《Process Safety and Environmental Protection》：Dielectric barrier discharge plasma system for sterilizing exhaust gas from microbial fermentation processes
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被动防火保护涂层在LNG池火灾中表现差异显著，四面涂层钢梁温度控制优于三面涂层，因三面涂层顶部翼缘缺乏隔热导致超温，但截面平均温度仍有时段达标。
米切尔·赫夫曼（Mitchell Huffman）| 李志阳（Chi-Yang Li）| 贾兹敏·艾雅·D·马奎兹（Jazmine Aiya D. Marquez）| 王子豪（Zihao Wang）| 布莱恩特·亨德里克森（Bryant Hendrickson）| 托马斯·巴茨（Thomas Butts）| 菲利波·加韦利（Filippo Gavelli）| 王庆生（Qingsheng Wang）
美国德克萨斯A&M大学化学工程系，学院站，德克萨斯州77843
摘要
被动防火（PFP）在减少液化天然气（LNG）泄漏和处理储存设施中的火灾风险方面发挥着关键作用。对于LNG结构，一种常见的PFP策略是使用防火涂层。在这项研究中，我们在一个10英尺乘10英尺的坑中进行了两次持续一小时的LNG池火测试，以评估涂有PFP的钢结构梁的热响应。这些梁使用了三种不同的PFP系统，包括水泥基、泡沫基和环氧基涂层。目的是生成数据以评估热响应模型，并比较所有表面都涂有涂层的梁与仅三面涂有涂层的梁（如安装设备中常见的情况）的热性能。在测试过程中，涂有PFP的梁暴露在LNG池火的直接火焰冲击下一小时。结果表明，由于顶部法兰未涂覆，三面涂层的梁的最大钢材温度高于四面涂层的梁。与行业标准的允许加热阈值相比，三面涂层的局部温度读数超过了这些限制；然而，在三种情况中有两种情况下，截面平均温度仍在这些限制范围内。这些发现对LNG行业中钢结构梁的绝缘具有重要意义，强调了需要采用全面的涂层策略来确保在池火情况下的结构完整性。
引言
池火在液化天然气（LNG）设施中属于低频但后果严重的危险，因此需要在设计阶段采取预防措施来保护公众、人员和关键设备。为了减轻这些事件的影响，法规规定了控制池火危害的措施。例如，美国国家消防协会（NFPA）59号标准《液化天然气的生产、储存和处理规范》为LNG站点的布局、围护结构（以减少热辐射危害）和安全系统制定了标准。自LNG行业早期发展以来，已经进行了大量的实验和计算研究，以表征LNG池火的行为并量化相关的热危害。
早期的现场规模测试，如美国矿业局（1962年）的实验、美国天然气协会的沟槽研究（1973年）以及大规模的Montoir测试，建立了燃烧速率、火焰几何形状、热流和燃料成分之间的基本关系，以及各种测试设置和天气条件的影响（Raj, 2007; Schneider, 1978; Nedelka, 1990）。随后在桑迪亚国家实验室和德克萨斯A&M大学进行的大规模户外测试通过详细测量火焰高度、抑制效果和在不同控制燃烧速率下的缓解性能，进一步扩展了这一知识体系（Blanchat et al., 2010; Suardin, 2008, 2009, 2011, Yun et al., 2011）。德克萨斯A&M大学的进一步测试建立了对陆地大规模LNG池火的燃烧速率、火焰几何形状、火焰速度场和热辐射的理解，并因此发展出了质量燃烧速率、火焰长度和火焰倾斜度之间的相关性（Zhang et al., 2018）。这些项目共同产生了大部分公开可用的大规模LNG火灾数据，并为火焰高度、表面发射功率和热屏蔽距离等参数的经验相关性提供了依据。
计算建模的并行发展进一步使得能够评估池火行为及其对周围设备的影响。早期的一维模型提供了池火蔓延、火焰高度与直径比以及热流到远场目标的相关性（Raj and Kalelkar, 1974; Briscoe and Shaw, 1980; Webber, 1987; Heskestad, 1983; Thomas, 1963; Moorhouse, 1982; Rein et al., 1970）。加韦利等人（Gavelli et al., 2008）总结了这些早期的LNG池火模型。最近，更复杂的计算流体动力学（CFD）模型开始用于池火建模。Pio等人开发了Fire Dynamics Simulator（FDS），在其中他们评估了表面发射功率（SEP）和热释放率（HRR）等热属性，以及池直径和火焰长度等几何属性，并通过物理测试进行了验证（Pio et al., 2019）。Jujuly等人测试了使用CFD工具模拟风速对池火的影响，特别是火焰温度、暴露在火灾中的附近LNG储罐的温度以及火灾的热辐射强度（Jujuly et al., 2015）。Wang等人通过基于大涡模拟的FireFOAM火灾模拟代码研究了陆地和水上的LNG池火（Wang et al., 2014）。探索并验证了池直径对火焰长度、倾斜角度和表面发射功率的影响。这些建模工作支持了危险评估和间距评估，这对LNG设施的设计至关重要。
