависимости от размера отверстия утечки.

В связи с тем, что стальные конструкции зданий и сооружений НГК, в особенности СПГ-производства, необходимо защитить не только от пожара, но и от криогенных розливов, необходимо использовать огнезащитные материалы, которые должны сохранять свою целостность и теплоизоляционные свойства в диапазоне температур от -200 °C до 1300 °C.

Одним из способов для предотвращения распространения пожара и обеспечения устойчивости зданий и сооружений при пожаре является пассивная противопожарная защита (ППЗ). К средствам ППЗ относятся специальные огнезащитные штукатурки, краски, кожухи, плиты и интумесцентные краски [12]. На объектах НГК широко распространены вспучивающиеся покрытия на основе эпоксидных связующих, важными характеристиками которых являются устойчивость к химическим и климатическим воздействиям, малое содержание летучих веществ, срок эксплуатации 25 лет и выше, отличная адгезия, высокая ремонтоспособность. Интумесцентные покрытия вспучиваются под воздействием высокой температуры, образуя пенококс. Покрытие в буквальном смысле растет, формируя термический барьер. Увеличиваясь в объеме и уменьшаясь по плотности, интумесцентные покрытия замедляют нагрев стали и продлевают время до разрушения металлоконструкции [13]. Эпоксидные продукты, применяемые в качестве ППЗ конструкций и оборудования из углеродистой стали уже на протяжении многих лет, подтверждают свою долговечность и надежность при углеводородном режиме пожара в морских условиях. В [14] приводится, что вспучивающиеся покрытия являются эффективным средством ППЗ стальных конструкций в условиях повышенного риска на нефтехимических заводах и морских платформах, в то время как в [15] предлагается эксперимент по оценке прочности на обугливание вспучивающихся покрытий на основе силикона и эпоксидной смолы, нанесенных на стальные панели при испытании на огнестойкость при углеводородном режиме пожара.

Изоляционные материалы на основе эпоксидного связующего могут использоваться в качестве защиты от криогенных розливов, совместимой с ППЗ. Так, в [16] экспериментально доказывается, что эпоксидные средства ППЗ могут служить эффективным решением проблемы при криогенном розливе с последующим возгоранием углеводородов или без него, в дополнение, испытания на атмосферостойкость показали, что эпоксидные синтаксические материалы могут обеспечить отличную защиту от коррозии основной стальной конструкции. Скачок ударной нагрузки танкеров при перевозке СПГ является важной проблемой, которая может вызвать повреждение системы удержания груза СПГ, что приведет к криогенной утечке из корпуса судна. Система изоляции на основе эпоксидной смолы является приемлемым материалом, способным выдерживать повторяющиеся ударные нагрузки [17]. В [18] предлагается эффективный метод для получения эпоксидных нанокомпозитов с превосходными механическими свойствами при криогенных температурах, значительно повышающий криогенную прочность на разрыв и ударную вязкость эпоксидных нанокомпозитов.

Одной из гарантий высокого качества огнезащитного материала является его сертификация крупными нефтегазовыми компаниями и применение на стальных конструкциях НГК.

В данной статье рассматриваются поведения трех огнезащитных покрытий, применяемых на конструкциях разных профилей нефтегазовых объектов в качестве ППЗ, при различных сценариях розлива криогенной жидкости с последующими огневыми испытаниями в условиях углеводородного режима пожара.

2. Методы и материалы

Методы испытаний для различного характера криогенных выбросов жидких углеводородов представлены в серии стандартов ISO 20088 [19, 20], где в качестве аналога жидкого углеводорода используется жидкий азот, поскольку он имеет более низкую температуру кипения, чем жидкий природный газ или жидкий кислород, и не воспламеняется (Рисунок 1).

ISO 20088-1:2016 [19] включает полное погружение образца для испытаний в криогенную жидкость. Предельное снижение температуры определяется как разница между температурой окружающей среды и предельной температурой для стали. В качестве примера предельная температуры для конструкционной стали верхней части судна и технологического оборудования — -40 °C. Образец соответствует требованиям при условии, что температура не превышает предельную температуру. ISO 20088-3:2018 [20] описывает метод определения стойкости систем защиты к криогенной струе в результате выброса под давлением, который не приводит к условиям погружения. Криогенная струя может образовываться при выпуске из технологического оборудования, работающего под давлением. Из-за высокого давления большой импульс в сочетании с экстремальной криогенной температурой может поставить под угрозу защиту от криогенного розлива. Испытание, описанное в данном документе, типично для выпуска СПГ через отверстие диаметром 20 мм или меньше. Анализ технической литературы и практический опыт показывают, что наиболее распространенным сценарием криогенного воздействия является двухфазное распыление под давлением.

