大型浮頂罐區(qū)火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)評估與防范體系研究

大型浮頂罐區(qū)火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)評估與防范體系研究

0浮頂儲罐火災(zāi)隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和原油行業(yè)能源儲量的戰(zhàn)略需求，我國石油壇單罐體積和數(shù)量不斷增加，儲區(qū)和儲區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大，呈現(xiàn)出大型化和綜合化的特點(diǎn)，各種儲水池同時(shí)存在。目前多數(shù)國家采用大型浮頂儲罐進(jìn)行原油的存儲,我國石油儲備基地(庫)多為單罐容量10×104m3的外浮頂罐,其中最大浮頂儲罐已達(dá)20×104m3,區(qū)域總?cè)萘恳堰_(dá)或超過千萬立方米,如大連大孤山地區(qū)總庫容已達(dá)1480萬立方米。由于單罐容積和庫區(qū)規(guī)模的不斷增大,區(qū)域火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(xiǎn)呈不斷上升趨勢,近年來災(zāi)難性事故多發(fā),給當(dāng)?shù)叵啦块T和石化企業(yè)單位的火災(zāi)預(yù)防和撲救帶來新的挑戰(zhàn)。如2010年7月大連中石油國際儲運(yùn)有限公司石油庫輸油管線發(fā)生爆炸起火,短時(shí)間形成多達(dá)6×104m2的地面流淌火,嚴(yán)重威脅相鄰多個(gè)大型易燃易爆物品儲存單位和海港碼頭的安全。此次火災(zāi)遼寧省共調(diào)動14個(gè)公安消防支隊(duì)和18個(gè)企業(yè)專職消防隊(duì),出動了348輛消防車、2380余名消防員,共用消防水6×104t,泡沫滅火劑1000t［1］。可見,大型浮頂原油儲罐一旦發(fā)生火災(zāi)事故不易撲救,可能引發(fā)區(qū)域多米諾連鎖事故,后果十分嚴(yán)重,對地區(qū)環(huán)境及社會影響巨大。由國際資源保護(hù)組織(RPI)負(fù)責(zé),BP、Shell等16家石油公司組織開展的LASTFIRE項(xiàng)目表明每年發(fā)生15-20起大型石化儲罐火災(zāi)事故［2］。2004年瑞典大型儲罐火災(zāi)滅火模型預(yù)測FOAMSPEX項(xiàng)目組統(tǒng)計(jì)1950至2003年9月的480起儲罐火災(zāi)事故,相對涵蓋區(qū)域及儲罐類型最為全面,但也僅限于英文使用國家的事故資料,表明50年來儲罐火災(zāi)事故總量呈明顯的上升趨勢,尤其是大型儲罐火災(zāi)事故比例增加［3］。據(jù)國外的529起油罐火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì),從起火原因來看,雷擊起火約為32.5%;從燃燒介質(zhì)來看,主要是原油約為32.5%,其次是汽油約為27.3%;從起火油罐類型來看,以浮頂儲罐為主(占29.5%),其次是拱頂罐。可見,大型原油浮頂儲罐是主要防范對象,起火頻率高,災(zāi)害后果嚴(yán)重。我國1982年調(diào)查統(tǒng)計(jì)儲罐年火災(zāi)幾率為0.448‰,但近年來隨著儲罐容量和數(shù)量的劇增,油罐火災(zāi)事故相對多發(fā)。為此,加強(qiáng)大型石油儲罐火災(zāi)防控措施建設(shè),提高對我國罐區(qū)重特大火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)防范水平和應(yīng)急救援能力,是目前石油、石化企業(yè)及消防安全管理部門亟待解決的任務(wù)。API對1951年至1995年間107起大型儲罐火災(zāi)事故的統(tǒng)計(jì)表明在81起浮頂儲罐單罐火災(zāi)中浮頂儲罐全表面積火災(zāi)有22起,占浮頂儲罐單罐火災(zāi)的27%［4］,若發(fā)生沸溢可能引發(fā)多罐事故。全液面火災(zāi)是大型原油浮頂儲罐的主要風(fēng)險(xiǎn)之一,是原油儲備庫消防工作的重中之重。我國相關(guān)規(guī)范均按環(huán)形密封處的局部火災(zāi)設(shè)防,依據(jù)NFPA、API、BS等國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范配置了固定式或移動式滅火系統(tǒng),僅是撲救一般規(guī)模的火災(zāi),如浮頂儲罐的密封圈火災(zāi)、小規(guī)模防火堤池火等,而缺少撲救大型儲罐全面積火災(zāi)的消防能力［5］。