有機(jī)過氧化物冷庫消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

趙洪濤

（上海利柏特工程技術(shù)有限公司， 上海 201100）

絕大多數(shù)的有機(jī)過氧化物為無色到淡黃色的液體， 或者為白色粉末狀態(tài)到結(jié)晶狀態(tài)的固體， 多數(shù)不溶于水， 易溶于鄰苯二甲酸和二甲酯等有機(jī)溶劑［1］， 在化學(xué)工業(yè)中主要用作引發(fā)劑、 交聯(lián)劑、 氧化劑、 殺菌劑、 漂白劑等， 是當(dāng)今工業(yè)和生活中一種重要的助劑， 具有無可替代的作用。 有機(jī)過氧化物本身為易燃物質(zhì)， 對(duì)碰撞、 摩擦等敏感， 且具有強(qiáng)氧化性、 自加速分解性、 接觸某些物質(zhì)（如鐵銹、濃酸、 堿、 還原劑等）的分解性， 極其不穩(wěn)定， 在比較低的溫度下也可能分解。 其分解的過程中會(huì)放出大量的熱， 使溫度升高， 加速其分解， 直至發(fā)生劇烈反應(yīng)而爆炸。 近年來， 由有機(jī)過氧化物引起的生產(chǎn)、 儲(chǔ)存的重大事故時(shí)有發(fā)生， 因此正確設(shè)計(jì)其消防系統(tǒng)是保障撲滅有機(jī)過氧化物初期火災(zāi)， 及抑制過氧化物發(fā)生劇烈反應(yīng)而發(fā)生爆炸事故的重要舉措。 本文從工程實(shí)例出發(fā)， 結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)， 對(duì)有機(jī)過氧化物冷庫消防系統(tǒng)的選擇、 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取及消防系統(tǒng)的控制加以探討。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于天津市， 廠區(qū)新設(shè)計(jì)的過氧化物冷庫用于儲(chǔ)存本項(xiàng)目生產(chǎn)的過氧化物成品， 如過氧化二碳酸酯類、 過氧化脂類、 過氧化碳酸酯類、 過氧化縮酮類、 過氧化甲乙酮類、 過氧化乙酰丙酮、 過氧化環(huán)己酮等。 該冷庫設(shè)計(jì)為單層， 耐火等級(jí)為一級(jí)， 長(zhǎng)20.4 m， 寬17.0 m， 建筑高度9.5 m（其內(nèi)冷庫部分頂板高度為8.2 m）， 建筑面積為357 m2， 等分為3 個(gè)防火分區(qū)， 火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類， 冷庫設(shè)計(jì)溫度為-10 ℃； 每個(gè)防火分區(qū)內(nèi)設(shè)置兩排貨架， 貨架高度約為6.0 m， 分成4 層， 過氧化物采用5 ～30 L 不等的塑料包裝桶存儲(chǔ)。 冷庫的建筑剖面圖如圖1 所示。

圖1 有機(jī)過氧化物冷庫剖面圖Fig.1 Section of organic peroxides cold storage

本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫的消防用水由廠區(qū)消防泵房供給， 廠區(qū)設(shè)置有一套完善的穩(wěn)高壓消防給水系統(tǒng)， 最大消防供水流量為210 L／s， 供水壓力為0.8 MPa， 消防儲(chǔ)水量為1 300 m3。 廠區(qū)內(nèi)設(shè)置有DN 300 mm 的環(huán)狀消防供水管道， 能夠滿足本項(xiàng)目消防用水量及水壓的要求。 此外， 本項(xiàng)目還在廠區(qū)最高的建筑上設(shè)置了一座高位消防水箱， 有效容積為18 m3。 高位水箱通過一根DN 100 mm 的出水管連接至室外消防環(huán)網(wǎng)， 供廠區(qū)（包括本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫）初期消防用水。

2 消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范（2018 年版）》、 GB 50084—2017《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、 GB 50974—2014《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》及GB 50140—2005《建筑滅火器配置設(shè)計(jì)規(guī)范》， 本項(xiàng)目中的過氧化物冷庫設(shè)置有室外消火栓系統(tǒng)、 室內(nèi)消火栓系統(tǒng)、 雨淋系統(tǒng)、 滅火器系統(tǒng)及消防廢水系統(tǒng)。

2.1 室外消火栓系統(tǒng)

本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫為單層甲類倉庫， 建筑體積約為3 311 m3， 根據(jù)GB 50974—2014， 其室外消防用水量為25 L／s， 火災(zāi)延續(xù)時(shí)間為3 h， 室外消防一次滅火用水量為270 m3。