Проведение испытаний по определению времени достижения критического состояния при криогенном и последующем огневом воздействиях двух огнезащитных покрытий (образец № 1.1 and №. 1.2; образец № 2) проводилось в соответствии с методикой, основанной на положениях ISO 20088-1:2016 [19] с уменьшением предельно-допустимой температуры до -60 °C по техническому заданию заказчика; для состава образец № 3 испытания проводились согласно ISO 20088-3:2018 [20]. Рассматриваемые покрытия коррозионностойкие и наносятся на строительной площадке методом безвоздушного распыления. Свойства и характеристики исследуемых огнезащитных покрытий представлены в таблице 1.

Таблица 1. Свойства и характеристики исследуемых огнезащитных покрытий

Перед испытаниями проведены измерения фактических толщин, нанесенных на образцы огнезащитного покрытия, измерение которых проводилось в 36 точках по периметру обогреваемой поверхности, с шагом 500 мм по высоте образцов, по результатам которых взято среднее арифметическое значение.

За предельное состояние при криогенном воздействии принимается достижение металла опытных образцов № 1.1 and № 1.2 и образца № 2 критической температуры, равной -60 °C, для образца № 3 – -45 °С (Рисунок 2). За предельное состояние при огневом испытании при углеводородном температурном режиме принимается достижение металлом опытного образца критической температуры, равной 500 °C [21].

После проведения криогенного воздействия образцы № 1.1 и № 1.2 and образец № 2 извлекли из жидкого азота, осуществили проверку покрытия на наличие трещин, вздутий и отслоений и разместили в печи для проведения огневых испытаний, после чего подвергли тепловому воздействию в режиме углеводородного горения согласно (1):

, где

T – температура в печи, соответствующая времени t, °C;

 – температура в печи до начала теплового воздействия t, °C;

t – время, исчисляемое от начала испытаний, мин.

Обсуждение

Анализируя методики испытаний стальных образцов на криогенное воздействие и последующее за ним огневое испытание (см. Таблица 2), видно, что методики российских организаций используют метод полного погружения образца в криогенную жидкость, при этом устанавливают более низкую предельную температуру (-60 °C) по техническому заданию заказчика, в то время как международные компании определяют стойкость огнезащитного покрытия при выбросе под давлением криогенной струи до понижения температуры образца более чем на 50 °C относительно температуры окружающей среды. Также огневые испытания на углеводородный режим пожара в международных методиках проводятся по UL 1709 [22], а в российских – по ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014 (EN 1363-2:1999) [23], различающиеся между собой температурно-временной зависимостью [24]. На рисунке 3 представлены временно-температурные кривые образцов во время огневого испытания.

Таблица 2. Сравнение методик испытаний огнезащитных покрытий

Рисунок 3. Температурные кривые рассматриваемых образцов во время огневых испытаний.

По временно-температурным кривым, представленным на рисунке 3, видно, что все эпоксидные вспучивающиеся покрытия, подвергшиеся по различным сценариям криогенному воздействию в условиях жидкого азота, не достигли критической температуры в 500 °С при прошествии 120 минут, что доказывает их эффективность при использовании не только в качестве пассивной противопожарной защиты, но и в качестве комбинированной защиты от криогенных температур с последующим огневым воздействием с повышенными давлением и тепловым потоком на объектах нефтегазового комплекса. В процессе огневого испытания огнезащитного покрытия образца № 2 наблюдается плавное возрастание температуры на протяжении всего испытания, в то время как у образца № 1.1 и № 1.2 зафиксирован резкий рост температуры почти с первых минут эксперимента с последующим «линейным» ростом в связи с различными коэффициентами вспучиваний покрытий и теплопровдностью пенококса, что обусловлено, возможно, химическим различием покрытий, а также различным профильным коэффициентом.