2012年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家發(fā)展改革委員會、工業(yè)和信息化部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等4部委聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于開展提升危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域本質(zhì)安全水平專項(xiàng)行動的通知》(安監(jiān)總管三87號)指出“推行化工園區(qū)一體化安全管理”,按照規(guī)劃先行、控制容量、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、一體化管理的要求,嚴(yán)格全面地論證、科學(xué)規(guī)劃化工園區(qū),提高園區(qū)的整體風(fēng)險(xiǎn)防范水平。為此,合理規(guī)劃庫區(qū)布置,推進(jìn)大型罐體本質(zhì)安全化設(shè)計(jì),加強(qiáng)大型油庫火災(zāi)預(yù)測預(yù)警及固定式消防系統(tǒng)的消防能力,提高移動式消防設(shè)備的配置水平和庫區(qū)消防管理能力,基于火災(zāi)場景建立大型浮頂原油儲罐全過程風(fēng)險(xiǎn)防范體系具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1影響火災(zāi)場景和風(fēng)險(xiǎn)的因素1.1局部或全輸液火災(zāi)對于大型外浮頂原油儲罐,依據(jù)火災(zāi)場景發(fā)生的位置和規(guī)?？煞譃槊芊馊馂?zāi)、浮頂溢油火災(zāi)、防火堤火災(zāi)、浮筒爆炸和局部或全液面火災(zāi)［2］,如圖1所示。其中,密封圈火災(zāi)是最主要的火災(zāi)形式,往往先發(fā)生閃爆,雷擊是其引發(fā)的主要原因;局部或全液面火災(zāi)是指浮盤發(fā)生局部下沉或直接沉盤而形成的液面火災(zāi),是撲救難度最大,損失最嚴(yán)重的火災(zāi)事故類型。這些初始火災(zāi)場景若不能得到很好的撲救和控制,都有可能發(fā)展為全液面火災(zāi)或多罐火災(zāi),LASTFIRE項(xiàng)目中一起密封圈火災(zāi)升級為全液面火災(zāi),浮頂溢油火災(zāi)發(fā)展為全液面火災(zāi)的概率非常高,而沸溢導(dǎo)致多罐火災(zāi)或防火堤火災(zāi)的概率高達(dá)100%。1.2原油儲罐災(zāi)害機(jī)理大型浮頂罐區(qū)火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)與引火源、儲罐故障、儲罐布局、消防系統(tǒng)設(shè)施及氣象條件等因素有關(guān)。根據(jù)儲罐火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì),引發(fā)儲罐火災(zāi)的典型點(diǎn)火源有閃電、爆炸碎片、靜電、儲罐上熱作業(yè)、金屬硫化物自燃、火炬濺落物等。其中,閃電是最主要的引火源,LASTFIRE調(diào)查報(bào)告中62起初始火災(zāi)由閃電引起的初始密封圈火約占83.9%;靜電是引發(fā)儲罐火災(zāi)的常見誘因,而動火作業(yè)引發(fā)儲罐火災(zāi)往往是由于違規(guī)操作造成的［4］。儲罐故障通常表現(xiàn)為油料溢流到浮盤表面或防火堤內(nèi)、密封圈損壞以及浮頂沉盤等,引發(fā)原因如下表所示,其中浮盤過載下沉往往引發(fā)防火堤火災(zāi)、浮盤溢流火災(zāi),甚至全液面火災(zāi)等,應(yīng)加強(qiáng)儲罐的本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)和日常維保管理。儲罐優(yōu)化布局主要是為了防止儲罐間的火災(zāi)蔓延,引發(fā)原因包括同時(shí)引燃、地面流淌火、著火罐沸溢、火焰熱輻射影響以及沸溢、熱輻射等因素的綜合作用等。其中,地面流淌火危害巨大且難以撲滅,引發(fā)鄰罐事故概率基本上是100%;沸溢是原油儲罐火災(zāi)事故中最為嚴(yán)重的事故模式,防火堤火災(zāi)、局部或全液面火災(zāi)主要是熱輻射影響鄰罐安全,而多罐火災(zāi)往往是熱輻射、沸溢和地面流淌火等多因素綜合作用的結(jié)果。儲罐布局主要是基于風(fēng)險(xiǎn)分析合理確定儲罐間的防火間距以及與鄰近企業(yè)單位的安全間距,楊國梁［6］建立了儲罐失效風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型,基于風(fēng)險(xiǎn)給出了大型原油儲罐防火間距的確定方法。罐區(qū)火災(zāi)探測預(yù)警系統(tǒng)有助于降低初期火災(zāi)場景發(fā)生頻率,針對各種場景的滅火系統(tǒng)設(shè)施有助于降低初期火災(zāi)場景的升級概率,通常罐區(qū)消防系統(tǒng)設(shè)施的可靠性可達(dá)95%。