本項(xiàng)目廠區(qū)設(shè)置有環(huán)狀消防地下管網(wǎng)， 管道直徑為DN 300 mm。 消防環(huán)網(wǎng)上設(shè)置有減壓穩(wěn)壓型室外消火栓， 規(guī)格為SS100／65－1.6， 每個(gè)室外消火栓均配套設(shè)置1 個(gè)室外消火栓箱， 內(nèi)設(shè)1 條長(zhǎng)25 m DN 65 mm 內(nèi)襯里水帶， φ 19 mm 直流－水霧兩用槍1 支， 室外消火栓扳手1 支。 消防環(huán)狀管網(wǎng)使用區(qū)域切斷閥門， 將其分為若干獨(dú)立的管道分段， 每段包含有不超過5 個(gè)室外消火栓， 室外消火栓間距不大于60 m。 本冷庫周圍共有3 個(gè)室外消火栓可用于保護(hù)本區(qū)域， 能夠滿足消防設(shè)計(jì)要求。

2.2 室內(nèi)消火栓系統(tǒng)

本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫為建筑高度小于24 m 的甲類倉庫， 根據(jù)GB 50974—2014， 其室內(nèi)消火栓用水量為10 L／s， 火災(zāi)延續(xù)時(shí)間為3 h， 室內(nèi)消火栓一次滅火用水量為108 m3。

本項(xiàng)目冷庫設(shè)計(jì)溫度為－10 ℃， 室內(nèi)消火栓設(shè)置在冷庫的室外門口處， 并保證有2 支水槍的充實(shí)水柱同時(shí)到達(dá)室內(nèi)任何部位。 室內(nèi)消火栓選用減壓穩(wěn)壓型單栓消火栓SNW65－Ⅲ， 消火栓放置在消火栓箱內(nèi)， 每個(gè)消火栓箱應(yīng)包括1 個(gè)SNW65－Ⅲ的消火栓、 1 條長(zhǎng)25 m DN 65 mm 內(nèi)襯里消防水帶和1支φ 19 mm 直流－水霧兩用槍。 室外冰凍線以上的消火栓管道采用管道保溫及電伴熱， 以防嚴(yán)寒季節(jié)消防管道結(jié)冰。

2.3 雨淋系統(tǒng)

根據(jù)GB 50160—2014（2018 年版）第3.3.1 條、3.3.2 條及3.3.3 條， 本項(xiàng)目中有機(jī)過氧化物屬于甲類3、 4 項(xiàng)， 每座倉庫的最大允許占地面積為180 m2， 且每個(gè)防火分區(qū)的最大允許建筑面積為60 m2，而本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫的占地面積及每個(gè)防火分區(qū)的面積均超過此條文規(guī)定， 因此本過氧化物冷庫需要設(shè)置自動(dòng)滅火系統(tǒng)。

本項(xiàng)目自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的型式采用雨淋系統(tǒng)， 選擇雨淋系統(tǒng)是基于以下原因考慮： ①根據(jù)NFPA13—2013 第22.37.1.3.3 條， 儲(chǔ)存Ⅰ類有機(jī)過氧化物的獨(dú)立倉庫， 當(dāng)儲(chǔ)存的有機(jī)過氧化物超過907 kg 時(shí)， 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)為開式噴頭的雨淋系統(tǒng)［2］， 本項(xiàng)目冷庫的有機(jī)過氧化物最大儲(chǔ)量約為1 100 kg， 儲(chǔ)存物料中包含Ⅰ類有機(jī)過氧化物；②根據(jù)NFPA432—2002 第4.8.2.1 條， 采用濕式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)時(shí)， 應(yīng)按照作用面積為280 m2、 所需噴水強(qiáng)度下的要求設(shè)計(jì)， 或采用干式自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)時(shí)， 按作用面積為360 m2、 所需噴水強(qiáng)度下的要求設(shè)計(jì)； 若建筑面積小于280 m2， 作用面積按建筑面積計(jì)算［3］； ③由于有機(jī)過氧化物冷庫類的消防措施在國(guó)標(biāo)規(guī)范中沒有相關(guān)規(guī)定， 因此在確定消防系統(tǒng)方案時(shí)， 同當(dāng)?shù)氐南谰诌M(jìn)行了溝通， 消防局根據(jù)提供的有機(jī)過氧化物物料特性， 推薦本項(xiàng)目冷庫采用雨淋系統(tǒng)。 綜合以上因素， 本項(xiàng)目采用雨淋系統(tǒng)。