3. Вывод

Исследований, посвященных криогенному розливу на огнезащитные покрытия стальных конструкций, в настоящее время чрезвычайно мало, поскольку технология сжижения углеводородов появилась весьма недавно, однако с учетом экспансии мирового нефтегазового комплекса в Арктике и Антарктике ожидается широкий интерес к данному исследованию. Многие производители огнезащиты для строительных конструкций разрабатывают собственные методики для проведения испытаний, в которых используется только локальный розлив криогенных продуктов. Различия в методологических подходах к испытаниям на криогенное воздействие (локальный розлив, погружение, двухфазное распыление) и последующего за ним углеводородного пожара, не позволяют адекватно оценивать применяемые средства огнезащиты и проводить сравнительный анализ. Из-за высокого давления образовавшейся криогенной струи, импульс в сочетании с экстремальной криогенной температурой может поставить под угрозу защиту от криогенного розлива. Исследования показывают, что наиболее вероятным сценарием криогенного воздействия является двухфазное воздействие, описанное в ISO 20088-3:2018, однако полное погружение в криогенную жидкость защищенной средством огнезащиты конструкции, показанное в ISO 20088-1:2016, является более экстремальным методом и позволяет выявлять наиболее эффективные покрытия. В случае аварии возможен любой сценарий криогенного воздействия на строительные конструкции, тем самым, огнезащитные покрытия следует одновременно тестировать и на полное погружение в криогенную среду, и на двухфазное воздействие. В настоящее время методик, описывающих влияние двух методов криогенного воздействия на образец, не существует; требуется более детальное изучение криогенного розлива на параметр огнезащитной эффективности средств огнезащиты различной химической природы, тем самым, авторы планируют дальнейшие исследования в данной отрасли.

Список использованных источников

1. Mojarad, A.A.S.; Atashbari, V.; Tantau, A. Challenges for Sustainable Development Strategies in Oil and Gas Industries. In Proceedings of the International Conference on Business Excellence, Bucharest, Romania, 22–23 March, 2018; Volume 12.

2. Gravit, M.; Zimin, S.; Lazarev, Y.; Dmitriev, I.; Golub, E. Fire Simulation of Bearing Structures for Natural Gas Module Plant. In Proceedings of the Advances in Intelligent Systems and Computing, Novosibirsk, Russia, 25–29 May, 2020; Volume 1116 AISC.

3. Reid, M. The Piper Alpha Disaster: A Personal Perspective with Transferrable Lessons on the Long-Term Moral Impact of Safety Failures. ACS Chem. Health Saf. 2020, 27, 88–95.

4. EN 1363-2:1999. Fire Resistance Tests—Part 2: Alternative and Additional Procedures. Available online: https://nd.gostinfo.ru/document/6239985.aspx (accessed on 10 August 2021).

5. Gravit, M.V.; Golub, E.V.; Antonov, S.P. Fire Protective Dry Plaster Composition for Structures in Hydrocarbon Fire. Mag. Civ. Eng. 2018, 79, 86–94, doi:10.18720/MCE.79.9.

6. CEN-EN 1473. Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas—Design of Onshore Installations. Available online: https://standards.iteh.ai/catalog/standards/sist/e156d980-096f-4fad-92f9-a0e38801f459/sist-en-1473-2... (accessed on 24 August 2021).

7. NFPA 59A. Standard for the Production, Storage, and Handling of Liquefied Natural Gas (LNG). Available online: https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?... (accessed on 24 August 2021).

8. Nazarpour, F.; Wen, J.; Dembele, S.; Udechukwu, I.D. LNG Vapour Cloud Dispersion Modelling and Simulations with OpenFOAM. Chem. Eng. Trans. 2016, 48, 967–972, doi:10.3303/CET1648162.

9. Andreasen, A.; Borroni, F.; Nieto, M.Z.; Stegelmann, C.; Nielsen, R.P. On the Adequacy of API 521 Relief-Valve Sizing Method for Gas-Filled Pressure Vessels Exposed to Fire. Safety 2018, 4, 11, doi:10.3390/safety4010011.

10. Guidance Notes for Risk Based Analysis: Cryogenic Spill. Available online: https://ru.scribd.com/document/296047673/LR-Guidance-for-Cryogenic-Spill (accessed on 20 August 2021).

11. Hiroya, Y.; Tanabe, M.; Kataoka, S.; Yamada, Y.; Miyashita, T. Simplified Method to Define the Cryogenic Spill Hazard in LNG Liquefaction Facility. Chem. Eng. Trans. 2019, 77, 505–510, doi:10.3303/CET1977085.

12. Gravit, M.; Gumenyuk, V.; Sychov, M.; Nedryshkin, O. Estimation of the Pores Dimensions of Intumescent Coatings for Increase the Fire Resistance of Building Structures. In Proceedings of the Procedia Engineering, St. Petersburg, Russia, 18–20 March, 2015; Volume 117.

13. Lucherini, A.; Maluk, C. Assessing the Onset of Swelling for Thin Intumescent Coatings under a Range of Heating Conditions. Fire Saf. J. 2019, 106, 1–12, doi:10.1016/j.firesaf.2019.03.014.

14. Zeng, Y.; Weinell, C.E.; Dam-Johansen, K.; Ring, L.; Kiil, S. Exposure of Hydrocarbon Intumescent Coatings to the UL1709 Heating Curve and Furnace Rheology: Effects of Zinc Borate on Char Properties. Prog. Org. Coat. 2019, 135, 321–330, doi:10.1016/j.porgcoat.2019.06.020.