罐區(qū)氣象條件,主要是風(fēng)速、風(fēng)向?qū)植炕蛉好婊馂?zāi)、防火堤內(nèi)池火災(zāi)熱輻射距離的影響。同時(shí),較大的外界風(fēng)力易吹散泡沫,雨水也有稀釋作用,從而影響泡沫滅火效果。1.3罐區(qū)防火間距和耦合系統(tǒng)設(shè)置影響罐區(qū)初期火災(zāi)場景升級的風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括密封圈性能、浮頂類型及配件、儲罐間距、儲罐運(yùn)行條件及附件、防火堤及布局、油料性質(zhì)、消防系統(tǒng)作用及環(huán)境影響等。密封圈性能完好可以有效減少形成爆炸性混合氣氛的概率,進(jìn)而降低引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。LASTFIRE事故調(diào)查報(bào)告也指出,浮盤排水管路故障和大雨后過載是造成沉盤事故的主要原因。正確操作和維護(hù)浮頂支架非常必要,可有效降低浮盤下沉事故和由于腐蝕而導(dǎo)致的支架故障風(fēng)險(xiǎn)。合理的儲罐防火間距可以防止全液面火災(zāi)的火焰與鄰罐接觸,確保消防和疏散通道通暢,從而有效降低火焰熱輻射導(dǎo)致的多罐事故風(fēng)險(xiǎn)。儲罐的運(yùn)行條件和附件狀況對預(yù)防火災(zāi)場景升級具有重要的作用,如儲罐泡沫噴口故障導(dǎo)致密封圈火災(zāi)升級為全液面火災(zāi)的案例。對于沸溢性原油的大型浮頂儲罐應(yīng)單個(gè)一個(gè)隔堤,且防火堤的設(shè)置便于消防力量布置和人員進(jìn)出。罐區(qū)的風(fēng)向、風(fēng)速可能影響火焰的蔓延方向和蔓延速度,增加鄰罐被引燃的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)對泡沫也有吹散稀釋作用,影響罐體滅火效果。儲罐油料性質(zhì)對火災(zāi)場景升級的主要影響是其揮發(fā)性、沸程和水層。罐區(qū)的消防系統(tǒng)對預(yù)防和減緩火災(zāi)場景升級至關(guān)重要,通常罐區(qū)固定式泡沫滅火系統(tǒng)可以成功撲滅90%的密封圈火災(zāi),泡沫的流動性、抗燃燒性和析液時(shí)間、發(fā)泡倍數(shù)是有效滅火的關(guān)鍵指標(biāo),但過量的泡沫可能使浮盤發(fā)生傾斜而引發(fā)事故升級。若引發(fā)全液面火災(zāi),將油料導(dǎo)出是降低火災(zāi)場景升級的有效方法之一,但也可能導(dǎo)致沸溢提前發(fā)生。通過罐區(qū)多種先進(jìn)消防技術(shù)的綜合使用,采用合適的影響火災(zāi)場景升級的風(fēng)險(xiǎn)控制措施、良好的火災(zāi)事故應(yīng)急處置機(jī)制以及有效的滅火方式,能夠?qū)⒐迏^(qū)火災(zāi)傷亡損失降到最低。1.4事故場景評估基于火災(zāi)場景的大型浮頂罐區(qū)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估,主要是辨識火災(zāi)場景及發(fā)生頻率f、確定不同火災(zāi)場景的后果危害程度及影響范圍C,進(jìn)而確定罐區(qū)火災(zāi)場景的固有風(fēng)險(xiǎn)R1;若可以確定罐區(qū)消防系統(tǒng)預(yù)防初期火災(zāi)事故升級影響因子F,進(jìn)而評估罐區(qū)現(xiàn)實(shí)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)R2,評估框架如圖2所示。LASTFIRE項(xiàng)目給出了初始密封圈火災(zāi)、初始浮頂溢油火災(zāi)、初始防火堤火災(zāi)和初始全液面火災(zāi)的發(fā)生頻率分別為1.6×10－3/罐年、3.0×10－5/罐年、1.5×10－4/罐年和3.0×10－5/罐年。罐區(qū)火災(zāi)事故場景后果可以采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或數(shù)值模擬,進(jìn)而確定其傷害、死亡半徑及輻射損壞距離,如FDS、SAFETI和AN-SYS［7］等。對于多罐及罐區(qū)、庫區(qū)的區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估可采用個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算［8］、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重度指數(shù)評估等方法。罐區(qū)消防系統(tǒng)預(yù)防初期火災(zāi)事故升級影響因子F由火災(zāi)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)初期火災(zāi)發(fā)生頻率降低因子、初期火災(zāi)場景升級條件概率和消防系統(tǒng)發(fā)揮作用可靠性因子等因素確定。