大型石油儲罐火災(zāi)分析與處理技術(shù)研究

大型石油儲罐火災(zāi)分析與處理技術(shù)研究

0單罐容積變大,風(fēng)險(xiǎn)隨著中國能源戰(zhàn)略的調(diào)整，作為國家重要能源，石油積極擴(kuò)大戰(zhàn)略儲備，建立大型石油儲備基地，并計(jì)劃到2020年達(dá)到與90天石油消耗一致的戰(zhàn)略儲備水平。為降低儲存成本,油品儲罐逐漸朝大型化方向發(fā)展。我國已建和擬建的國家儲備庫,庫容大都在100×104m3的量級以上,有的甚至規(guī)劃了2000×104m3。單罐容積小則5×104m3,大則15×104m3,10×104m3以上的儲罐屢見不鮮。石油庫規(guī)模擴(kuò)大,單罐容積變大,勢必引起石油及其產(chǎn)品儲存風(fēng)險(xiǎn)增大。據(jù)資料統(tǒng)計(jì):在近50年間,國內(nèi)外油品儲罐共發(fā)生242起重大事故,其中震驚中外的黃島油庫火災(zāi)造成10多人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失超過3000萬元,英國邦斯菲爾德油庫火災(zāi)燒毀大型儲罐20余座,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)35億元。為有效遏制石油儲罐火災(zāi)的發(fā)生,在油罐設(shè)計(jì)之初必須嚴(yán)把技術(shù)關(guān),減少消防設(shè)計(jì)上的先天不足,降低消防安全隱患,因此,筆者針對大型儲罐的火災(zāi)危險(xiǎn),提出了大型石油儲罐在工藝設(shè)計(jì)、布局、防火和滅火等方面應(yīng)注意的問題,以供實(shí)踐工程參考。1石油儲藏室的特點(diǎn)及消防配置1.1大型石油庫主要特點(diǎn)與常規(guī)油庫相比,大型石油庫在選址、容量、管線和消防設(shè)置方面具有如下特點(diǎn):1)為便于裝卸油品,大型石油庫往往設(shè)置在沿海地區(qū)。2)儲存規(guī)模大,儲存容量達(dá)到幾百萬立方米。3)輸送功能復(fù)雜,進(jìn)出管線多。4)單罐儲存容量大,一般在10萬立方米以上。1.2國外規(guī)范在消防安全保護(hù)中的應(yīng)用在消防設(shè)置方面主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):1)按我國現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),在某些方面參考了國外的一些規(guī)范。2)在消防設(shè)施上,設(shè)置了消防給水系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、水噴淋冷卻系統(tǒng)和火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等消防安全保護(hù)措施。3)配備了一定的移動(dòng)消防裝備。雖然大型儲罐在消防安全方面采取了一定的技術(shù)措施,但與常規(guī)油罐相比仍存在較大的火災(zāi)危險(xiǎn)性。2大型油罐油氣罐組合通過對大型石油儲罐與常規(guī)油罐的對比分析,其火災(zāi)危險(xiǎn)性及其具體內(nèi)容如圖1所示。1)單個(gè)石油儲罐的直徑大(80m以上),發(fā)生火災(zāi)時(shí)輻射熱明顯增強(qiáng)。目前我國建造的大型石油儲備庫中,單罐的容積大都集中在10×104m3,罐直徑80m以上。假如發(fā)生油罐敞開式燃燒,所產(chǎn)生的輻射熱對于周圍油罐必然產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。資料研究表明,當(dāng)汽油儲罐容積為2×104m3,直徑為40.5m,整個(gè)罐面著火燃燒時(shí),產(chǎn)生的輻射熱為14.33×104kW,危害距離在17.44m以上,超過了《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的油罐之間的最小防護(hù)距離(0.4D)。