淺談沸溢性液體的特性及火災撲救對策

閆玉斌

摘要：在石化企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營中，由于生產(chǎn)需要，原料和產(chǎn)品一般有較大量的儲存。根據(jù)石化企業(yè)生產(chǎn)物料的性質(zhì)，最常見的儲存方式就是儲罐儲存。比如，某公司就有罐區(qū)50余座，各類儲罐640多個，總儲存量200萬噸。如此巨大的儲存量為生產(chǎn)提供了可靠的保證與方便的同時，也帶來了不可預知的火災危險性。而在發(fā)生的眾多油罐火災中，有一類火災極具危險性，那就是沸溢性液體火災。據(jù)油罐火災的統(tǒng)計資料表明，我國發(fā)生油罐火災的概率約為14.6%。其中屬于沸溢性液體的原油火災占第一位，約為40%，所以對沸溢性液體的研究就顯得十分必要。

關鍵詞：沸溢;熱波;火災

沸溢性液體指的是在儲罐著火情況下，由于熱波作用，使油層中的水分發(fā)生汽化而產(chǎn)生沸溢現(xiàn)象的液體，較常見的沸溢性液體有原油、重質(zhì)石油、瀝青油、渣油及粘性烴類混合物等。沸溢性液體相對于其他可燃、易燃液體來說，特殊之處在于易發(fā)生沸溢和噴濺。一旦發(fā)生沸溢與噴濺將會帶來災難性的后果。1989年8月12日中國石油天然氣總公司所屬黃島油庫油罐因雷擊發(fā)生火災，原油發(fā)生了沸溢和噴濺，造成了14名武警官兵和5名油庫職工犧牲的重大火災事故。沸溢性液體火災的危害由此可見一斑。本文將對沸溢性液體的特性及滅火、防御戰(zhàn)術進行探討。

一、溢性液體沸溢和噴濺現(xiàn)象的形成原因

沸溢性液體的沸溢和噴濺是如何形成的呢？主要原因在于沸溢性液體由多組分組成，沸程較寬，并且含有一定量的水分。

在種類繁多的化工物料中，可燃、易燃液體又有單組分液體和多組分液體之分。單組分液體只有一種成分，組成分子唯一，液體內(nèi)部各處的密度、熱容、揮發(fā)性等物理性質(zhì)相同。所以在發(fā)生火災時，要么發(fā)生爆炸，要么能較穩(wěn)定的燃燒。

而多組分液體則不同。多組分液體是指成分有兩種或兩種以上的液體，它屬于一種混合物，例如原油就是一種由不同烴類及水分等物質(zhì)組成的復雜混合物。由于液體中有多種組分，組分間只是機械地、物理性質(zhì)地混合，各組分的密度、揮發(fā)性、爆炸極限、閃點、熱容、燃燒值等物化特征不同。在燃燒過程中，輕組分首先沸騰，重組分滯后沸騰，所以原油等沸溢性液體的沸點并不單一，而是一個溫度范圍，物理學上稱為沸程。一旦發(fā)生火災，燃燒區(qū)通常在液面形成，這時不同組分在液體燃燒過程的揮發(fā)先后、燃燒順序、燃燒組分的比例、處于燃燒液體內(nèi)部的層次就出現(xiàn)了不同。液體中沸點較低的輕組分首先揮發(fā)成蒸氣離開液面進入燃燒區(qū)，并且揮發(fā)速度較快，燃燒猛烈;較重的組分由于溫度沒有達到其沸點，不能汽化，則攜帶在表面吸收的熱量向液體深層沉降，逐漸形成一個熱的鋒面向深層傳播，并逐漸加熱冷的液層，這就是熱波。熱波的初始溫度等于燃燒液面的溫度，也就是該時刻沸溢性液體中最輕組分的沸點。隨著沸溢性液體的不斷燃燒，液面蒸發(fā)組分的密度增大，沸點越來越高，液面溫度逐漸上升，因此熱波溫度也越來越高。

原油等沸溢性液體一般來說粘度較大，并含有一定比例的水分。沸溢性液體中的水分一般以乳化水和水墊兩種形式存在。例如原油，在開采、運輸過程中，水分由于強力攪拌成細小的水珠懸浮于油中而形成乳化水。在放置較長時間后，部分水因密度較大而沉降在油罐底部而形成水墊。

在熱波從液面向下傳遞熱量的過程中，經(jīng)過不同的液層，由于熱波溫度遠遠高于水的沸點，因而各液層中的乳化水會受熱大量汽化，產(chǎn)生的大量蒸汽會穿過油層向液面運動，在向上移動的過程中，形成油包氣的氣泡，即油的一部分形成了含有大量水蒸氣氣泡的泡沫。這樣必然鼓動液體，導致液體體積膨脹，向外溢出，于是在液面發(fā)生沸溢現(xiàn)象。熱波的傳播速度一般比燃燒速度快，不同組成的沸溢性液體有不同的熱波傳播速度。例如，我國出產(chǎn)的輕質(zhì)原油的熱波傳播速度約為0.38～1.27m/h不等。