自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的噴水強(qiáng)度對(duì)滅火的成功與否至關(guān)重要， 但目前的國(guó)家相關(guān)規(guī)范中對(duì)有機(jī)過氧化物冷庫中采用自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的噴水強(qiáng)度沒有相關(guān)規(guī)定， 本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)主要參考了國(guó)外的相關(guān)規(guī)范及出版物， 如NFPA13—2013、 PGS8（2011 年版）［4］等， 這些文獻(xiàn)根據(jù)有機(jī)過氧化物的相關(guān)參數(shù)將有機(jī)過氧化物主要分成Ⅰ類～Ⅳ類， 對(duì)不同類別的有機(jī)過氧化物設(shè)定了不同的噴水強(qiáng)度： Ⅰ類20.4 L／（min·m2）； Ⅱ類16.3 L／（min·m2）； Ⅲ類12.2 L／（min·m2）； Ⅳ類10.2 L／（min·m2）。

本項(xiàng)目過氧化物冷庫中包含Ⅰ類有機(jī)過氧化物， 考慮到最不利的情況， 因此設(shè)計(jì)中采用的噴淋強(qiáng)度為20.4 L／（min·m2）。

對(duì)于自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的作用時(shí)間， 國(guó)標(biāo)中的規(guī)定是除規(guī)范另有規(guī)定外， 自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的持續(xù)噴水時(shí)間按火災(zāi)延續(xù)時(shí)間不小于1 h 確定［5］；NFPA13 中規(guī)定， 有機(jī)過氧化物類火災(zāi)的自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)噴水時(shí)間至少為1.5 h； 本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)中選擇雨淋系統(tǒng)的持續(xù)噴水時(shí)間為1.5 h。

因此， 消防設(shè)計(jì)要針對(duì)保護(hù)對(duì)象的特點(diǎn)， 合理地設(shè)置消防設(shè)施， 保護(hù)人身和財(cái)產(chǎn)安全， 同時(shí)做到消防設(shè)施的安全可靠、 技術(shù)先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)合理［6］。

雨淋系統(tǒng)是本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫最重要的消防設(shè)施， 是火災(zāi)能夠撲滅與否的重要保障。 本項(xiàng)目在冷庫內(nèi)設(shè)置氣動(dòng)傳動(dòng)管啟動(dòng)的雨淋系統(tǒng)， 在冷庫頂板下設(shè)置雨淋系統(tǒng)， 同時(shí)在貨架內(nèi)設(shè)置貨架內(nèi)置噴頭。 每個(gè)防火分區(qū)設(shè)1 套雨淋閥組保護(hù)， 共3套， 成套雨淋閥組設(shè)備設(shè)置在室外的雨淋閥室內(nèi)，閥組室內(nèi)溫度保證冬季大于5 ℃。 過氧化物冷庫內(nèi)雨淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)噴水強(qiáng)度為20.4 L／（min·m2）， 持續(xù)噴水時(shí)間為1.5 h， 作用面積為119 m2。 雨淋系統(tǒng)采用K 值為115 的開式噴頭， 雨淋系統(tǒng)剖面圖見圖2。

圖2 雨淋系統(tǒng)剖面圖Fig.2 Section of deluge sprinkler system

氣動(dòng)傳動(dòng)管系統(tǒng)采用動(dòng)作溫度為68 ℃、 K 值為80 的快速反應(yīng)閉式直立噴頭， 氣動(dòng)傳動(dòng)管系統(tǒng)剖面圖見圖3。 同時(shí)， 在每排貨架內(nèi)3.0 m 高處設(shè)置一層貨架內(nèi)置噴頭， 采用K 值為115 的開式噴頭。 氣動(dòng)傳動(dòng)管系統(tǒng)的壓縮空氣由廠區(qū)壓縮空氣主管（0.80 MPa， DN 100 mm）提供， 引入管徑為DN 15 mm， 壓縮空氣經(jīng)雨淋閥組的氣壓維護(hù)裝置減壓后， 維持傳動(dòng)管道內(nèi)的壓力。

圖3 氣動(dòng)傳動(dòng)管系統(tǒng)剖面圖Fig.3 Section of pneumatic drive tube system

根據(jù)GB 50974—2014 第8.2.8 條， 本項(xiàng)目 雨淋系統(tǒng)管道和氣動(dòng)傳動(dòng)管道均采用內(nèi)外壁熱鍍鋅無縫鋼管， 管道外壁刷一層環(huán)氧酚醛底漆、 一層環(huán)氧酚醛面漆， 工廠對(duì)涂漆層定期維護(hù)。 根據(jù)管道布置， 貨架上塑料包裝桶內(nèi)物料與鍍鋅鋼管內(nèi)碳鋼材質(zhì)幾乎沒有直接接觸機(jī)會(huì)， 不影響安全儲(chǔ)存的要求。

