大型儲(chǔ)罐火災(zāi)撲救技術(shù)現(xiàn)狀綜述

蔡亮，韓勇，姜旭，孟虎林

(1. 中國航油集團(tuán) 津京管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司，天津 300300；2. 中國石油 天津銷售分公司，天津 300170；3. 中國石油天然氣銷售 安徽公司，安徽 合肥 230000；4. 中國石油青海油田分公司 管道輸油處，青海 格爾木 816000)

密封圈雷擊火災(zāi)是浮頂儲(chǔ)罐常見的火災(zāi)類型，例如2007年中石化白沙灣油庫3號(hào)外浮頂罐遭雷擊，儲(chǔ)罐邊緣密封圈損壞約33%，4臺(tái)呼吸閥遭雷擊損壞[1]。近年國外發(fā)生多起大型儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)事故，例如2009年10月波多黎哥San Juan Bay油庫爆炸事故，引發(fā)形成11個(gè)儲(chǔ)罐火災(zāi)，最終影響到22個(gè)儲(chǔ)罐，其中大部分儲(chǔ)罐發(fā)生全面積火災(zāi)[2]。儲(chǔ)罐火災(zāi)具有燃燒猛烈、火焰溫度高、輻射熱強(qiáng)的特點(diǎn)，例如原油儲(chǔ)罐火災(zāi)火焰中心溫度可達(dá)1 400 ℃，特別是原油儲(chǔ)罐的沸溢噴濺對(duì)消防人員生命造成極大威脅[3]。改進(jìn)儲(chǔ)罐消防設(shè)施，研究?jī)?chǔ)罐火災(zāi)撲救技術(shù)，對(duì)于控制和減少儲(chǔ)罐事故損失具有重要意義。

隨著中國儲(chǔ)罐向大型化和集群化方向發(fā)展，油庫建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，運(yùn)行管理難度和安全風(fēng)險(xiǎn)增大。目前儲(chǔ)罐火災(zāi)撲救中存在消防水供給強(qiáng)度低、消防設(shè)施維護(hù)檢測(cè)不及時(shí)、缺乏大功率移動(dòng)式消防設(shè)備和應(yīng)急演練不到位等問題。本文介紹了國內(nèi)外儲(chǔ)罐火災(zāi)撲救技術(shù)的新進(jìn)展，如儲(chǔ)罐自動(dòng)泡沫滅火單元、儲(chǔ)罐罐頂自動(dòng)消防炮、移動(dòng)式大流量泡沫炮等。通過借鑒國外儲(chǔ)罐滅火先進(jìn)技術(shù)，對(duì)于提高油庫安全性和可靠性具有重要意義。

1 儲(chǔ)罐火災(zāi)撲救方式

儲(chǔ)罐火災(zāi)撲救應(yīng)統(tǒng)一指揮，統(tǒng)一行動(dòng)，準(zhǔn)確迅速，集中兵力，速戰(zhàn)速?zèng)Q。撲救儲(chǔ)罐初期火災(zāi)和密封圈火災(zāi)主要利用儲(chǔ)罐固定消防系統(tǒng)，即泡沫噴射系統(tǒng)和水噴淋冷卻系統(tǒng)等，同時(shí)配置一定數(shù)量的泡沫炮、消防水炮、消防車等移動(dòng)消防設(shè)備。儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在控制室自動(dòng)或手動(dòng)啟動(dòng)消防水泵或泡沫泵，對(duì)著火災(zāi)儲(chǔ)罐和鄰近儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻，使用泡沫滅火系統(tǒng)覆蓋著火部位。明火熄滅后，繼續(xù)向儲(chǔ)罐內(nèi)噴射泡沫進(jìn)行冷卻，防止復(fù)燃；確定無復(fù)燃可能性，采取倒罐方式對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)剩余油品進(jìn)行處置。

在發(fā)生多罐火災(zāi)或罐群火災(zāi)情況下，應(yīng)按照“先控制，后消滅；先鄰近罐，后著火罐；先上風(fēng)、后下風(fēng)；先地面，后油罐”的原則[4]進(jìn)行處置。先冷卻受到火勢(shì)威脅的鄰近罐，保證鄰近罐的安全，防止火勢(shì)擴(kuò)大蔓延；在條件允許時(shí)，同時(shí)對(duì)著火罐進(jìn)行冷卻；在滅火力量不足時(shí)，按先上風(fēng)、后下風(fēng)的原則進(jìn)行撲救；若力量足夠，則可分組同時(shí)實(shí)施撲救。