2基于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防對策2.1以全過程火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范體系為核心的疫情防控技術(shù)鑒于上述大型浮頂罐區(qū)火災(zāi)場景及發(fā)展模式、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響因素及區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估,基于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析構(gòu)建了全過程火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范體系,包括庫區(qū)評估規(guī)劃、罐體本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)、庫區(qū)火災(zāi)預(yù)防與撲救、罐區(qū)火災(zāi)事故管理等5個(gè)方面(見圖3),形成面向庫區(qū)全過程的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范體系,在各項(xiàng)防控措施效益與實(shí)際減緩風(fēng)險(xiǎn)之間保持合理的平衡,持續(xù)改進(jìn)確定最佳的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范系統(tǒng)和管理模式。2.2園區(qū)消防規(guī)則大型浮頂罐庫區(qū)評估規(guī)劃是指基于區(qū)域性火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估分析,合理規(guī)劃庫區(qū)及園區(qū)儲罐布局,主要涉及罐體防火間距、防火堤容積、園區(qū)消防給排水配置和周鄰安全距離等,評估儲罐多米諾事故影響,合理確定園區(qū)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)容量,優(yōu)化庫區(qū)整體布局。園區(qū)消防規(guī)則內(nèi)容主要包括防火隔離帶和疏散避難設(shè)施及防災(zāi)緩沖區(qū)設(shè)置、園區(qū)消防給排水、監(jiān)控預(yù)警及消防通信等。常用的消防安全規(guī)劃方法主要有安全距離法、基于后果的方法、基于風(fēng)險(xiǎn)的方法和半定量方法四類。2.3油罐防火間距設(shè)計(jì)的必要性大型浮頂罐本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)是指規(guī)范化儲罐設(shè)計(jì)、安裝及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),采用先進(jìn)的浮盤密封和防雷技術(shù)措施,降低靜電、違規(guī)操作等引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn),提高罐體及庫區(qū)本質(zhì)安全等級。油罐大型化發(fā)展導(dǎo)致罐體焊縫越來越長,增大了油罐基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降和焊縫破裂的機(jī)率。同時(shí),由于含硫原油,特別是高硫原油的增多,油罐腐蝕也越來越嚴(yán)重,存在大型油罐發(fā)生大量油品泄漏的隱患。針對這些問題應(yīng)采取本質(zhì)安全化設(shè)計(jì),而合理的防火間距設(shè)計(jì)也是減少火災(zāi)蔓延的本質(zhì)安全化體現(xiàn)。油罐一次密封和二次密封部件、油罐攪拌器、浮盤的電氣連接和盤梯等附件的可靠性設(shè)計(jì)對儲罐日常安全運(yùn)行起關(guān)鍵作用。此外,采用耐沖擊的防火堤,或提高罐組周圍路面的高度,作為油罐組的第二道防線,可降低油料大量泄漏防火堤被沖毀風(fēng)險(xiǎn)。此外,建議對工藝過程和設(shè)備設(shè)施進(jìn)行HAZOP分析,杜絕火災(zāi)隱患和減少設(shè)計(jì)缺陷。2.4浮頂罐區(qū)內(nèi)部監(jiān)控設(shè)施庫區(qū)的火災(zāi)預(yù)防技術(shù)措施主要包括火災(zāi)預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)、可燃油氣濃度探測、油料泄漏探測、液位溫度監(jiān)測、防雷預(yù)警技術(shù)和快速切斷堵漏技術(shù)等。