大型浮頂儲罐密封火災(zāi)泡沫滅火系統(tǒng)研究

大型浮頂儲罐密封火災(zāi)泡沫滅火系統(tǒng)研究

由于原油損失少、環(huán)保、安全性能好、節(jié)約土地，大型浮頂儲水池已成為世界各國的主要儲水設(shè)施。進(jìn)入21世紀(jì)后,我國大型浮頂儲罐的發(fā)展非常迅速,目前我國最大的浮頂儲罐已達(dá)15×104m3,已建成的不低于10×104m3的大型浮頂儲罐多達(dá)幾百座。浮頂儲罐的大型化已成為國內(nèi)外浮頂儲罐今后發(fā)展的主要方向。原油是易燃易爆危險品,浮頂儲罐的大型化必然成為大型浮頂儲罐安全生產(chǎn)的巨大挑戰(zhàn)。SPFireTechnology曾對20世紀(jì)50年代到21世紀(jì)初之間世界范圍內(nèi)發(fā)生的480余起儲罐火災(zāi)事故進(jìn)行了統(tǒng)計。其中,20世紀(jì)90年代共發(fā)生161起,21世紀(jì)初(截至到2003年)共發(fā)生62起,從該統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,在世界范圍內(nèi)儲罐火災(zāi)事故每年至少15～20起。近幾年,我國南方地區(qū)的某些油庫和輸油站也連續(xù)發(fā)生了多起大型浮頂儲罐密封圈著火事故?？梢?確保大型浮頂儲罐的安全生產(chǎn)是各國共同面臨的課題。API對1951-1995年之間發(fā)生的81起直徑超過30m的大型浮頂儲罐火災(zāi)事故進(jìn)行了統(tǒng)計,其中密封圈火災(zāi)占統(tǒng)計事故的72.8%;其他研究組織也曾對世界范圍內(nèi)大型浮頂儲罐火災(zāi)事故進(jìn)行了統(tǒng)計,其統(tǒng)計結(jié)果也表明密封圈火災(zāi)是大型浮頂儲罐最主要的火災(zāi)形式。因此,有效控制和成功撲救大型浮頂儲罐密封圈火災(zāi)是研究重點。為了有效撲救大型浮頂儲罐的密封圈火災(zāi),國內(nèi)外絕大多數(shù)大型浮頂儲罐依據(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)。其中,固定式低倍數(shù)泡沫系統(tǒng)是最常用的滅火系統(tǒng)。近年來,隨著科技進(jìn)步和對密封圈火災(zāi)認(rèn)識的逐步深入,國外針對大型浮頂儲罐密封圈火災(zāi)的特點還開發(fā)了多種新型滅火系統(tǒng),大大提高了大型浮頂儲罐的安全水平。鑒于此,筆者基于浮頂儲罐密封圈火災(zāi)特點,分別對國內(nèi)外典型的浮頂儲罐滅火系統(tǒng)進(jìn)行分析,并提出我國大型浮頂儲罐滅火系統(tǒng)的建議。1圈封建物的形成原因及設(shè)置從大型浮頂儲罐罐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)看,浮頂與罐壁之間存在間隔約250mm的環(huán)形敞開空間,為保證儲罐的嚴(yán)密性和浮頂?shù)撵`活性,該空間內(nèi)設(shè)置了浮頂密封裝置(即浮頂密封圈)。現(xiàn)場油氣濃度檢測表明浮頂密封圈內(nèi)存在一定濃度的油氣,該油氣主要源于一次密封裝置下部暴露的油面和一、二次密封裝置之間罐壁上黏附的油膜,密封圈內(nèi)的部分油氣還可能處于爆炸極限的范圍內(nèi),密封圈內(nèi)的空間屬于爆炸危險區(qū)域的0區(qū)范圍(即連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境)。因此,密封圈是浮頂油氣揮發(fā)的主要通道,也是浮頂最容易發(fā)生火災(zāi)的位置。從國內(nèi)外多起大型浮頂儲罐密封圈火災(zāi)事故看,密封圈火災(zāi)主要有以下特點:(1)雷擊是造成大型浮頂儲罐密封圈火災(zāi)的主要原因,發(fā)生密封圈火災(zāi)時常伴隨有大風(fēng)和大雨等惡劣天氣。(2)密封圈內(nèi)處于爆炸極限范圍內(nèi)的可燃?xì)獗稽c燃后,密封圈往往先發(fā)生閃爆,若密封圈內(nèi)可燃?xì)怏w充足,則密封圈可發(fā)生持續(xù)燃燒。