隨著油品的燃燒，熱波的溫度逐漸升高，熱波向下傳播的距離也逐漸增大，當熱波到達油罐底部的水墊層時，水墊層的積水由于吸收了熱波帶來的大量熱量而迅速汽化，產(chǎn)生的蒸汽體積迅速膨脹，從而將水墊層上面的液體推出油罐拋向空中，并向四外噴射，于是發(fā)生噴濺現(xiàn)象。當油罐著火發(fā)生噴濺時，能把燃油拋出70～120m的距離，噴濺的燃油如同一個個飛濺的火球，并且密度較大，所到之處會立即引起燃燒，不僅對撲救人員構(gòu)成嚴重傷害，而且危及相鄰罐的安全，危險性非常大。

綜上所述，沸溢性液體發(fā)生沸溢和噴濺現(xiàn)象必須具備以下條件：

①多組分組成，具有較寬的沸程，并且沸程越寬，越易發(fā)生沸溢。

②油層中必須存在乳化水和水墊層，乳化水遇熱波形成蒸汽，水墊層遇熱波會發(fā)生噴濺。

③油的粘性大，使水蒸氣不容易自下向上穿過油層，從而鼓動油層，產(chǎn)生沸溢和噴濺。

通常情況下，發(fā)生沸溢要比噴濺的時間早得多。且發(fā)生沸溢的時間與原油的種類及含水量的多少有關。例如，經(jīng)測定含有1%水分的石油燃燒45～60分鐘就可能發(fā)生沸溢。而發(fā)生噴濺的時間要根據(jù)油層的厚度、熱波傳播速度、油品的燃燒線速度等數(shù)據(jù)進行估算。

二、沸溢性火災的撲救、防御戰(zhàn)術

一般來說，由于生產(chǎn)過程的必然結(jié)果和需要，原油等沸溢性液體中不可避免地含有一定的水分，因而火災情況下就可能發(fā)生沸溢和噴濺現(xiàn)象。那么撲救沸溢性液體火災時應注意什么呢？在沸溢性液體火災撲救中，可采取進攻戰(zhàn)術和防御戰(zhàn)術相結(jié)合的原則。

①沸溢性液體大多以浮頂罐儲存。如果火勢不大，如少量油蒸氣泄漏遇火源后會形成穩(wěn)定燃燒。這時可采用一般油罐的進攻滅火戰(zhàn)術，首先對著火罐和鄰罐進行冷卻，防止著火罐出現(xiàn)爆炸或罐體變形倒塌。然后，伺機用覆蓋物捂滅或用噴霧水、泡沫、干粉等撲救。

②如果火勢較大，如油罐發(fā)生爆炸，造成罐頂坍塌、部分或全部罐蓋被掀掉，這時整個油層液面會形成燃燒區(qū)，火勢猛烈，火焰高，難以控制，局勢比較危急。這種情況下，最關鍵的是密切進行觀察和估算，防止沸溢和噴濺現(xiàn)象的發(fā)生。

在一定的時間內(nèi)，即發(fā)生噴濺之前，應進行積極的冷卻與滅火進攻戰(zhàn)術，盡早將火災撲滅。一方面對著火罐和鄰近罐進行冷卻，防止著火罐爆炸、沸溢、噴濺或罐體變形倒塌。在冷卻油罐時，應注意冷卻射水要均勻，水流不宜進入罐內(nèi)。在冷卻的同時，積極進攻，如油罐的固定或半固定滅火系統(tǒng)未受破壞，要充分利用這一有利條件，迅速啟動固定滅火系統(tǒng)進行滅火。如固定滅火系統(tǒng)遭到破壞，可使用移動滅火系統(tǒng)，如車載泡沫炮進行覆蓋滅火。

當經(jīng)過較長時間的撲救仍未奏效時，要注意運用防御戰(zhàn)術，警惕沸溢和噴濺現(xiàn)象的出現(xiàn)，尤其是噴濺的發(fā)生。

噴濺現(xiàn)象發(fā)生的時間，可采用下面的公式估算：

T=（H油-H水）/（V+Vt）-K*H油

式中，T-預計發(fā)生沸溢的時間，h，小時;

H油-儲罐中液面的高度，m，米;

H水-油罐中水墊層的高度，m，米;

V-油品燃燒的線速度，m/h，米/小時;

Vt-熱波的傳播速度，m/h，米/小時;

