【科普】耐火性能测试方法对耐火构件的影响

随着全球经济的发展，人们对能源的需求越发强烈，各类矿井与石油开采平台每年都有新增，由此带来了大量火灾风险。过去几十年中，比较著名的火灾事故如1988年英国北海Piper Alpha海上平台采油火灾事故造成165人死亡；2010年英国BP公司深水地平线号海上石油平台发生爆炸事故并引发火灾造成11人死亡。由于火灾带来的人员伤亡使得各国对能源运输和开采过程中的火灾安全防护更加重视，因此全球的科研人员制定出了各类试验方法对不同类型的火灾防护材料和耐火构件进行耐火性能的测试，通过评判耐火性能评级以确保耐火性能优异的材料和构件得以应用。

耐火性能测试的方法需要根据火灾发生的场景来确定，火灾场景的不同，耐火性能的测试方法也有所不同。民用建筑内空间相对封闭，一旦发生火灾，火场内通风受限，因此建筑构件耐火测试适合在有少量开口的耐火试验炉内进行。典型的试验方法标准为ISO 834—1999 《Fire resistance tests-Elements of building construction》。

石油开采与运输过程中，由于设备老化或者人员操作不规范引起的油气泄露会形成喷发式的巨大火源，这类火灾一般发生在露天环境下，且喷发时带有高速气流，因此石化类场所构件的耐火性能适合采用耐喷射火试验进行评估。典型的试验方法为ISO 22899—1:2008《Determination of the resistance to jet》。

GB 50016—2014《建筑设计防火规范》第12.1.3条规定，一、二类隧道承重结构体在RABT升温曲线测试下耐火极限分别≥2 h和1.5 h，三类隧道承重结构体在GB/T 9978.1—2008的标准火测试下耐火极限≥2 h。GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准》规定建筑物的构件耐火极限应符合现行国家标准GB 50016—2014 的有关规定。可以看出由于我国目前还未制定基于耐喷射火试验方法的测试标准，国内有关隧道以及石油化工场所的设计规范只能按照在耐火试验炉内进行的耐火性能测试方法对耐火试件进行评级。

我国目前应用比较广泛的试验方法为GB/T 9978—2008《建筑构件耐火试验方法》和GA 714—2007《构件用防火保护材料快速升温耐火试验方法》。

GB/T 9978—2008修改采用ISO 834—1999 《Fire resistance tests-Elements of building construction》，该标准规定了各种结构构件在标准火试验条件下的耐火性能的试验方法。其装置主体为一个能够容纳全尺寸试件的试验炉，通过天然气或液化石油气对炉内均匀加热，如图1所示，根据不同的试件类型，一面或多面受热和受压。

图1  燃烧试验炉

耐喷射火试验是在一面完全敞开的火焰循环试验室内测试试件保持其隔热性的能力。ISO 22899—1:2008规定火焰喷头以0.3 kg/s的速度将燃气快速释放至燃烧室中，燃烧过程中产生一个尾部延伸的火球以产生巨大的热通量。采用丙烷为燃料，从距离试样表面1 m处快速释放燃烧气体，对试样进行耐火试验。

以ISO 22899—1:2008所叙述的耐喷射火试验方法在测试过程中不仅会对耐火构件的耐火性能进行考察，并且还考察构件在受热过程中承受气体物理冲击的能力。因此该试验方法更接近石油化工区域由于油气泄露等原因引起燃烧时爆炸产生冲击力的火灾场景。

根据ISO 22899—1:2008的要求，喷头应以0.3 kg/s的速度将丙烷燃气喷射至燃烧室中。由于丙烷自然气化的速度难以满足试验的要求，本文考虑通过水浴汽化器加热液体丙烷，并通过多级减压调节丙烷喷射速度，以满足燃气供给的要求。

图2  水浴汽化器

循环燃烧试验室的内部尺寸为1500 mm×1500 mm×1500 mm，循环室的后部通过法兰连接，由螺栓固定，并通过螺栓和夹具连接背面的保护室。保护室位于循环室的正背面，面积与循环室一致。由于火焰喷射至循环室表面，从而形成火球翻滚燃烧，类似于循环火，因此被称作循环燃烧试验室。

根据ISO 22899—1:2008的要求，锥形聚合喷嘴的长度应为（200±1）mm，入口直径为（52±0.5）mm，出口直径为（17.8±0.2）mm，喷嘴应由耐热不锈钢制成。制作完成后的试验装置能根据需要喷射0~0.4 kg/s的丙烷气体。

图4  锥形聚合喷嘴尺寸示意

图5  耐喷射火试验装置

我国现有的耐火试验方法均以垂直式或水平式燃烧测试炉为试验平台，通过控制炉内温度以及压力来对耐火试件进行测试。这类试验方法是在受限空间中以测试试件在高温中保持其承载能力和隔热性的时间来对试件性能进行评价。由于国内现有测试方法在通风环境和受火方式上与石油化工类火灾工况差异巨大，因此这类测试方法更适用于民用建筑火灾。

以ISO 22899—1:2008为代表的试验方法正是基于海上石油平台火灾所开发的构件耐火性能测试方法，并适用于陆地石油化工储罐区域以及交通隧道。通过建立以ISO 22899—1:2008为代表的耐喷射火试验平台能够更好地模拟海上石油平台、陆地甲乙类危险品储罐区、交通隧道等区域的火灾，能更准确地评估出耐火构件与耐火材料在石油化工类火灾中的耐火性能。通过建立该试验平台，将来可为制定耐喷射火耐火性能试验方法体系做准备。耐喷射火试验方法的建立将完善我国耐火构件测试方法的不足，作为新的耐火性能评价体系指导耐火材料进行生产和应用。