石油化工儲(chǔ)罐消防水系統(tǒng)失效特性研究

張 琰 左東興

（1.應(yīng)急管理部天津消防研究所，天津 300381；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 安徽銷(xiāo)售倉(cāng)儲(chǔ)分公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

我國(guó)對(duì)石油化工原料的需求日益增多，大型石油化工產(chǎn)品儲(chǔ)庫(kù)也相繼建立，隨著大型石油化工儲(chǔ)罐的投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，各類(lèi)安全問(wèn)題也逐漸暴露并引起較大的安全事故，如2010年廣東省惠州油罐火災(zāi)事故、2011年中石油大連新港油罐著火事故和2014年中石油大連石化公司三苯罐區(qū)爆炸等，造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。石油化工園區(qū)消防系統(tǒng)是撲救火災(zāi)和防止火災(zāi)形勢(shì)擴(kuò)大的關(guān)鍵防線[1]，研究消防系統(tǒng)失效概率和失效原因能夠準(zhǔn)確定位系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)，使消防系統(tǒng)日常維護(hù)有的放矢，在儲(chǔ)罐本質(zhì)安全上實(shí)施改進(jìn)措施，以防范火災(zāi)事故發(fā)生。

1 消防給水系統(tǒng)失效概率類(lèi)型分析

1.1 消防給水系統(tǒng)失效概率

消防給水系統(tǒng)是整個(gè)消防系統(tǒng)的核心，消防水系統(tǒng)一旦失效，石油化工園區(qū)的火災(zāi)形勢(shì)將持續(xù)擴(kuò)大。本文通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外93個(gè)石油化工儲(chǔ)罐火災(zāi)案例，分析和歸納了罐區(qū)消防水系統(tǒng)失效的原因。所分析的石油化工儲(chǔ)罐火災(zāi)事故中，一部分的消防給水系統(tǒng)仍能正常工作，能夠?yàn)橄乱徊降臏缁鸷蛢?chǔ)罐冷卻工作貢獻(xiàn)力量。但是在一些事故案例中，存在消防給水系統(tǒng)失效的情況[2]。在分析的案例中，消防給水系統(tǒng)失效的案例有32個(gè)，占總事故數(shù)的34%，如圖1。消防給水系統(tǒng)失效的主要原因表現(xiàn)為：消防工程設(shè)計(jì)本身存在設(shè)計(jì)缺陷或施工缺陷，如消火栓數(shù)量不足或消火栓距離著火儲(chǔ)罐距離較遠(yuǎn)；火災(zāi)或爆炸導(dǎo)致給水系統(tǒng)不能正常工作，如某次事故中爆炸導(dǎo)致電力系統(tǒng)失效，泵房不能供水、泡沫等；偶然因素導(dǎo)致消防給水系統(tǒng)癱瘓，如停電或設(shè)備正處于維修狀態(tài)使得消防泵不能供水等[3]。

圖1 消防給水系統(tǒng)失效比例Fig.1 Failure ratio of fire water supply system

1.2 不同儲(chǔ)罐類(lèi)型分析

消防給水系統(tǒng)失效的案例共32個(gè)，按照儲(chǔ)罐類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。其中固定頂儲(chǔ)罐11例，占比34.4%，外浮頂罐7例，內(nèi)浮頂罐7例，臥式儲(chǔ)罐2例，管道失效1例，另外還有4例儲(chǔ)罐因資料不全而不能確定儲(chǔ)罐類(lèi)型，其比例如圖2。由圖2可以得知，固定頂儲(chǔ)罐的消防水系統(tǒng)失效概率最高，其次是外浮頂罐和內(nèi)浮頂罐。原因分析：一般情況下，固定頂儲(chǔ)罐發(fā)生事故時(shí)爆炸的概率大于外浮頂罐和內(nèi)浮頂罐，當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生燃燒或爆炸時(shí)，固定頂罐的罐頂容易被掀翻而造成罐頂?shù)墓潭缁鹣到y(tǒng)失效；與固定頂儲(chǔ)罐相比，外浮頂儲(chǔ)罐發(fā)生事故時(shí)，消防給水系統(tǒng)失效的概率較低[4]，在火災(zāi)快速撲滅的6個(gè)案例中，其中5個(gè)屬于外浮頂罐。