K-提前常數(shù)，當油品低于閃點時，K=0.當油品高于閃點時，K=0.1，h/m （小時/米）。

例如，對于含水0.3%的重質(zhì)原油，其燃燒線速度約為0.13 m/h，熱波傳播速度約為1.27 m/h，如果油罐中油面高度為15m，水墊層高度為3m，則可計算出，發(fā)生噴濺的時間約為8.6小時。當撲救時間過長，已接近噴濺發(fā)生時間時，要果斷采取撤離或防護措施，這時隨時都會有噴濺現(xiàn)象發(fā)生。

油罐火災在出現(xiàn)噴濺之前，通常會出現(xiàn)某些征兆，如油面蠕動、涌漲;火焰增大，發(fā)亮、發(fā)白;火焰顏色由濃變淡;出現(xiàn)油沫（即發(fā)生沸溢現(xiàn)象）2～4次，;發(fā)生劇烈的“斯！斯！”聲等征兆。而且由于蒸汽劇烈鼓動油層，油罐會出現(xiàn)罐壁顫抖，同時因液面劇烈沸騰和金屬壁變形而出現(xiàn)強烈的噪聲，并伴有煙霧減少、火焰變亮、火舌尺寸變大，形似火箭等跡象。這時預示著油罐很快會發(fā)生噴濺現(xiàn)象，這不僅會導致火災發(fā)展，而且嚴重危及撲救人員的生命安全，必須予以高度重視，充分做好預防或撤離準備。

采用積極防御戰(zhàn)術，還可以利用倒油攪拌和排積水操作，來防止油罐發(fā)生噴濺。

倒油攪拌目的是破壞噴濺現(xiàn)象發(fā)生的必要條件，消除油面上層的高溫層，及熱波的傳播源，以防止沸溢和噴濺出現(xiàn)。

所謂倒油攪拌、抑制沸溢的方法，實際上就是攪拌降溫的方法，通常采取的措施主要有三種：

①由罐底向上倒油，即在罐內(nèi)液位較高的情況下，用油泵將油罐下部冷油抽出，然后再由油罐上部注入罐內(nèi)，其形式如同鍋煮餃子點水，為使用滅火劑滅火創(chuàng)造條件，

②由非著火罐向著火罐內(nèi)注油，即在罐內(nèi)燃燒油品處于低液位的情況下，用油泵從非著火罐內(nèi)抽出與著火罐內(nèi)油品相同質(zhì)量的油注入著火罐，其原理與前一種方法相同。

③使用儲罐攪拌器攪拌，即在存儲罐內(nèi)對油品進行攪拌，使冷油層與高溫油層融在一起，降低油表面溫度，防止罐內(nèi)形成高溫層。

但在倒油攪拌時，應注意：

①由其他油罐向著火罐倒油時，必須選取相同品質(zhì)的油。

②倒油攪拌時，不得將罐底水墊注入熱油層，以免發(fā)生氣化現(xiàn)象，造成泡沫溢流。

③倒油攪拌前，應判斷好冷、熱油層的厚度及液位高低，掌握好倒油量與時間，防止倒油超量，造成溢流。

噴濺發(fā)生的另一個原因是水墊層。為防止熱波傳播至水墊層而發(fā)生噴濺，也可以采用排除油罐水墊層積水的方式。具體方法是通過油罐底部的虹吸栓將沉積于罐底的水層排泄到罐外，這將直接消除了蒸汽的產(chǎn)生源。運用排水防濺措施時，應注意：

①排水前應計算水墊的厚度、重量及排水時間。

②排水處應指定專人監(jiān)護，防止排水過量，出現(xiàn)跑油現(xiàn)象。

另外，如果油罐的罐頂部分坍塌，應注意冷卻保護罐頂殘留部分，防止因長時燒烤后，殘留罐頂變形坍塌落入油罐，導致水墊層積水遇熱汽化，出現(xiàn)噴濺。

如果沸溢性液體發(fā)生了沸溢或噴濺，會造成大量油品的流淌火災。為堵截液體的流散、阻止火勢的無限度蔓延，可根據(jù)儲罐液體油火流散的情況，利用有利的地形地物，采取不同的方法，筑堤攔壩，阻止漫流，將流散的液體限制在一定范圍內(nèi)，為滅火創(chuàng)造條件。

三、結(jié)束語

綜上所述，結(jié)合沸溢性液體的物料特性，掌握火災事故危害的發(fā)生原理和規(guī)律，以采取相應的措施和滅火戰(zhàn)術，將會有效地減少火災的危害，成功撲救沸溢性液體火災。

參考資料：

[1]中國石油化工總公司安全監(jiān)督局編.《石油化工安全技術》（ISBN7- 80043-717-5/TQ.418）.中國石化出版社.1998年4月

[2]公安部政治部編.《滅火應用戰(zhàn)術》.（ISBN7-81027-937-8/G.367）.警官教育出版社.北京.1998年.

[3]公安部政治部編.《滅火戰(zhàn)術基礎》.（ISBN7-81011-977-X/D.800）.警官教育出版社.北京.1997年.