(3)密封圈存在多處燃爆點。密封圈往往多處同時發(fā)生著火,燃燒點不連續(xù),每處著火點的密封圈長度短則幾米,長則十多米,若撲救不及時,可能導(dǎo)致整個密封圈完全著火。(4)火勢相對較小。由于密封圈內(nèi)暴露的油面僅限于浮盤與罐壁之間約250mm的環(huán)形空間,燃燒面積非常有限,燃燒時油氣揮發(fā)量較小,因此,密封圈燃燒時火勢相對較小。2浮頂儲罐保護(hù)國內(nèi)外石化公司多數(shù)采用固定式低倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)對大型浮頂儲罐進(jìn)行保護(hù),系統(tǒng)按設(shè)置型式可分為罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)和浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)。2.1罐頂流至浮盤式泡沫充壓壓罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)的主要特征是泡沫管線固定在罐壁外側(cè),泡沫發(fā)生器安裝在罐壁頂部,泡沫噴射口在罐頂圓周上等角均布,噴射口朝向罐內(nèi),泡沫噴射口一般設(shè)置在罐壁頂部的梯形護(hù)板上,噴射口處還設(shè)有泡沫導(dǎo)流板。啟動滅火系統(tǒng)后,泡沫混合液通過罐壁外側(cè)的消防立管輸送到罐頂?shù)呐菽l(fā)生器,泡沫經(jīng)泡沫噴射口噴出后,在導(dǎo)流板的作用下沿罐壁從罐頂流至浮盤的泡沫堰板與罐壁之間的環(huán)形空間內(nèi),流下的泡沫沿環(huán)形空間向兩側(cè)自然流動,由多個泡沫噴射口噴出的泡沫在該環(huán)形空間內(nèi)相互匯合,并逐漸在環(huán)形空間內(nèi)形成完整的具有一定厚度的泡沫帶,待泡沫帶完全淹沒密封圈后,泡沫即從密封圈頂部的裂口溢流進(jìn)入密封圈內(nèi)部實施滅火。我國絕大多數(shù)大型浮頂儲罐采用罐壁式泡沫滅火系統(tǒng),但該滅火系統(tǒng)存在明顯的缺點:(1)由于泡沫噴射口設(shè)置在罐頂,當(dāng)外界風(fēng)力較大時,噴出的泡沫容易被風(fēng)吹散,泡沫被稀釋,造成泡沫的大量損失。(2)當(dāng)密封圈的著火點不在罐頂泡沫噴射口正下方時,從罐頂流下的泡沫不能直接流進(jìn)密封圈內(nèi),只能等泡沫完全淹沒密封圈后才能進(jìn)入密封圈內(nèi)部滅火。對于體積在10×104m3以上的大型浮頂儲罐,泡沫在環(huán)形空間的匯集至少需要9min,因此,在泡沫噴出9min后才開始滅火,可能錯過最佳的滅火時間。(3)由雷擊引發(fā)的密封圈火災(zāi)往往伴隨著大雨,噴射的泡沫會被雨水稀釋,同時,雨水還會夾帶著大量的泡沫穿過堰板底部的排水口流失到浮盤上,這會在一定程度上影響到滅火效果。2.2圈內(nèi)泡沫噴射口設(shè)置的必要性浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)的主要特點是泡沫混合液通過設(shè)置在浮盤中央的泡沫液分配器和浮盤上的泡沫管線輸送到均布于浮盤邊緣的泡沫發(fā)生器,泡沫噴射口可設(shè)置在泡沫堰板與二次密封裝置支撐板(或擋雨板)之間的開放空間,也可直接伸入密封圈內(nèi)部。若泡沫噴射口設(shè)在密封圈外部,則泡沫直接噴入堰板與罐壁之間的環(huán)形空間,待泡沫層完全淹沒密封圈后,泡沫即從密封圈頂部被炸開的裂口處溢流進(jìn)入密封圈內(nèi)部實施滅火;若泡沫噴射口伸入密封圈內(nèi)部,則噴出的泡沫直接覆蓋在油面上實施滅火。從筆者的調(diào)研情況看,我國僅少數(shù)浮頂儲罐采用了浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng),其泡沫噴射口一般設(shè)置在泡沫堰板與二次密封裝置支撐板之間的開放空間。