圖2 消防給水系統(tǒng)失效的儲(chǔ)罐類(lèi)型Fig.2 Type of tank where fire water supply system fails

2 消防給水系統(tǒng)各部件失效分析

石油化工儲(chǔ)罐消防給水系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)水源、消防水泵房、供水管網(wǎng)、消火栓和冷卻水系統(tǒng)5個(gè)部分，如圖3。本文將從消防給水系統(tǒng)的5個(gè)部分分析消防給水系統(tǒng)的失效原因。給水系統(tǒng)失效的案例中，同一事故可能會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上部件失效的情況，經(jīng)匯總分析得到，水源不足的案例占15例，泵房失效占10例，冷卻水系統(tǒng)失效占8例，消火栓失效共4例，供水管網(wǎng)失效共3例，各部分占總消防給水系統(tǒng)失效總量的比例，如圖4。

圖3 消防給水系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.3 Composition of fire water supply system

圖4 消防給水系統(tǒng)各部分失效比例Fig.4 Failure ratio among fire water supply system

2.1 水源

水源是消防給水系統(tǒng)的關(guān)鍵，消防滅火戰(zhàn)斗中水源的缺乏將導(dǎo)致滅火系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的癱瘓。在消防給水系統(tǒng)失效案例中，水源不足在給水系統(tǒng)失效案例中所占比例最高，占比約38%。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，水源不足主要表現(xiàn)為：儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)沒(méi)有設(shè)置消防水源或違規(guī)將消防水罐改造為儲(chǔ)油罐，此種情況多出現(xiàn)在小型石油化工儲(chǔ)罐區(qū)或油田開(kāi)采過(guò)程中的小型中間儲(chǔ)罐；水源設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致取水困難、水源總量不足或水源距離失火儲(chǔ)罐距離較遠(yuǎn)等原因，如某儲(chǔ)罐火災(zāi)案例中，化工儲(chǔ)罐區(qū)將臨近河流作為消防水源，但火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)消防車(chē)等取水設(shè)備無(wú)法停靠河邊而不能取水，延誤滅火進(jìn)度；疏于管理，消防水池缺水或故障不能投入使用，事故案例中多次出現(xiàn)此種情況。

在快速撲滅火災(zāi)的成功案例中，也多次強(qiáng)調(diào)了消防水源的重要性，充足的水源是滅火的根本保障。除合理設(shè)計(jì)消防水源、按時(shí)檢查系統(tǒng)完備性以外，可以聯(lián)合市政、消防、公安等各部門(mén)力量，暫時(shí)關(guān)閉市民用水，保證消防供水壓力等。

2.2 水泵房

消防水泵房是消火栓供水、罐區(qū)冷卻系統(tǒng)以及其他滅火系統(tǒng)的“心臟”，是整個(gè)石油化工罐區(qū)消防系統(tǒng)中最重要的動(dòng)力源。在滅火過(guò)程中從消防水池內(nèi)取水，泵房為消防水提供足夠的壓力，消防泵將水輸送到消火栓或冷卻水系統(tǒng)中。在事故案例中消防水泵房失效比例約占24%，泵房的失效主要表現(xiàn)為：雷電或電網(wǎng)故障等造成停電，泵房癱瘓；泵自身故障或正處于維修狀態(tài)，沒(méi)有備用泵；儲(chǔ)罐爆炸波及泵房，導(dǎo)致泵房不能投入使用；設(shè)計(jì)缺陷，泵的壓力不足，不能滿(mǎn)足需求。為避免以上情況出現(xiàn)，保證消防水泵房能夠在火災(zāi)下正常工作，結(jié)合實(shí)際滅火成功案例和調(diào)研需要對(duì)水泵房進(jìn)行如下措施：為避免水泵房遭遇雷擊，雙回路供電電源不能保障消防系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)當(dāng)采用直流屏控制，一備一用；加強(qiáng)日常維護(hù)保養(yǎng)，保證泵在關(guān)鍵時(shí)刻能夠正常工作；優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工，合理布置泵房位置、合理選擇泵的參數(shù)，如揚(yáng)程、流量等。