2.4 滅火器系統(tǒng)

有機(jī)過氧化物冷庫的火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)為嚴(yán)重危險(xiǎn)級(jí)， A 類、 B 類火災(zāi)。 配置MF／ABC5 手提式磷酸銨鹽干粉滅火器， 用以撲救初期火災(zāi)； 由于該過氧化物冷庫為危險(xiǎn)的重要場(chǎng)所， 故每個(gè)防火分區(qū)增設(shè)一套MFT／ABC20 推車式干粉滅火器。

2.5 消防控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫中的雨淋系統(tǒng)采用氣動(dòng)傳動(dòng)管啟動(dòng)、 消防控制中心遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)及雨淋閥組處現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)應(yīng)急啟動(dòng)3 種控制方式。 本項(xiàng)目室內(nèi)消火栓箱內(nèi)設(shè)置的報(bào)警按鈕不直接啟動(dòng)消防水泵， 僅發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（1） 氣動(dòng)傳動(dòng)管啟動(dòng)。 雨淋報(bào)警閥的自動(dòng)控制方式主要有電動(dòng)、 液（水）動(dòng)和氣動(dòng)［5］。 基于本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫的設(shè)計(jì)溫度為－10 ℃以及電動(dòng)系統(tǒng)存在誤報(bào)的可能性較大考慮， 本項(xiàng)目選擇氣動(dòng)傳動(dòng)管啟動(dòng)的雨淋系統(tǒng)， 且系統(tǒng)使用的壓縮空氣為露點(diǎn)－40 ℃的干燥空氣， 防止空氣中的水蒸氣在較冷溫度下凝結(jié)而結(jié)凍， 保證系統(tǒng)自動(dòng)控制方式的正常運(yùn)行。

本項(xiàng)目的氣動(dòng)傳動(dòng)管啟動(dòng)裝置包括K 值為80快速反應(yīng)噴頭、 DN 15 mm 鍍鋅鋼管氣動(dòng)管路以及氣壓維護(hù)裝置等組成， 閉式噴頭從氣動(dòng)管路上接出， 氣動(dòng)管路與雨淋閥的控制腔相連。 火災(zāi)時(shí)， 閉式噴頭開啟， 壓力空氣排出， 氣動(dòng)管網(wǎng)壓力迅速下降， 雨淋閥組開啟。 平時(shí)氣動(dòng)管網(wǎng)的氣壓由廠區(qū)的儀表空氣經(jīng)氣壓維護(hù)裝置維持。

（2） 消防控制中心遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)。 消防控制中心的火災(zāi)控制盤上設(shè)置有手動(dòng)控制裝置， 可遠(yuǎn)距離開啟雨淋閥組上的電磁閥， 啟動(dòng)雨淋系統(tǒng)。

（3） 現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)應(yīng)急啟動(dòng)。 現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)應(yīng)急啟動(dòng)裝置為一手動(dòng)開啟閥門， 當(dāng)閥門開啟時(shí)， 雨淋閥控制腔內(nèi)的壓力突降， 閥瓣開啟。 火災(zāi)時(shí)， 當(dāng)自動(dòng)啟動(dòng)方式失靈或在自動(dòng)啟動(dòng)裝置動(dòng)作之前有人發(fā)現(xiàn)了火災(zāi)， 可手動(dòng)開啟此閥門， 使雨淋閥組打開。

除了雨淋系統(tǒng)的3 種控制方式， 本項(xiàng)目的消防控制系統(tǒng)還需要與消防泵組直接連鎖。

（1） 雨淋閥組上的壓力開關(guān)需要選用雙觸點(diǎn)的壓力開關(guān)， 一路能夠發(fā)送報(bào)警信號(hào)至消防控制中心， 另一路需硬線接至消防泵控制柜， 在壓力開關(guān)動(dòng)作時(shí)， 能夠直接啟動(dòng)消防水泵。