2 儲(chǔ)罐沸溢火災(zāi)撲救方法

沸溢可能發(fā)生在固定頂儲(chǔ)罐，特別是沸點(diǎn)大于250 ℃、黏度較高的重質(zhì)原油或?qū)挿悬c(diǎn)的重質(zhì)油品，發(fā)生沸溢可能性較大。儲(chǔ)罐沸溢事故雖較少發(fā)生，但會(huì)造成火災(zāi)迅速擴(kuò)散，罐內(nèi)油品會(huì)噴射而出，火焰和熱輻射強(qiáng)度突然增加，火災(zāi)范圍瞬間擴(kuò)大，極易引燃相鄰儲(chǔ)罐而導(dǎo)致災(zāi)難后果[5]。

1) 及時(shí)撲救儲(chǔ)罐火災(zāi)。儲(chǔ)罐火災(zāi)持續(xù)一段時(shí)間才會(huì)發(fā)生沸溢，盡快撲滅火災(zāi)是防止儲(chǔ)罐沸溢最有效的措施。儲(chǔ)罐沸溢一般有前兆，例如油品表面有細(xì)小油泡沫，呈涌漲現(xiàn)象，火焰顏色由濃黑暗紅變成泛白發(fā)亮，伴有“嘶嘶”聲響等，應(yīng)立即命令消防人員和車輛迅速撤離。

2) 冷卻著火儲(chǔ)罐罐壁。針對(duì)著火儲(chǔ)罐罐壁進(jìn)行冷卻，減少罐內(nèi)油品熱傳導(dǎo)，一定程度上能避免沸溢。研究表明，有罐壁冷卻比無罐壁冷卻的油品燃燒線速度減小25%～30%，采用冷卻措施后儲(chǔ)罐發(fā)生沸溢時(shí)間有所延長(zhǎng)，但儲(chǔ)罐如已形成熱層，罐壁冷卻措施的作用將有限。

3) 罐底排水。利用罐根閥或其他裝置排出儲(chǔ)罐底部的含水層，避免沸溢，但火災(zāi)狀態(tài)下排除原油中的含水尚無有效技術(shù)，開啟罐根閥時(shí)人員會(huì)面臨極大的風(fēng)險(xiǎn)。

4) 設(shè)計(jì)罐底環(huán)形隔水圈。在罐底含水層以上設(shè)計(jì)隔水圈，消除罐壁和油品熱傳導(dǎo)對(duì)含水層的傳熱，儲(chǔ)罐沸溢模擬實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)隔水圈后，火焰和熱輻射強(qiáng)度減弱明顯。

5) 利用防沸石消除含水層的突沸。研究表明，在儲(chǔ)罐底部含水層中放置防沸顆粒，例如陶瓷晶體顆粒，水相汽化、油層鼓泡、火焰增高和油火噴濺等問題仍然存在，但沸溢噴濺的強(qiáng)度比未加防沸顆粒時(shí)有明顯減弱。

3 儲(chǔ)罐消防設(shè)施和火災(zāi)撲救中存在的問題

3.1 撲救難度和危險(xiǎn)性大

儲(chǔ)罐火災(zāi)產(chǎn)生強(qiáng)烈輻射熱，消防人員難以靠近。油罐火災(zāi)燃燒時(shí)高溫可能使罐壁塌陷、破裂，儲(chǔ)罐火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，10 min內(nèi)儲(chǔ)罐罐壁溫度最高可達(dá)700 ℃，罐壁鋼板機(jī)械強(qiáng)度降低90%左右，此時(shí)儲(chǔ)罐將發(fā)生變形和破裂，形成大面積流淌火及燃燒死角，一次性撲滅比較困難[6]。

連續(xù)爆炸、沸溢噴濺是儲(chǔ)罐火災(zāi)的主要危險(xiǎn)特征，現(xiàn)行的隔離保護(hù)、冷卻降溫等撲救方法和措施不能從根本上予以防止。火災(zāi)撲救過程中，這兩種危險(xiǎn)特征的潛在性對(duì)消防人員生命構(gòu)成嚴(yán)重威脅，也會(huì)造成巨大的精神壓力和心理負(fù)擔(dān)，直接影響滅火工作。

3.2 罐壁式泡沫系統(tǒng)

