ISO 218432023 压力容器用防火材料和系统对碳氢化合物池火灾耐受性的测定标准立项发展报告

压力容器用防火材料和系统对碳氢化合物池火灾耐受性的测定标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:DeterminationoftheResistancetoHydrocarbonPoolFiresofFireProtectionMaterialsandSystemsforPressureVessels摘要随着石油化工、液化天然气储运及海洋工程等领域的飞速发展，压力容器作为关键工艺设备，其安全防护问题日益凸显。碳氢化合物池火灾（HydrocarbonPoolFire）具有高热通量密度、快速升温及长时间持续燃烧等特点，对压力容器的结构完整性和运行安全构成严重威胁。为科学评价防火材料和防火系统在池火灾场景下的实际防护性能，国际标准化组织（ISO）于2023年1月13日正式发布了ISO21843:2023《压力容器用防火材料和系统对碳氢化合物池火灾耐受性的测定》。该标准规定了碳氢化合物池火灾条件下防火材料和系统耐火性能的试验原理、试验装置、试验程序及性能评价方法，为全球范围内压力容器防火设计和安全评估提供了统一的技术依据。本报告从标准立项背景入手，系统梳理了国内外相关技术标准和试验方法的发展现状，深入分析了ISO21843:2023的技术框架和核心创新点，并就该标准的实施路径、行业应用前景及未来发展趋势进行了探讨。报告认为，ISO21843:2023的发布填补了国际标准在碳氢化合物池火灾耐受性测定领域的空白，对于提升压力容器防火设计的科学性、促进国际贸易与技术交流、保障重大工业设施安全运行具有重要的里程碑意义。关键词：压力容器；碳氢化合物池火灾；防火材料；耐火性能；国际标准；防火系统；火灾耐受性一、标准立项背景与研究意义1.1碳氢化合物池火灾的危害特性与安全挑战碳氢化合物池火灾是石油、化工及天然气工业中最为常见且极具破坏性的火灾类型之一。当可燃液体（如原油、汽油、液化烃等）发生泄漏后在地面或设备表面聚集形成液池，一旦遇点火源即形成池火灾。与常规建筑火灾不同，碳氢化合物池火灾具有显著的热力学特征差异。根据烃类火灾升温曲线（HydrocarbonTime-TemperatureCurve），池火灾可在极短时间内（通常5分钟内）使环境温度骤升至1000℃以上，其热通量密度可高达150-250kW/m²，远超纤维素类火灾（标准建筑火灾）的热通量水平。这种极端热载荷对邻近压力容器、管道及支撑结构构成严峻考验，若防火保护措施失效，可能导致容器壁温急剧上升、材料强度显著衰减，进而引发容器破裂、爆炸及连锁灾难事故。近年来，国内外多起重大工业火灾爆炸事故的调查分析表明，防火材料和防火系统性能不足或评价方法不完善是导致事故扩大的重要原因之一。因此，建立科学、统一、可比的防火材料耐火性能评价方法，成为保障压力容器本质安全的关键技术需求。1.2防火材料与防火系统的功能定位压力容器的防火保护通常由被动防火材料（PFP，PassiveFireProtection）构成的防火系统来实现。被动防火材料包括膨胀型防火涂料、水泥基防火砂浆、陶瓷纤维毯、防火隔热复合结构等多种形式。其核心功能在于：在火灾工况下，通过材料自身的物理化学变化（如膨胀炭化、吸热分解、隔热传导抑制等），在压力容器外壁或支撑结构表面形成有效的热屏障，延缓基材升温速率，确保容器在规定的消防历时内（通常为30至120分钟）维持足够的结构承载能力和密封完整性，为人员疏散、应急抢险及火灾扑救争取宝贵时间。然而，不同防火材料的配方体系、施工工艺、服役环境适应性各异，其防火性能的评价指标和测试方法也千差万别。缺乏统一的标准试验方法，不仅导致不同产品之间性能难以横向比较，也增加了工程设计选型和工程验收的难度。1.3ISO21843:2023标准立项的必要性与紧迫性在ISO21843:2023发布之前，国际上涉及碳氢化合物池火灾耐受性测定的标准分散于多个国家和行业体系之中，如英国石油行业标准、美国UL1709等。然而，在ISO国际标准层面缺乏专门针对压力容器用防火材料和系统的池火灾耐受性测定的统一方法标准。各国在试验装置设计、热负荷条件模拟、试件制备及合格判定准则等方面存在显著差异，导致跨境工程项目中防火方案的互认面临障碍。在此背景下，国际标准化组织适时启动了ISO21843标准的制定工作，旨在整合国际先进经验和最新研究成果，建立一项适用于全球范围的碳氢化合物池火灾耐受性试验方法标准。该标准的发布不仅是标准化技术领域的重大进展，更是保障全球石化工业安全可持续发展的重要技术支撑。