而大型石油儲罐的直徑均在該油罐的一倍以上,假如發(fā)生池火燃燒,產(chǎn)生的輻射熱將成指數(shù)倍增長,對相鄰的油罐或其他基礎(chǔ)設(shè)施將產(chǎn)生毀滅性破壞。2)儲罐容積大,高度高,對地基和罐壁產(chǎn)生的壓力大,可能導(dǎo)致油罐發(fā)生事故。為便于石油的裝卸,庫區(qū)地址往往選在沿海,而沿海地區(qū)易遭受自然環(huán)境的影響。大型儲罐的容積一般在10×104m3以上,無論是罐壁還是地基均要承受較大的壓力,一旦遭受海嘯或地震等自然災(zāi)害的影響,罐基礎(chǔ)有可能發(fā)生不均勻沉陷,導(dǎo)致油罐破裂,大量油品瞬時(shí)泄出。1974年,日本三菱石油水島煉油廠曾發(fā)生過這樣的事故:5×104m3的油罐由于基礎(chǔ)不均勻沉陷造成罐底、罐壁同時(shí)拉裂,油品瞬時(shí)泄出,并將防火堤沖毀。我國某煉油廠也曾發(fā)生過此類事故。3)腐蝕是油罐發(fā)生泄漏的重要原因,盡管油罐采取了防腐措施,卻只能減緩,不能根治腐蝕。單個(gè)油罐容積增大,油品儲量增多,腐蝕性成分總量增加,加劇了油罐的腐蝕,且某些反應(yīng)屬于放熱反應(yīng),釋放的熱量使油罐內(nèi)部溫度升高,增加了發(fā)生火災(zāi)泄漏事故的危險(xiǎn)。PingL、張振華等研究表明原油中含有一定量的活潑硫,含硫物質(zhì)(H2S)與罐壁中Fe3O2發(fā)生反應(yīng),在反應(yīng)過程中放出一定的熱量,隨著一些新鮮空氣的涌入,氧含量增加,該反應(yīng)的生成產(chǎn)物(FeS)繼續(xù)被氧化,釋放出大量熱量。而隨著周圍溫度的升高,又促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行,使得放出的熱量進(jìn)一步增加,在局部某個(gè)部位積聚了大量的熱量,溫度較高,在一定程度上增加了發(fā)生火災(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)性。4)石油庫儲量多,進(jìn)油、出油管線復(fù)雜,管理難度大,事故的幾率增加。按照大型儲備庫的功能,要求石油庫具有強(qiáng)大的進(jìn)油和出油能力。為實(shí)現(xiàn)這種功能,需要布置大量的管線,設(shè)置多個(gè)閥門。輸油設(shè)備的增多,必然增大事故發(fā)生的幾率。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),在過去的幾十年內(nèi),由于管道、閥門原因引起的火災(zāi)事故占總油庫火災(zāi)的9.2%。5)石油庫儲量增多,規(guī)模增大,油罐密集,發(fā)生大面積火災(zāi),撲救難度增大。大型石油儲備庫大則千萬噸,小則百萬噸,單個(gè)儲罐容積以10×104m3計(jì)算,所需儲罐多則上百個(gè),少則幾十個(gè)。如此大規(guī)模的集中儲存,一旦發(fā)生惡性火災(zāi)事故,其火災(zāi)將是災(zāi)難性的。在這種情況下,常規(guī)的固定消防設(shè)施往往受損失效,增加了火災(zāi)撲救的難度。黃島油庫火災(zāi)和倫敦油庫大火就是例證。6)石油儲罐多為地上式儲存,目標(biāo)明顯,遭受惡意襲擊的可能性增加。按我國目前的規(guī)劃,第一期石油戰(zhàn)略儲備庫中的儲罐主要以地上式油罐為主,這種儲存方式雖便于油庫的維護(hù)管理,但是目標(biāo)明顯,在特殊情況下,易成為攻擊的目標(biāo),進(jìn)而增加了發(fā)生特大事故的可能。3發(fā)動(dòng)機(jī)火災(zāi)是影響油田千例事故的主要因素引起油庫區(qū)火災(zāi)的原因分為電氣火、明火、發(fā)動(dòng)機(jī)、焊接和其他。其中電氣火包括了靜電和雷電;明火包括庫內(nèi)、庫外(油品流到庫外引起)和吸煙;發(fā)動(dòng)機(jī)是指發(fā)動(dòng)機(jī)熱表面、電器、火星等;其他原因包括沖擊、摩擦等原因。油庫千例事故數(shù)據(jù)分布如圖2所示。