（2） 高位消防水箱出口的流量開關(guān)需選用雙觸點(diǎn)設(shè)備， 流量開關(guān)動(dòng)作后， 一路信號(hào)發(fā)到消防控制中心， 另一路需硬線接至消防泵控制柜， 能夠直接啟動(dòng)消防水泵。 流量開關(guān)有以下要求： 流量開關(guān)動(dòng)作后延遲30 s 再啟動(dòng)消防水泵； 出流量不超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)補(bǔ)水量時(shí)， 不應(yīng)動(dòng)作。 當(dāng)前， 尚無流量開關(guān)產(chǎn)品的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 本項(xiàng)目流量開關(guān)的動(dòng)作設(shè)計(jì)值采用1.0 L／s。

此外， 本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物冷庫內(nèi)還設(shè)置了火焰探測(cè)器、 手動(dòng)報(bào)警按鈕等， 但僅做火災(zāi)報(bào)警用，不與雨淋閥以及消防泵連鎖。

2.6 消防廢水系統(tǒng)

根據(jù)GB 50974—2014 第9.2.1 條， 倉庫應(yīng)采取消防排水措施。 考慮到本項(xiàng)目有機(jī)過氧化物能夠散發(fā)比空氣重的可燃?xì)怏w、 可燃蒸汽， 如過氧化甲乙酮、 呋喃等， 不能在冷庫內(nèi)設(shè)置地溝來收集消防事故廢水。 因此， 本項(xiàng)目考慮在有機(jī)過氧化物冷庫各個(gè)門口外設(shè)置寬500 mm 帶格柵蓋板的排水溝， 用以收集消防事故時(shí)室內(nèi)產(chǎn)生的消防廢水。 冷庫的門采用氣動(dòng)控制模式（控制器＋氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)＋液位計(jì)）， 一旦液位計(jì)探測(cè)到冷庫內(nèi)積水達(dá)到100 mm以上， 氣動(dòng)裝置啟動(dòng)， 打開庫門排水。 排水溝收集的消防事故廢水經(jīng)不銹鋼304L 無縫鋼管， 排入到冷庫附近設(shè)置的有效容積為1 360 m3的消防廢水池， 能夠滿足本項(xiàng)目的要求。 同時(shí)， 消防廢水池內(nèi)設(shè)置有3 個(gè)直徑為3.0 m 攪拌器， 以防消防廢水中有機(jī)過氧化物局部濃度偏大， 熱量集聚， 進(jìn)一步發(fā)生自分解， 產(chǎn)生可燃?xì)怏w等。

根據(jù)GB／T 50934—2013《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》第5.5.1 條第1 款的規(guī)定， 埋地的消防排水管道宜采用鋼制管道［7］。 本項(xiàng)目消防廢水無腐蝕性， 但考慮到項(xiàng)目場(chǎng)地為回填場(chǎng)地， 地質(zhì)很差， 沉降量大， 塑料管道強(qiáng)度差還需要做高密度聚乙烯膜防滲層的處理， 且當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門不推薦采用塑料管道， 而鐵又能夠促進(jìn)有機(jī)過氧化物的分解， 綜合考慮以上因素， 本項(xiàng)目的消防排水管道材質(zhì)采用不銹鋼304L， 管道外壁做加強(qiáng)級(jí)聚乙烯防腐層。

3 結(jié)語

有機(jī)過氧化物多為易燃、 易爆及易自分解類物質(zhì)， 其消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性在實(shí)際工程中尤為重要， 在該項(xiàng)目的有機(jī)過氧化物冷庫的消防設(shè)計(jì)中主要體會(huì)如下：

（1） 消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)要根據(jù)涉及物料的物理、 化學(xué)性質(zhì)、 火災(zāi)特點(diǎn)， 結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)規(guī)范， 為其選擇合適的滅火系統(tǒng)、 設(shè)計(jì)參數(shù)。

（2） 雨淋閥組的壓力開關(guān)、 高位水箱出水管上的流量開關(guān)應(yīng)按雙觸點(diǎn)考慮， 與消防泵的連鎖要考慮能夠直接啟動(dòng)消防泵。

（3） 消防排水管材的選取要綜合考慮相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、 項(xiàng)目廢水的水質(zhì)條件、 場(chǎng)地地質(zhì)條件、 當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的要求等。

（4） 現(xiàn)行的GB 50084—2017、 GB 50219—2014《水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)于有機(jī)過氧化物的消防設(shè)計(jì)缺少相關(guān)條文的規(guī)定， 設(shè)計(jì)中需要參考NFPA13、 PGS8 等相關(guān)國(guó)外規(guī)范、 文獻(xiàn)。 希望國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范升版、 更新時(shí)， 能夠考慮有機(jī)過氧化物等特殊類別物料的約束條文。