二、国内外相关标准及技术现状分析2.1国外相关标准与技术发展在ISO21843:2023发布之前，国际工程实践中广泛采用的标准主要包括以下几项：（1）UL1709《结构钢保护用材料防火测试标准》。该标准由美国保险商实验室（UL）制定，首次提出了模拟碳氢化合物快速升温火灾的试验曲线，其升温速率远快于标准建筑火灾时间-温度曲线，在最初5分钟内炉温即应达到约1093℃。UL1709主要针对结构钢构件的防火保护材料，是国际上最早出现的烃类火灾试验方法之一，其升温曲线被后续多项标准广泛引用和借鉴。（2）英国石油行业标准及企业规范。如BP、Shell等国际大型石油公司均建立了企业内部防火材料评价规范，通常以ISO834标准火灾曲线和烃类火灾曲线为基础，结合工程具体工况条件确定试验要求。英国石油学会（EnergyInstitute）发布的防火被动保护材料性能评价指南，在业界具有重要影响。（3）ISO22899-1:2007《被动防火材料喷射火焰试验方法》。该标准规定了被动防火材料在喷射火条件下的试验测定的通用方法。标准规定，若未规定入射热通量，试验装置应使入射热通量达到基准值的70%~120%，推荐基准入射热通量为300kW/m²。（4）挪威石油标准化组织NORSOKC-001标准在海洋工程防火设计方面，NORSOK标准对防火材料的适用性分类、试验验证要求及接受准则进行了系统规定，为北海油气田开发中防火方案的技术要求提供了重要依据。2.2国内相关标准与技术发展我国在压力容器防火材料和系统试验评价方面开展了长期的研究工作，形成了较为完善的标准体系。GB/T9978系列标准（建筑构件耐火试验方法）是我国建筑领域耐火性能测试的基础标准，其升温曲线为纤维素类火灾曲线。在此基础上，我国还发布了GB/T26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验方法》，其中引入了碳氢化合物升温曲线（烃类火灾曲线），为建筑构件在烃类火灾条件下的耐火性能评价提供了方法依据。GB14907-2018《钢结构防火涂料》作为我国钢结构防火涂料领域的强制性产品标准，对防火涂料的理化性能及耐火性能提出了明确要求。虽然该标准主要面向建筑钢结构，但其试验方法体系对压力容器防火涂料的性能评价具有重要参考价值。在海洋工程领域，我国发布了GB/T39134-2020《海洋石油平台防火材料的性能要求和试验方法》等标准。总体来看，国内在碳氢化合物池火灾试验方法方面虽已具备一定的技术基础，但在试验装置标准化、热通量控制精度、统一接受准则等方面仍有待进一步对标国际先进水平。三、ISO21843:2023标准技术内容概述3.1标准适用范围与定位ISO21843:2023规定了测定压力容器用防火材料和系统对碳氢化合物池火灾耐受性的试验方法和性能评价要求。该标准适用于应用于压力容器外表面（包括筒体、封头及连接部位）的各种被动防火材料和防火系统，包括但不限于膨胀型防火涂料、非膨胀型防火涂料、防火毡、防火板及复合防火隔热结构等。值得注意的是，该标准主要针对火灾暴露条件下防火材料的热防护功能评价，不涉及防火材料自身的力学性能、耐久性能、耐候性能等长期使用性能的评定。3.2试验原理与核心装置ISO21843:2023的试验原理基于模拟碳氢化合物池火灾的热暴露条件，对施涂于标准压力容器钢板试件（或模拟构件）表面的防火材料和系统进行单面加热试验。试验装置的核心部件为耐火试验炉，应具备按照标准烃类火灾温度-时间曲线精确控制炉内温度的能力。标准烃类火灾升温曲线（即碳氢化合物曲线）的温度-时间关系可用以下数学表达式描述：\[T=T_0+1080\left(1-0.325e^{-0.167t}-0.675e^{-2.5t}\right)\]其中T表示t时刻的炉温（℃），T₀为初始温度（℃），t为试验时间（min）。该曲线在最初5分钟内温度迅速攀升至接近1100℃的峰值平台，模拟了池火灾的典型热暴露特征。为了更真实地模拟实际池火灾的热辐射和火焰对流传热综合效应，试验炉设计还应考虑热通量密度的控制要求。3.3试件制备与试验条件试件的基材应选用与工程实际应用相对应的压力容器用钢板，其材质、厚度应能代表典型工况条件。防火材料应按产品说明书规定的施工工艺施涂于试件的一面（受火面），涂层厚度应涵盖设计厚度及允许偏差范围。标准规定，每组试验试件数量不应少于3个，试验结果应取算术平均值，以保证数据的统计学可靠性。3.4性能评价指标与判定准则ISO21843:2023建立的性能评价指标主要包括以下三大类：（1）绝热性能指标——背火面温升。在标准池火灾曲线条件下持续加热，监测试件背火面（非受火面）的温升随时间的变化，确定背火面温度达到预设临界值（通常580℃）所需的时间，记作绝热时间（InsulationTime）。该指标直接反映了防火材料降低热传导速率的能力。（2）完整性指标。