由圖知,電氣火災(zāi)占36.6%,明火火災(zāi)占22.7%。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,電氣和用火不慎是引起火災(zāi)的主要原因。該統(tǒng)計(jì)結(jié)果為油庫消防安全設(shè)計(jì),提供了技術(shù)支持。4油罐重大消防技術(shù)措施針對大型儲罐存在的火災(zāi)危險(xiǎn)性及其影響因素,主要從工藝設(shè)計(jì)、儲罐布局、防火、滅火措施等方面研究大型儲罐的消防安全技術(shù)措施。4.1在技術(shù)方面1大容量儲罐可浮頂儲罐石油及其產(chǎn)品常用的儲存設(shè)備主要有固定頂儲罐、內(nèi)浮頂儲罐和外浮頂儲罐。固定頂儲罐在油品上存在一個(gè)油氣混合空間,極易發(fā)生爆炸,所以固定頂儲罐不宜用來存儲大量油品。內(nèi)浮頂儲罐的密閉性較好,能夠大幅度減少油品的蒸發(fā),火災(zāi)危險(xiǎn)性較小,安全性較高,但造價(jià)較高,一般用來儲存成品油中的輕質(zhì)油品。外浮頂儲罐的安全性比固定頂儲罐高,且易做成大型儲罐。目前(10~15)×104m3浮頂罐是世界各國儲存原油的主體罐型。因此,大容量儲罐一般選擇外浮頂儲罐。如某石油儲備基地建造50多個(gè)10×104m3的大型外浮頂儲罐(直徑80m),江蘇儀征設(shè)計(jì)了15×104m3的雙浮頂儲罐。2日本鋼能“mn”的生產(chǎn)目前,我國石油儲存形式主要采用金屬罐儲存。10萬噸以上的大型儲罐,由于石油儲量大,罐壁承受壓力較大,因此,對鋼材的性能提出了更高的要求。早在20世紀(jì)60年代,日本已經(jīng)開始生產(chǎn)適用于大型儲罐的鋼材,到目前國際上已經(jīng)擁有十分成熟的鋼材生產(chǎn)技術(shù)。這種鋼材特征主要表現(xiàn)在低C-Si-Mn,低硫低磷,合金化,鋼質(zhì)純凈,具有較好的韌性和塑性。目前,我國已基本實(shí)現(xiàn)鋼材國產(chǎn)化,如:寶鋼生產(chǎn)的B610E(08MnNiVR)、武鋼研制的WDL610D2,都能滿足生產(chǎn)大型儲罐的要求。3灌頂、罐壁、罐底腐蝕穿定油品內(nèi)或多或少含有一定量的腐蝕性組分,如水、氧氣、硫化氫、氯化物和硫酸鹽,長時(shí)間與灌頂、罐壁和罐底接觸,會引起這些部位出現(xiàn)腐蝕穿孔,油品泄漏。所以要對油罐進(jìn)行防腐處理,如粉刷防腐涂料、適當(dāng)增加底圈壁板的厚度、采用陰極保護(hù)等措施。4浮頂?shù)膲毫土髁坑捎谟暄┨鞖鈺趦揄敳糠e聚一定量的液體,為了減輕浮頂承受的壓力,減少浮頂發(fā)生傾斜的幾率,需要及時(shí)將浮頂上的液體排走。所以,在大型油罐中需設(shè)置合理的排水系統(tǒng)。如油罐中央排水系統(tǒng)、燕山石化設(shè)計(jì)院自行研制的大型浮頂儲罐自適應(yīng)中央排水,效果良好。4.2大型儲罐熱輻射對于儲存原油的外浮頂罐,按照現(xiàn)行《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,油罐應(yīng)成組布置且罐組不應(yīng)大于6×104m3;油罐間距不小于0.4D(甲、乙A類)?，F(xiàn)行相關(guān)規(guī)范針對常規(guī)油罐制定,適用于大型儲罐時(shí),是否能滿足火災(zāi)安全的需要,很多人提出了質(zhì)疑,且有很多相關(guān)學(xué)者對其進(jìn)行了研究。蔡勝修等人采用TurboC2.0編程語言,在假定某一原油儲罐罐頂發(fā)生池火災(zāi)的情況下,對儲罐半徑由10m增加到50m時(shí),其罐外0.4D距離處的熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算,研究表明,隨著原油儲罐容量(或半徑)的增大,其罐壁外0.4D處的熱輻射強(qiáng)度逐漸減小。即大容量儲罐較之小容量儲罐而言,著火時(shí)對罐外壁0.4D處的鄰近罐的熱輻射危害相對較輕。也就是說,按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的防火間距設(shè)計(jì),能夠滿足火災(zāi)安全的需要。