在這種情況下,噴射的泡沫可避免外界風(fēng)力、熱氣流等對泡沫的破壞,泡沫能準(zhǔn)確有效地噴射至泡沫堰板與罐壁之間的環(huán)形空間,也避免了因浮盤與泡沫噴射口的高度差而造成的泡沫損失,但是采用這種設(shè)置形式的泡沫滅火系統(tǒng)依然不能解決泡沫只有完全淹沒金屬支撐板后才能進(jìn)入密封圈內(nèi)部滅火的問題。相比而言,泡沫噴射口設(shè)置在密封圈內(nèi)部的泡沫系統(tǒng)在密封圈火災(zāi)撲救方面有突出優(yōu)點,即:(1)噴出的泡沫可直接覆蓋在油面上實施滅火,泡沫分布速度快且分布均勻;另外,由于泡沫直接噴入密封圈內(nèi)部,泡沫液可避免雨水的稀釋和沖刷。(2)由于泡沫噴射口與密封圈之間的距離始終保持不變,從而避免了外界風(fēng)力、火焰熱氣流、浮盤與泡沫噴射口的高度差等因素的影響。(3)泡沫覆蓋空間大大減小,以10×104m3浮頂儲罐為例,儲罐直徑80m,浮盤與罐壁的間距約為250mm,而堰板與罐壁的間距一般為1200mm,因此,這種型式泡沫滅火系統(tǒng)的泡沫覆蓋面積僅為罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)泡沫覆蓋面積的21.1%。(4)在密封圈內(nèi)噴射泡沫覆蓋未著火油面,可避免密封圈的著火點向兩側(cè)蔓延,可有效阻止密封圈火災(zāi)的擴大。從調(diào)研情況看,泡沫噴射口若設(shè)置在密封圈內(nèi)部,不便于工作人員日常維護(hù)和檢修;另外,二次密封金屬支撐板的管線穿越處需要有效密封,否則容易導(dǎo)致密封圈內(nèi)的油氣從穿越處泄漏。盡管浮盤邊緣式泡沫系統(tǒng)的滅火效率明顯高于國內(nèi)現(xiàn)在普遍采用的罐壁式泡沫滅火系統(tǒng),但浮盤邊緣式泡沫系統(tǒng)尚未在我國普遍應(yīng)用,主要原因是罐內(nèi)泡沫管線的密閉性難以保證,存在泄漏、位移或脫落等現(xiàn)象,在不清罐的情況下無法對損壞的罐內(nèi)泡沫管線進(jìn)行維修。而當(dāng)前大型儲罐周轉(zhuǎn)頻繁,生產(chǎn)載荷大,檢修周期長,業(yè)主不可能僅因為罐內(nèi)泡沫管線的損壞而實施清罐,而且大型儲罐的清罐費用高昂,耗時長,這是阻礙浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的主要原因。另外,罐內(nèi)泡沫管線對耐腐蝕、耐高溫、耐高壓等性能的要求較高,且多為進(jìn)口產(chǎn)品,成本較高;浮盤中央排水系統(tǒng)的罐內(nèi)管線漏水現(xiàn)象較普遍,這個問題一直困擾著企業(yè)。因此,企業(yè)在一定程度上也有意避免采用罐內(nèi)泡沫管線的形式,這也是阻礙浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)推廣的原因之一?？梢?盡快提高罐內(nèi)泡沫管線的可靠性,推進(jìn)國內(nèi)高性能罐內(nèi)泡沫管線的研發(fā)是國內(nèi)推廣浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)的基礎(chǔ)。3新型滅火系統(tǒng)近年來,針對大型浮頂儲罐的密封圈火災(zāi)撲救,國外出現(xiàn)了多種集火災(zāi)探測和滅火于一體的新型滅火系統(tǒng),其突出特點是滅火系統(tǒng)啟動迅速、滅火速度快、效率高、滅火劑消耗量小、環(huán)保,易于管理維護(hù),更適用于撲救密封圈初期火災(zāi)。3.1地面火炬系統(tǒng)荷蘭SAVAL公司開發(fā)的CFITM氣體滅火系統(tǒng)是一個獨立的滅火單元,該單元主要包括氣體滅火劑儲存罐、感溫探頭(易熔塞)、滅火劑噴頭、鋼管及相關(guān)附件等(系統(tǒng)組成如圖1所示)。滅火劑噴頭與感溫探頭一起敷設(shè),探頭的間距約2m,每個單元最長可覆蓋40m的周長,安裝單元的數(shù)量取決于浮頂儲罐的大小。當(dāng)發(fā)生密封圈火災(zāi)時,火焰熱量將使一個或多個的探測/滅火裝置啟動,氣體滅火劑通過噴頭直接噴射到火焰上,可在幾秒內(nèi)撲滅火焰。滅火劑儲存罐設(shè)有液位和壓力開關(guān),滅火時可將報警信號傳輸?shù)娇刂票P。