尽管对池火行为进行了数十年的研究，但仍然存在一个显著差距，即很少有研究关注结构钢在真实LNG池火条件下的热响应，更少的研究评估了在这种条件下的被动防火系统的性能。因此，文献中可用于模型验证的数据非常有限。例如，Gravit等人测试了涂有环氧涂层的钢结构在低温（包括直接接触LNG）下的热响应（Gravit et al., 2021）。在三个实验中的一个实验中，低温暴露后紧接着是碳氢化合物火灾的暴露。在公开可用的文献中，没有找到关于结构钢对池火热响应的其他实验数据。实际上，仅通过空间分离来实现可接受的热流水平通常是不可行的，因此需要在对结构钢和其他关键部件应用被动防火（PFP）。基于泡沫、环氧树脂和水泥的PFP系统在LNG基础设施中得到广泛应用，每种系统提供不同水平的热绝缘、耐久性和应用灵活性（API, 1999; Amith Kumar et al., 2020）。
Underwriters Laboratories（UL）1709标准为结构钢上的PFP材料提供了广泛采用的工业安全标准。该标准经过不断发展，目前处于第六版，包括对结构梁的测试，测试方法包括全尺寸火灾暴露和小尺寸火灾暴露。测试方法包括将测试样品暴露在特定水平的加热下一段时间；保护材料必须防止钢材在任何热电偶处的温度达到1200°F（649°C），并保持钢材上任何热电偶组件的平均温度低于1000°F（538°C）。如果测试的梁超过了上述温度，这意味着所应用的PFP涂层无法防止负载结构的潜在失效。因此，PFP材料有一个重要的标准来评估其有效性。然而，安装实践及其对热性能的影响仍研究不足，特别是对于长时间高辐射池火情况下的大型结构构件。
对于各种行业来说，使用具有三面PFP绝缘的结构钢梁已成为标准，以便更好地优化设施布局，使管道或其他设备能够靠近钢梁的顶部法兰（Imran et al., 2018）。然而，这些PFP方法的标准化测试是使用具有四面绝缘的钢梁。因此，标准是针对与实际应用不同的设置进行测试的。这可能会加剧已经灾难性的事件，例如在石油和天然气行业中，火灾导致结构失效可能导致海上站点的倒塌（Imran et al., 2018）。然而，在灾难性事件发生时，很难确定三面或四面PFP绝缘对特定梁的结构安全可能产生的影响，因此关于三面PFP情况的事故数据特别稀少。这表明目前可能低估了火灾事件中的结构风险。鉴于在池火期间依赖PFP方法来确保结构完整性，以及缺乏关于钢材在真实暴露条件下的热响应的实验数据，需要进一步的研究来评估PFP安装方法并量化其有效性。本研究通过实验评估在定义的池火暴露条件下结构钢梁的被动防火性能，解决了这一差距。
包含UL 1709 PFP测试结果的网站仅报告了达到某种防火等级所需的涂层厚度；没有公开可用的数据显示测试样品在这些测试过程中的温度变化，而这些数据将有助于测试和验证预测结构构件在火灾中热响应的模型。公开文献中关于结构钢对池火热响应的有限实验数据
点燃后的火焰可以在下图7中看到。
测试结果证实，由于顶部法兰缺乏对入射热流的热阻，三面涂层的钢材温度高于四面涂层，尤其是在顶部法兰和腹板上。三面涂层梁的顶部法兰超过了UL 1709的“最高温度”标准，该标准要求在规定的暴露时间内温度保持在1200°F（649°C）以下，尽管LNG池火的平均热流较低
布莱恩特·亨德里克森（Bryant Hendrickson）：写作——审稿与编辑、可视化、方法论、调查、正式分析。
托马斯·巴茨（Thomas Butts）：写作——审稿与编辑、调查、正式分析。
贾兹敏·艾雅·D·马奎兹（Jazmine Aiya D. Marquez）：写作——审稿与编辑、调查、正式分析。
王子豪（Zihao Wang）：写作——审稿与编辑、软件、调查。
米切尔·赫夫曼（Mitchell Huffman）：写作——初稿撰写、可视化、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据整理。
李志阳（Chi-Yang Li）：写作——
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：由于王庆生博士担任该文章的学科编辑，他未参与本文的同行评审，也无法获取有关其同行评审的信息。本文的编辑过程完全由另一位期刊编辑负责。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益冲突
本工作得到了美国交通部管道和危险材料安全管理局（Award # 693JK32310002POTA）的支持。
通讯作者王庆生是《Process Safety and Environmental Protection》期刊的编辑，但他没有参与本文的同行评审过程或其处理。其他作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系