外浮頂儲(chǔ)罐普遍安裝罐壁式泡沫系統(tǒng)，存在的主要問題[7]:

1) 泡沫噴射口沿罐內(nèi)均勻分布，雖設(shè)有泡沫導(dǎo)流板，如遇大風(fēng)，泡沫易被風(fēng)吹散，造成泡沫損失。

2) 針對(duì)1×105m3以上的大型儲(chǔ)罐，泡沫充滿密封圈空間至少需10 min，很可能錯(cuò)過火災(zāi)初期的滅火時(shí)機(jī)。

3) 雷擊造成的密封圈火災(zāi)，會(huì)因隨之而來的暴雨雨水稀釋泡沫濃度而影響滅火效果。

3.3 罐頂泡沫滅火系統(tǒng)噴射盲區(qū)

固定頂儲(chǔ)罐和內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐廣泛應(yīng)用了罐頂泡沫滅火系統(tǒng)，該方式存在的缺陷:

1) GB 50151—2010《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定從手動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)消防泵到泡沫從噴射口噴出時(shí)間不大于5 min，調(diào)研國內(nèi)油庫該過程時(shí)間通常大于5 min甚至大于10 min的情形。研究表明儲(chǔ)罐滅火最佳時(shí)機(jī)是火災(zāi)初期5～10 min。

2) 儲(chǔ)罐泡沫噴射口設(shè)置在罐壁頂部，在2個(gè)泡沫噴射口的中間區(qū)域存在一定范圍的噴射盲區(qū)，泡沫不能全部覆蓋火災(zāi)區(qū)域，內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐固定滅火系統(tǒng)覆蓋范圍盲區(qū)如圖1所示，其中V-1是泡沫噴射的中間盲區(qū)，V-2是泡沫噴射邊緣盲區(qū)。發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的熱氣流上升，冷空氣從浮船上部位置下降，泡沫散射降落過程中部分泡沫液被卷吸、漂散至罐外；由于受到火焰的高溫作用，大量泡沫液到達(dá)油面之前已破裂、分解甚至氣化蒸發(fā)，泡沫液損失嚴(yán)重，很難噴射到火源根部，達(dá)不到隔離空氣的目的。調(diào)研日本的儲(chǔ)罐滅火試驗(yàn)結(jié)果，泡沫滅火系統(tǒng)中損耗的泡沫液量占61%，蒸發(fā)的泡沫液量占9%，落在油品液面發(fā)揮滅火功能的泡沫僅占30%[8]。

圖1 內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐固定滅火系統(tǒng)覆蓋范圍盲區(qū)示意

3.4 浮盤邊緣式泡沫系統(tǒng)

鑒于罐壁泡沫系統(tǒng)存在的問題，近年來研發(fā)了浮盤邊緣式泡沫系統(tǒng)，泡沫噴射口堰板與二次密封支撐板之間有一定空隙，從而規(guī)避了大風(fēng)和雨水對(duì)泡沫的稀釋問題，但仍存在泡沫充滿空隙時(shí)間較長(zhǎng)的問題，原因在于泡沫先覆蓋金屬支撐板才能進(jìn)入密封圈內(nèi)部空隙[9]，管道維修難度大，只有在儲(chǔ)罐檢修期間才能進(jìn)行。相對(duì)罐壁泡沫管道，浮盤邊緣泡沫管道耐腐蝕、耐高溫、耐高壓性能要求很高，建設(shè)成本高。

3.5 移動(dòng)消防設(shè)施滅火效果不佳

浮頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)形式使得浮船隨液位變化而變化，著火點(diǎn)也是動(dòng)態(tài)變化的，消防炮很難針對(duì)火焰根部進(jìn)行集中噴射。大部分情形下消防炮只打到浮頂著火點(diǎn)的相鄰區(qū)域，或者只能打到相對(duì)罐壁密封圈一側(cè)的著火點(diǎn)。根據(jù)日本苫小牧油罐全面火災(zāi)泡沫滅火劑的消耗數(shù)據(jù)，采用泡沫炮噴射泡沫時(shí)，到達(dá)油面的滅火劑不超過40%[8]。

4 儲(chǔ)罐火災(zāi)撲救新技術(shù)

4.1 油庫消防自動(dòng)控制系統(tǒng)