2.3 冷卻系統(tǒng)

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，儲(chǔ)罐罐壁直接受到火焰產(chǎn)生的熱輻射，溫度會(huì)迅速上升，鋼板強(qiáng)度迅速下降，可能會(huì)產(chǎn)生失效，造成火災(zāi)蔓延和事故升級(jí)。為了保證鄰近罐的安全，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》等要求對(duì)著火罐及鄰近罐進(jìn)行消防冷卻保護(hù)。根據(jù)《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求“容量大于或等于3000m3或罐壁高度大于或等于15m的地上立式儲(chǔ)罐，應(yīng)設(shè)固定式消防冷卻水系統(tǒng)”。根據(jù)儲(chǔ)罐火災(zāi)案例分析，冷卻水失效所占比例較高，約為消防給水系統(tǒng)失效案例總數(shù)的19%，分析其主要原因是：沒(méi)有冷卻水系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，關(guān)鍵時(shí)刻不能夠冷卻儲(chǔ)罐；爆炸導(dǎo)致冷卻水系統(tǒng)失效。

2.4 消火栓

消火栓主要為消防車(chē)輛從消防給水管網(wǎng)中取水實(shí)施滅火戰(zhàn)斗或直接連接水帶和水槍進(jìn)行滅火，消火栓系統(tǒng)是撲救火災(zāi)的重要消防設(shè)施之一。在事故案例中消火栓失效比例約占11%，主要表現(xiàn)為：消火栓數(shù)量不足；消火栓距離罐區(qū)較遠(yuǎn)，使用不便，應(yīng)合理確定消火栓的數(shù)量和位置。

2.5 供水管網(wǎng)

消防水系統(tǒng)的供水管網(wǎng)不能正常工作也是常見(jiàn)的失效形式，在事故案例中供水管網(wǎng)失效比例約占8%，主要表現(xiàn)為：建造時(shí)間久遠(yuǎn)的油罐供水管線一般盤(pán)踞在罐頂[5]，雷雨天氣時(shí)易引發(fā)雷電打火，導(dǎo)致火災(zāi)事故發(fā)生，且管線在火災(zāi)狀態(tài)下被破壞，不能正常使用；油罐燃燒時(shí)導(dǎo)致供水管道破裂，不能正常供水；供水管線沒(méi)有采取防凍措施，冬季供水管線被凍住，火災(zāi)發(fā)生時(shí)不能使用。因此，石油化工儲(chǔ)罐公司應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)供水管網(wǎng)的維護(hù)保養(yǎng)，定期檢查排除問(wèn)題，防止管線在滅火過(guò)程中被凍住或破裂。

3 結(jié)論

通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)外93個(gè)石油化工儲(chǔ)罐火災(zāi)案例，分析和歸納了罐區(qū)消防給水系統(tǒng)失效的原因，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，石油化工儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，固定頂儲(chǔ)罐配套的消防水系統(tǒng)失效概率高于外浮頂儲(chǔ)罐和內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的消防水系統(tǒng)。一般情況下，固定頂儲(chǔ)罐發(fā)生事故時(shí)爆炸的概率大于外浮頂罐和內(nèi)浮頂罐，當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生燃燒或爆炸時(shí)，固定頂罐的罐頂容易被掀翻而造成罐頂?shù)墓潭缁鹣到y(tǒng)失效。在火災(zāi)快速撲滅的6個(gè)案例中，5個(gè)屬于外浮頂罐。給水系統(tǒng)失效的案例中，水源不足占15例，占比最高，泵房失效所占比例次之，再次是冷卻系統(tǒng)、消火栓和供水管網(wǎng)失效。

因此，石油化工企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)消防給水系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)，按照規(guī)定定期開(kāi)展必要的消防安全評(píng)估和檢測(cè)消防設(shè)施的完備性[6]，保證充足的消防水源和供水壓力，對(duì)消防水泵房采取防雷措施并加強(qiáng)泵房和儲(chǔ)罐噴淋裝置日常維護(hù)保養(yǎng)，北方地區(qū)的消防供水管路采取防凍措施等，保證消防給水系統(tǒng)的可靠性。