4.3消防設(shè)計(jì)的確定合理進(jìn)行油罐消防設(shè)計(jì),是保證消防安全的重要前提。在進(jìn)行消防設(shè)計(jì)時(shí),既要考慮日常防火的需要,又要考慮滅火時(shí)可靠的技術(shù)保證。縱觀國內(nèi)外消防設(shè)計(jì),油罐的消防技術(shù)措施主要有以下幾點(diǎn):4.3.1黃島油田火災(zāi)雷擊引起儲罐火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),近幾十年來由于雷擊引起的火災(zāi)占總火災(zāi)的4.7%,著名的黃島油庫大火就是由雷擊引起的,此次火災(zāi)造成了3540萬元的經(jīng)濟(jì)損失,100多人受傷。隨著油罐大型化的發(fā)展,一旦發(fā)生類似事故,將會引起更為嚴(yán)重的災(zāi)難。因此,在設(shè)計(jì)油罐時(shí),應(yīng)進(jìn)行防雷設(shè)施設(shè)計(jì)。對于外浮頂儲罐通常將浮頂與罐壁用2根導(dǎo)線做電氣連接,并設(shè)置合適的接地裝置。4.3.2靜電發(fā)生火災(zāi)當(dāng)油品與固體、油品與氣體之間、油品與不相混的液體之間,由于攪拌、沉降、噴射、飛濺、發(fā)泡、流動(dòng)等發(fā)生接觸-分離的相對運(yùn)動(dòng)時(shí),會在油品中產(chǎn)生靜電。這種靜電對易燃油品是種潛在的火源。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),由于靜電原因引起的火災(zāi)占總火災(zāi)次數(shù)的14.1%。因此,采取可靠的靜電防護(hù)措施,是減少油罐火災(zāi)的重要措施。4.3.3設(shè)備的使用油罐的主要電氣設(shè)備如輸電設(shè)備、線路、泵房電機(jī)、照明設(shè)備等,若采用非防爆型或防爆等級不夠的泵房電機(jī)、燈具、開關(guān)等,在使用時(shí)產(chǎn)生電火花,極易引燃泄漏的油蒸氣。電氣設(shè)備是引起油罐火災(zāi)的重要原因。資料統(tǒng)計(jì)表明,電氣原因引發(fā)的火災(zāi)占總火災(zāi)數(shù)的19.8%,居各種火災(zāi)原因之首。選用合理的電氣設(shè)備,科學(xué)的使用和管理,是減少電氣火災(zāi)的主要措施。4.3.4用的技術(shù)主要是火災(zāi)探測技術(shù)利用火災(zāi)報(bào)警設(shè)施對油罐進(jìn)行監(jiān)測,一旦油罐中某處發(fā)生故障,立即發(fā)出報(bào)警信號,管理人員及時(shí)進(jìn)行檢查,排除故障,將火災(zāi)消滅在萌芽階段。目前,罐區(qū)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)采用的技術(shù)主要包括感溫電纜及光柵光纖兩種,感溫電纜是一種傳統(tǒng)油罐探測技術(shù),在早期建造的油罐中用于火災(zāi)探測。光柵光纖火災(zāi)探測系統(tǒng)是近幾年出現(xiàn)的應(yīng)用于油罐的火災(zāi)探測技術(shù),與感溫電纜相比,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,適合應(yīng)用于大型儲罐。經(jīng)在鎮(zhèn)海煉化和茂名石油公司的大型儲罐上的應(yīng)用檢測證明,光纖光柵探測系統(tǒng)具有優(yōu)良的火災(zāi)探測性能。在儲罐區(qū)除設(shè)置火災(zāi)探測裝置外,還應(yīng)同時(shí)設(shè)有可燃?xì)怏w檢測設(shè)備,一旦某處發(fā)生泄漏,可燃?xì)怏w濃度超過規(guī)定指標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警,管理人員及時(shí)檢查維修,降低惡性事故發(fā)生的幾率。