國外油庫消防系統(tǒng)采用全自動(dòng)報(bào)警滅火控制設(shè)計(jì)理念[10]，設(shè)計(jì)多參數(shù)檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)火災(zāi)信號(hào)類型，自動(dòng)啟動(dòng)不同級(jí)別的滅火系統(tǒng)。例如檢測(cè)到火焰信號(hào)，自動(dòng)啟動(dòng)噴淋冷卻和泡沫滅火系統(tǒng)；檢測(cè)到溫度信號(hào)，只啟動(dòng)噴淋冷卻系統(tǒng)；檢測(cè)到可燃?xì)怏w濃度報(bào)警信號(hào)，只進(jìn)行聲光報(bào)警。

4.2 罐頂自動(dòng)消防炮

針對(duì)罐頂固定滅火系統(tǒng)泡沫噴射盲區(qū)的問題，在罐內(nèi)浮船上安裝自動(dòng)消防炮，通過電視監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其操作，在最短時(shí)間內(nèi)將大量泡沫噴灑到起火部位且不存有盲區(qū)。自動(dòng)消防炮水平方向可360°旋轉(zhuǎn)，垂直方向有上下45°角的調(diào)整空間，從而實(shí)現(xiàn)全區(qū)域、全方位的泡沫噴射，以及無死角、無盲區(qū)監(jiān)控和滅火[11]。

4.3 儲(chǔ)罐自動(dòng)泡沫滅火單元

儲(chǔ)罐固定式消防系統(tǒng)突出的問題是需配備供水管道、泵、泡沫發(fā)生器、監(jiān)視系統(tǒng)以及專門消防人員，設(shè)備繁瑣，環(huán)節(jié)鏈條多，會(huì)相互影響可靠性。近年來國外研發(fā)了CFITM， TANK GUARD， SEF等設(shè)置在儲(chǔ)罐浮盤邊緣的獨(dú)立滅火單元，以中東地區(qū)廣泛應(yīng)用的FoamFatale TM系統(tǒng)進(jìn)行說明[12]，其最大優(yōu)點(diǎn)是無需設(shè)計(jì)安裝消防水系統(tǒng)和泵機(jī)組等設(shè)備，探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)后5～10 s內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)；滅火時(shí)間最長(zhǎng)不超過2 min且不需要人力參與，設(shè)備可靠性高；對(duì)儲(chǔ)罐正常運(yùn)行幾乎無影響。FoamFatale TM系統(tǒng)滅火試驗(yàn)如圖2所示。

FoamFatale TM研發(fā)人員指出如果采用美國消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 11—2016NationalElectricalCode中限定值的2～3倍的泡沫供給強(qiáng)度，可以大幅縮短滅火時(shí)間。FoamFatale TM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的泡沫供給強(qiáng)度為20～30 L/(min·m2)。泡沫預(yù)制后儲(chǔ)存在高壓臥式罐中，設(shè)計(jì)分布式線性噴射口CLN(continuous linear nozzle)。探測(cè)火災(zāi)信號(hào)后，泡沫在管道內(nèi)完成膨脹，通過噴射口向罐體中心全輻射狀射出，泡沫在極短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散，在油品表面形成覆蓋層，隔絕氧氣，同時(shí)還具有冷卻罐壁的作用。

圖2 FoamFatale TM系統(tǒng)滅火試驗(yàn)

4.4 移動(dòng)式大流量泡沫炮

儲(chǔ)罐火災(zāi)如發(fā)展到全面積火災(zāi)形式，固定式泡沫滅火設(shè)施往往已損壞，不能發(fā)揮作用。國外已開展撲救大型儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)的專項(xiàng)技術(shù)研究，針對(duì)該類極端事故，主要采用移動(dòng)式大流量泡沫炮，泡沫供給速率在4×104L/min以上。日本法律強(qiáng)制要求直徑超過34 m的儲(chǔ)罐必須配置大功率泡沫炮，單臺(tái)泡沫炮噴射能力不低于1×104L/min，持續(xù)噴射時(shí)間不低于2 h。目前成功撲救的典型案例是2001年美國威廉姆斯消防公司在65 min內(nèi)成功撲滅最大直徑82.4 m儲(chǔ)罐的全液面火災(zāi)[13]，使用2門大功率泡沫炮，泡沫供給速率分別為3.64×104L/min和1.82×104L/min，泡沫供給強(qiáng)度為9.8 L/(min·m2)，消耗泡沫液3×103m3，泡沫噴射采用Foot Print技術(shù)，泡沫集中且能快速有效散開。