在试验过程中，持续观察试件是否出现裂缝、脱落、熔融、开裂等破坏现象。当试件出现贯穿性裂缝或开口导致火焰或高温烟气穿透时，判定试件完整性丧失。同时，还应关注防火材料在高温下的粘接附着性能，避免因材料脱落导致基材直接暴露于火场。（3）结构响应指标。对于承载压力容器结构的防火保护系统，应监测基材钢板温度变化对结构承载力退化的影响。通过建立温升-强度衰减对应关系，评估防火系统是否能在规定消防历时内维持结构的安全性。3.5标准主要创新与技术特色ISO21843:2023在总结借鉴UL1709、ISO834、ISO22899等现有标准的基础上，形成了若干具有鲜明特色的技术创新点：一是针对压力容器几何特征的适应性设计。与建筑构件平板试件不同，压力容器表面通常具有较大的曲率且包含接管、法兰等异形部位。标准在规定试件型式时充分考虑了这些工程实际特征，为曲面构件和典型节点构造的防火性能验证提供了方法支撑。二是热-力耦合评价方法。该标准将防火材料的热防护性能与压力容器材料在高温下的力学性能衰减规律相结合，建立了从防火材料温升响应到结构安全裕度评价的完整技术链条，体现了性能化防火设计的发展方向。三是多层级性能分类体系。标准根据不同的消防历时要求（如30min、60min、120min等）和不同的临界温度条件，建立防火性能分级体系，便于工程设计时根据具体工况的风险等级和经济性要求合理选型。四、主要起草单位及技术贡献ISO21843:2023的制定汇聚了国际标准化组织消防安全领域多个技术委员会的核心力量，由ISO/TC92（消防安全技术委员会）主导编制。ISO/TC92作为国际标准化组织中负责消防安全领域标准制定的专业技术委员会，其工作范围涵盖消防工程、火灾安全工程、火灾探测和灭火系统，以及被动防火材料和系统等广泛领域。近年来，ISO/TC92发布了多项具有国际影响力的消防标准，包括但不限于ISO/TS11696-1（建筑火灾反应试验系列）、ISO23932（消防安全工程总则）、ISO/TS13447等，为全球建筑和工业消防安全标准化做出了卓越贡献。在ISO21843:2023的编制过程中，来自英国、挪威、美国、中国、日本等成员体的消防专家和压力容器安全专家深度参与了标准框架设计、技术指标论证和试验方法验证等关键环节。各方充分交流了在海洋工程、石化装置火灾安全评估、防火涂料性能测试等领域的工程经验和研究成果，确保了标准的技术先进性和工程适用性。五、标准实施与推广应用前景5.1在石油化工领域的应用石油炼制、乙烯生产及化工品制造等过程涉及大量易燃易爆介质，压力容器和反应器密集布置，火灾风险高、事故后果严重。ISO21843:2023的实施为石化企业火灾危险性评估、防火方案设计及防火材料进场检验提供了统一的技术准则。工程设计单位可依据该标准对不同防火材料和系统的池火灾耐受性进行标准化测试和横向对比，从而科学选型。5.2在液化天然气（LNG）及海洋工程领域的应用LNG接收站、液化天然气储罐区及海洋石油平台是碳氢化合物池火灾风险最为突出的场所之一。低温环境下LNG泄漏形成的液池火灾热辐射强度极大，对邻近设施的结构安全构成严重威胁。ISO21843:2023规定的试验方法可以在设计阶段为防火方案选型和验证提供科学的试验依据。5.3在标准体系与国际合作层面的意义ISO21843:2023的发布为各国正在制定的相关技术规范提供了重要的参考基准，有助于推动全球范围内防火材料和系统测试方法的统一化进程。对于我国而言，建议在中国标准化研究院及全国消防标准化技术委员会的组织下，加快开展该标准的转化工作，同步推进国内配套试验装置的能力建设和实验室间的比对验证，为标准的落地实施提供充分的技术储备。六、结论与展望ISO21843:2023《压力容器用防火材料和系统对碳氢化合物池火灾耐受性的测定》是一项具有重要技术创新意义和国际引领价值的标准化成果。该标准首次将碳氢化合物池火灾的极端热暴露条件与压力容器结构安全评估系统结合，确立了统一的试验方法、评价指标和分级准则，填补了国际标准化组织在该领域的标准空白，为全球石油化工、液化天然气储运、海洋工程等高危行业压力容器防火设计提供了科学、规范的技术依据。展望未来，随着性能化防火设计理念的深入推广和数值模拟技术在火灾安全工程中的广泛应用，ISO21843系列标准有望向以下方向持续发展：一是拓展防火材料在高温-高压耦合条件下的长期服役性能评价方法；二是发展基于火灾动力学模拟和多物理场耦合分析的虚拟试验技术；三是在标准框架下融入人工智能辅助的数据分析和性能预测方法，推动标准体系向精准化、数字化和智能化方向演进。建议国际标准化组织和各国标准化机构携手推动该标准的全球应用，共同促进全球工业防火安全水平的持续提升。参考文献[1]ISO21843:2023,De