該系統(tǒng)維護(hù)方便,可遠(yuǎn)距離監(jiān)控,可靠性高,滅火速度快,不需另外的動力,完全自動的檢測和滅火,火焰熄滅后不會復(fù)燃,不需作業(yè)者手動操作,滅火對設(shè)備無損害,不需水源。該滅火系統(tǒng)尤其適合于水源缺乏的罐區(qū),目前在沙特、伊朗等地區(qū)應(yīng)用較多。3.2圈內(nèi)泡沫成網(wǎng)迪拜環(huán)球技術(shù)公司開發(fā)的TANKGUARD泡沫滅火系統(tǒng)也是一個獨立的滅火單元,該單元主要由泡沫液儲罐、線性感溫報警系統(tǒng)及附件組成,系統(tǒng)組成如圖2所示。線性感溫報警系統(tǒng)設(shè)在密封圈內(nèi),泡沫噴頭穿過金屬支撐板進(jìn)入密封圈內(nèi)部,當(dāng)密封圈內(nèi)出現(xiàn)火焰時,泡沫將直接噴射至油面滅火。每個泡沫液儲罐是250L,儲存200L泡沫預(yù)混液,液體上方充裝高壓氣體。泡沫噴頭的間距約2m,泡沫噴頭每個泡沫滅火單元可保護(hù)40m周長的密封圈。泡沫噴射管線和泡沫噴頭平均布置在密封圈周圍。該泡沫液儲罐還可充裝氣體滅火劑。TANKGUARD泡沫滅火系統(tǒng)目前在西亞、中東地區(qū)應(yīng)用較多。3.3噴嘴旋轉(zhuǎn)軸配置在SEF滅火系統(tǒng)中,壓縮泡沫儲存在壓力儲罐內(nèi),泡沫儲罐與所保護(hù)的儲罐通過管線相連,壓縮泡沫在罐內(nèi)壓力的推動下快速輸出到著火罐罐頂,滅火系統(tǒng)的組成如圖3所示。該滅火系統(tǒng)的突出特點是:泡沫噴嘴是沿罐壁頂端設(shè)置的環(huán)管,環(huán)管上設(shè)有線性開口,壓縮泡沫從線性開口噴出后自動膨脹為泡沫,泡沫沿罐壁呈瀑布狀快速流下,在油面上從罐周圍向中心匯集,形成一定厚度的泡沫毯。連續(xù)性線形管口提供了完美的泡沫覆蓋面形式,泡沫層可大大降低罐壁受熱面的溫度。該系統(tǒng)的泡沫供給強度很大,可產(chǎn)生20～40L/min/m2的噴射強度。試驗測定:泡沫層覆蓋2000m2的著火油面最多需要2min,覆蓋超過2000m2的油面需要3min,覆蓋厚度至少超過20cm。值得指出的是,通過進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的泡沫供給強度,該泡沫滅火系統(tǒng)可用于撲救大型浮頂儲罐的全表面積火災(zāi)。4浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)的應(yīng)用前景鑒于密封圈火災(zāi)是大型浮頂儲罐的主要火災(zāi)類型,國內(nèi)外大型浮頂儲罐滅火系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)大多基于撲救密封圈火災(zāi)。隨著浮頂儲罐的大型化,儲罐的安全防護(hù)能力需要進(jìn)一步加強,以往的浮頂儲罐火災(zāi)事故案例也已暴露出當(dāng)前普遍采用的罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)的諸多不足之處。從滅火效果看,浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)泡沫噴射準(zhǔn)確率高、滅火迅速、泡沫損耗量少,較罐壁式泡沫滅火系統(tǒng)更適合于撲救大型浮頂儲罐的密封圈火災(zāi);而新型的滅火系統(tǒng)啟動快、滅火效率高,非常適合于撲滅密封圈的初期火災(zāi),但啟動滅火系統(tǒng)后,滅火劑將一次性噴出,故其缺乏應(yīng)對油面復(fù)燃的能力,因此,新型的滅火系統(tǒng)只能作為撲救密封圈火災(zāi)的輔助設(shè)備。綜上所述,筆者建議盡快推進(jìn)國內(nèi)浮盤邊緣式泡沫滅火系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)件的研制,提高該滅火系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,同時,選擇適當(dāng)?shù)?/p>