4.3.5kj的熱量石油是一種高能燃料,1kg石油燃燒時(shí)可產(chǎn)生41868kJ的熱量,一旦油罐發(fā)生火災(zāi),其強(qiáng)烈的輻射熱對罐體及鄰近罐產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞作用。為減少輻射熱對著火罐及鄰近罐的危害,降低火災(zāi)中著火油罐的個(gè)數(shù),需要設(shè)置保護(hù)設(shè)施。1性能保水性型在油罐外壁和與其相連的管道上噴涂防火隔熱涂料,形成一層隔絕輻射熱的保護(hù)層。該涂層附著在油罐本身,日常能減少太陽熱輻射的影響,火災(zāi)時(shí)自動(dòng)對油罐進(jìn)行保護(hù)。從技術(shù)發(fā)展來看,20世紀(jì)中期,國外就已開始研究防火涂料,我國在20世紀(jì)70年代開始此項(xiàng)技術(shù)研究。通過幾十年的努力,已經(jīng)擁有適合不同場所、具有不同性能的防火隔熱涂料。20世紀(jì)90年代研制開發(fā)了具有防腐蝕與隔熱雙重功效的隔熱涂料,如涼涼隔熱膠、丙烯酸聚氨酯類涂料。這種石油儲罐外壁隔熱防腐涂料不論防腐性、耐候性,還是隔熱性都很好,通過外檢測試,丙烯酸聚氨酯類涂料隔熱層體系熱反射率達(dá)到75%,降溫幅度達(dá)到8~10℃。2浮頂油罐區(qū)水炮是否淋冷水具有很好的冷卻降溫作用,如1kg水完全氣化可吸收2259kJ的熱量,所以水常用作冷卻介質(zhì)。在《石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定,“著火的浮頂油罐應(yīng)進(jìn)行冷卻”;滿足地上儲罐高度超過15m,或單灌容積大于2000m3時(shí),應(yīng)采用固定式水噴淋冷卻系統(tǒng)。同時(shí)在油罐區(qū)周圍設(shè)置一定數(shù)量的水炮。水炮的射程遠(yuǎn),流量大,一旦油罐發(fā)生爆炸損壞固定水噴淋冷卻系統(tǒng),水炮能夠繼續(xù)發(fā)揮冷卻作用。4.3.6進(jìn)行保護(hù)的滅火系統(tǒng)固定滅火系統(tǒng)是按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求,預(yù)先安裝好的、著火時(shí)可立即啟動(dòng)對油罐進(jìn)行保護(hù)的滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)在油罐發(fā)生火災(zāi)時(shí),可隨時(shí)按照預(yù)定的程序啟動(dòng),有效地實(shí)施滅火。和移動(dòng)設(shè)施相比,該系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間短,滅火劑消耗少、釋放位置比較準(zhǔn)確,滅火效率高。固定滅火系統(tǒng)主要有液上噴射泡沫滅火系統(tǒng)和泡沫炮系統(tǒng)。4.3.7臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)無論是水冷卻系統(tǒng)還是泡沫滅火系統(tǒng),在冷卻和滅火過程中需要大量的水,因此,在儲罐區(qū)必須設(shè)置儲水和輸水設(shè)備。在石油儲罐區(qū)往往設(shè)置臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)(或穩(wěn)高壓給水系統(tǒng)),平時(shí),靠穩(wěn)壓泵維持系統(tǒng)的壓力,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)啟動(dòng)消防水泵,達(dá)到滅火需要的壓力。同時(shí),在輸水管線和泡沫管線上分別設(shè)置消火栓和泡沫栓,并用不同的顏色標(biāo)示。消防用水一般通過消防水池、水罐或利用附近的江河湖泊的水資源作為消防用水,保證火災(zāi)的情況下具有足夠的冷卻和滅火用水。5加強(qiáng)安全管理,加大移動(dòng)消防設(shè)備的投入力度完善的消防設(shè)計(jì)是確保消防安全的重要技術(shù)前提。而真正要提高石油儲罐的消防安全,還需要在石油儲罐運(yùn)行過程中加強(qiáng)安全管理、加大移