通常油罐上設(shè)置火災(zāi)自動探測裝置,如二次密封圈上面間距不大于3m的光纖感溫探測器,主要用于密封圈火災(zāi)場景,也可采用熱成像儀或視頻圖像對整個(gè)浮盤區(qū)進(jìn)行監(jiān)控。罐區(qū)很少安裝油料泄漏探測系統(tǒng),如密封圈處的紅外可燃?xì)怏w探測器、浮盤表面溢油光纖探測器等,也可在浮盤排放系統(tǒng)、罐底和廢液等位置安裝泄漏油料探測裝置,可降低0.15%-0.25%的浮頂溢油火災(zāi)、防火堤火災(zāi)和全液面火災(zāi)的發(fā)生頻率。同時(shí),應(yīng)提高探測預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。大型浮頂罐區(qū)消防控制系統(tǒng)通常采用DCS控制,可在消防控制室設(shè)置PLC和消防輔助操作臺,用以確保在DCS失靈時(shí)的后備操作?；?G信息技術(shù)與遠(yuǎn)程信號動態(tài)監(jiān)測技術(shù),實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測監(jiān)控與分析罐區(qū)工藝設(shè)施狀態(tài)參數(shù),融合監(jiān)測預(yù)警與火災(zāi)場景風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模擬,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化決策、應(yīng)急聯(lián)動等功能,以提高罐區(qū)火災(zāi)先期征兆預(yù)測預(yù)警與防范技術(shù)能力。2.5火災(zāi)場景下的滅火策略罐區(qū)火災(zāi)撲救主要是針對密封圈火災(zāi)、防火堤火災(zāi)、流淌火及全液面火災(zāi)場景等采取針對性的滅火系統(tǒng)設(shè)施和撲救戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)。國內(nèi)罐體通常按密封圈火災(zāi)設(shè)防罐壁式泡沫滅火系統(tǒng),阿聯(lián)酋某直徑150m原油儲庫,采用大流量泡沫炮按全液面火災(zāi)設(shè)防,運(yùn)行費(fèi)用較高。LASFTFIRE項(xiàng)目案例分析表明,對于直徑80m的大型儲罐密封圈火災(zāi)、全液面火災(zāi)、防火堤火災(zāi)等泡沫滅火系統(tǒng)的可靠性達(dá)0.95,與一次性密封圈火災(zāi)氣體滅火系統(tǒng)和水噴淋冷卻系統(tǒng)的可靠性相當(dāng),而消防炮系統(tǒng)的可靠性為0.75［9］。同時(shí),英國BP石油公司的研究報(bào)告也顯示,成功撲滅大直徑油罐全液面火災(zāi)需要依靠大流量噴射設(shè)備和經(jīng)過良好訓(xùn)練的消防隊(duì)員,且選取優(yōu)化的撲救策略［2］。大流量、遠(yuǎn)射程的消防裝備是撲救大型浮頂罐區(qū)災(zāi)難性火災(zāi)的必備武器,采用水源泵與大流量遠(yuǎn)射程拖車炮相結(jié)合的遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)和高效能滅火劑,被證明是撲救大型儲罐火災(zāi)的有效方法。針對大型浮頂罐典型火災(zāi)場景采取優(yōu)化的滅火策略也是成功撲救災(zāi)難火災(zāi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)消防資源的充足有效性,消防人員熟悉裝備、藥劑和滅火程序的程度,可分為主動策略、防御策略和保守策略。其中,密封圈火災(zāi)通常采用固定式泡沫滅火系統(tǒng)和便攜式移動消防設(shè)備,若起火弧度較短可采用滅火器或泡沫噴槍撲滅;防火堤火災(zāi)要防止周鄰罐被引燃,隔離泄漏源,啟動固定式泡沫系統(tǒng)和移動式消防泡沫和便攜式噴槍等。全液面火災(zāi)的滅火策略如下:(1)停止火災(zāi)影響儲罐的一切操作;(2)確保儲罐能容納噴射的泡沫量;(3)啟動泡沫系統(tǒng),持續(xù)供給泡沫混合液;(4)火勢平穩(wěn)前準(zhǔn)備使用消防炮來輔助撲救;(5)盡可能將儲罐內(nèi)的油料降至最低。2.6儲罐火災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)罐區(qū)火災(zāi)事故管理主要是火災(zāi)事故管理系統(tǒng)FIMS和事故指揮系統(tǒng)ICS［4，10］,也涉及罐體的安裝運(yùn)行維護(hù)規(guī)程、泄漏檢測和淸罐操作要求以及火災(zāi)防范指南等。罐區(qū)火災(zāi)事故管理系統(tǒng)涉及設(shè)備設(shè)施調(diào)查統(tǒng)計(jì)、可能火災(zāi)事故場景描述、現(xiàn)有消防力量評估、火災(zāi)預(yù)防及撲救策略、基于火災(zāi)場景的撲救預(yù)案和制定滅火