15. Naik, A.D.; Duquesne, S.; Bourbigot, S. Hydrocarbon Time-Temperature Curve under Airjet Perturbation: An in Situ Method to Probe Char Stability and Integrity in Reactive Fire Protection Coatings. J. Fire Sci. 2016, 34, 385–397, doi:10.1177/0734904116658049.

16. Graham, B.; Richard, P. Cryogenic Spill Protection and Passive Fire Protection in the LNG Industry. Available online: https://core.ac.uk/download/pdf/132450867.pdf (accessed on 10 September 2021).

17. Bae, J.H.; Hwang, B.K.; Kim, J.H.; Kim, S.K.; Lee, J.M. Cumulative Damage of Hollow Glass Microsphere Weight Fraction in Polyurethane Foam in Response to Cryogenic Temperatures and Repeated Impact Loading. Cryogenics 2020, 107, 103057, doi:10.1016/j.cryogenics.2020.103057.

18. Wu, Y.; Chen, M.; Chen, M.; Ran, Z.; Zhu, C.; Liao, H. The Reinforcing Effect of Polydopamine Functionalized Graphene Nanoplatelets on the Mechanical Properties of Epoxy Resins at Cryogenic Temperature. Polym. Test. 2017, 58, 262–269, doi:10.1016/j.polymertesting.2016.12.021.

19. ISO 20088-1:2016. Determination of the Resistance to Cryogenic Spillage of Insulation Materials—Part 1: Liquid Phase. Available online: https://www.iso.org/ru/standard/67009.html (accessed on 21 August 2021).

20. ISO 20088-3:2018. Determination of the Resistance to Cryogenic Spillage of Insulation Materials—Part 3: Jet Release. Available online: https://www.iso.org/ru/standard/67011.html (accessed on 21 August 2021).

21. ISO 834-1:1999. Fire-Resistance Tests—Elements of Building Construction—Part 1: General Requirements. Available online: https://www.iso.org/standard/2576.html (accessed on 24 July 2021).

22. UL 1709. Rapid Rise Fire Tests of Protection Materials for Structural Steel. Available online: http://nd.gostinfo.ru/print.aspx?control=27&id=4546871&print=yes (accessed on 24 August 2021).

23. Russian Government Standard GOST 1363-2-2014. Fire Resistance Tests. Alternative and Additional Procedures. Available online: https://docs.cntd.ru/document/1200113419 (accessed on 10 September 2021).

24. Abramov, I.; Gravit, M.; Gumerova, E. Increase in the Fire Resistance Limits of Ship and Building Structures with HydroCarbon Fire; GAS Industry: Russia, 2018; (Gazovaya promyshlennost’); pp. 108–117. Available online: https://www.neftegas.info/upload/iblock/cf0/cf0b020575328defe0b0961c2c0c4e0b.pdf (accessed on 15 August 2021). (In Russian)

В разделе:

Читай также

Больше популярных статей

РЕКОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА «ГИДРОБАШНЯ С ЛАБОРАТОРИЯМИ» ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА С ПРИСПОСОБЛЕНИЕМ ПОД МУЗЕЙ. ЧАСТЬ №2

В статье представлена вторая часть исследования целью которого является разработка концепции системы обеспечения противопожарной безопасности объекта культурного наследия под реализацию приспособления его в качестве музея.  Она содержит конструктивные решения и комплекс мероприятий по пожарной безопасности.

читать полностью

Расчет огнестойкости строительных конструкций в ПК МКЭ SOFiSTiK с применением технологии BIM. Часть №3

В заключительном фрагменте вебинара под руководством Марины Викторовны Гравит, рассказывается о преимуществах программного комплекса SOFISTIK по сравнению с аналогичным программным обеспечением, дается подборка литературы, необходимой для проведения расчетов огнестойкости строительных конструкций, а также спикеры вебинара отвечают на вопросы его участников.

читать полностью

Расчет огнестойкости строительных конструкций в ПК МКЭ SOFiSTiK с применением технологии BIM. Часть №1

Фрагмент вебинара под руководством к.т.н, доцента ВШПГиДС ИСИ Марины Викторовны Гравит, просмотрев который вы узнаете: о концепции цифровизации в строительной отрасли; типовых замечаниях экспертизы, связанных с огнестойкостью проектируемых объектов; применении технологии BIM; порядке проведения расчетов огнестойкости строительных конструкций.

читать полностью

S-2218 (А019)
2545