中國大型浮頂儲(chǔ)罐均設(shè)置了完備的固定式消防系統(tǒng)，但由于泡沫消防炮用水量巨大，只能適用于地表水源充足的地區(qū)，且要配套大流量的吸水泵、泡沫比例混合器以及大口徑高流量的泡沫消防炮，設(shè)備之間用超大直徑的雙層專業(yè)消防水帶連接，目前大功率移動(dòng)式消防設(shè)備配置相對(duì)較少應(yīng)用。

4.5 火災(zāi)狀態(tài)下油品處置

國內(nèi)儲(chǔ)罐火災(zāi)情況下不對(duì)油品進(jìn)行導(dǎo)出處理，只是停止一切收發(fā)油品作業(yè)，防止油蒸氣遇到明火發(fā)生更大火情。一般方法是將著火油罐的收油和發(fā)油閥門關(guān)閉，隔斷事故儲(chǔ)罐與相連工藝設(shè)施，斷絕著火罐的油量補(bǔ)充，為集中力量撲滅著火油罐創(chuàng)造良好條件。在火勢(shì)熄滅和罐體冷卻后將油品導(dǎo)出，在檢測(cè)剩余油品是否可回收再利用后，轉(zhuǎn)至其他油罐或?qū)⒂推纷⑷牍艿垒斔汀?/p>

國外儲(chǔ)罐火災(zāi)情況下剩余油品的處理主要取決于油罐燃燒程度，酌情采用收油或者發(fā)油作業(yè)，主要目的是輔助滅火工作，吸收熱量，避免油罐被燒毀等[14]。主要有以下三種類型:

1) 對(duì)于規(guī)模較小的油罐火災(zāi)，盡快將火勢(shì)撲滅，并轉(zhuǎn)移油品；該情形下國內(nèi)外做法基本一致。

2) 對(duì)于規(guī)模較大，并可能將油罐燒毀的火災(zāi)，會(huì)采取收油措施，吸收上部油品熱量，保護(hù)罐體。

3) 對(duì)于不容易撲滅的油罐火災(zāi)，在起火時(shí)或火災(zāi)初期采取發(fā)油措施，通過排出一部分油品，可以使泡沫液進(jìn)入未填充區(qū)域以及不易覆蓋的空隙部位。

針對(duì)火災(zāi)狀態(tài)下的油品處置，國內(nèi)外做法差異較大，國外關(guān)于吸收上部油品熱量和保護(hù)罐體采取收油措施，以及使泡沫填充和進(jìn)入不宜覆蓋區(qū)域采用發(fā)油措施，應(yīng)進(jìn)一步調(diào)研上述措施的可行性。從國外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，確實(shí)能夠提高消防效率、降低罐體所受的損失。

5 結(jié)束語

1) 目前中國油庫固定消防系統(tǒng)立足于撲救儲(chǔ)罐初期火災(zāi)和密封圈雷擊火災(zāi)，隨著國內(nèi)油庫建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，應(yīng)配套撲滅大型儲(chǔ)罐全面積火災(zāi)的消防設(shè)備，提高泡沫炮的泡沫供給強(qiáng)度和改善泡沫噴射方式是快速滅火的關(guān)鍵，也是大型儲(chǔ)罐滅火技術(shù)的發(fā)展方向。

2) 沸溢火災(zāi)主要發(fā)生在原油儲(chǔ)罐和固定頂儲(chǔ)罐，雖極少發(fā)生但危害極大，盡快撲滅火災(zāi)是防止儲(chǔ)罐沸溢最有效的措施。

3) 罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)主要問題是滅火過程中泡沫損耗量大、存在噴射盲區(qū)、到達(dá)液面時(shí)間長(zhǎng)等，很可能錯(cuò)過最佳滅火時(shí)機(jī)。

4) 浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)的研發(fā)方向應(yīng)致力于加強(qiáng)研發(fā)高可靠性的泡沫柔性軟管等特殊管件，降低建設(shè)費(fèi)用。

5) 國外新型儲(chǔ)罐自動(dòng)滅火單元具有啟動(dòng)快、滅火效率高、不需外部設(shè)備和人員參與等優(yōu)點(diǎn)，適用于撲救浮頂罐密封圈初期火災(zāi)。

6) 建議進(jìn)一步研究國外基于儲(chǔ)罐火災(zāi)類型采取相應(yīng)收發(fā)油措施的具體做法和適用性。