大型石油储罐火灾分析与处理技术研究

大型石油储罐火灾分析与处理技术研究

0单罐容积变大,风险随着中国能源战略的调整，作为国家重要能源，石油积极扩大战略储备，建立大型石油储备基地，并计划到2020年达到与90天石油消耗一致的战略储备水平。为降低储存成本,油品储罐逐渐朝大型化方向发展。我国已建和拟建的国家储备库,库容大都在100×104m3的量级以上,有的甚至规划了2000×104m3。单罐容积小则5×104m3,大则15×104m3,10×104m3以上的储罐屡见不鲜。石油库规模扩大,单罐容积变大,势必引起石油及其产品储存风险增大。据资料统计:在近50年间,国内外油品储罐共发生242起重大事故,其中震惊中外的黄岛油库火灾造成10多人死亡,直接经济损失超过3000万元,英国邦斯菲尔德油库火灾烧毁大型储罐20余座,直接经济损失高达35亿元。为有效遏制石油储罐火灾的发生,在油罐设计之初必须严把技术关,减少消防设计上的先天不足,降低消防安全隐患,因此,笔者针对大型储罐的火灾危险,提出了大型石油储罐在工艺设计、布局、防火和灭火等方面应注意的问题,以供实践工程参考。1石油储藏室的特点及消防配置1.1大型石油库主要特点与常规油库相比,大型石油库在选址、容量、管线和消防设置方面具有如下特点:1)为便于装卸油品,大型石油库往往设置在沿海地区。2)储存规模大,储存容量达到几百万立方米。3)输送功能复杂,进出管线多。4)单罐储存容量大,一般在10万立方米以上。1.2国外规范在消防安全保护中的应用在消防设置方面主要体现在以下几点:1)按我国现行相关规范进行设计,在某些方面参考了国外的一些规范。2)在消防设施上,设置了消防给水系统、泡沫灭火系统、水喷淋冷却系统和火灾监控系统等消防安全保护措施。3)配备了一定的移动消防装备。虽然大型储罐在消防安全方面采取了一定的技术措施,但与常规油罐相比仍存在较大的火灾危险性。2大型油罐油气罐组合通过对大型石油储罐与常规油罐的对比分析,其火灾危险性及其具体内容如图1所示。1)单个石油储罐的直径大(80m以上),发生火灾时辐射热明显增强。目前我国建造的大型石油储备库中,单罐的容积大都集中在10×104m3,罐直径80m以上。假如发生油罐敞开式燃烧,所产生的辐射热对于周围油罐必然产生严重的影响。资料研究表明,当汽油储罐容积为2×104m3,直径为40.5m,整个罐面着火燃烧时,产生的辐射热为14.33×104kW,危害距离在17.44m以上,超过了《石油库设计规范》规定的油罐之间的最小防护距离(0.4D)。而大型石油储罐的直径均在该油罐的一倍以上,假如发生池火燃烧,产生的辐射热将成指数倍增长,对相邻的油罐或其他基础设施将产生毁灭性破坏。2)储罐容积大,高度高,对地基和罐壁产生的压力大,可能导致油罐发生事故。为便于石油的装卸,库区地址往往选在沿海,而沿海地区易遭受自然环境的影响。大型储罐的容积一般在10×104m3以上,无论是罐壁还是地基均要承受较大的压力,一旦遭受海啸或地震等自然灾害的影响,罐基础有可能发生不均匀沉陷,导致油罐破裂,大量油品瞬时泄出。1974年,日本三菱石油水岛炼油厂曾发生过这样的事故:5×104m3的油罐由于基础不均匀沉陷造成罐底、罐壁同时拉裂,油品瞬时泄出,并将防火堤冲毁。我国某炼油厂也曾发生过此类事故。3)腐蚀是油罐发生泄漏的重要原因,尽管油罐采取了防腐措施,却只能减缓,不能根治腐蚀。单个油罐容积增大,油品储量增多,腐蚀性成分总量增加,加剧了油罐的腐蚀,且某些反应属于放热反应,释放的热量使油罐内部温度升高,增加了发生火灾泄漏事故的危险。PingL、张振华等研究表明原油中含有一定量的活泼硫,含硫物质(H2S)与罐壁中Fe3O2发生反应,在反应过程中放出一定的热量,随着一些新鲜空气的涌入,氧含量增加,该反应的生成产物(FeS)继续被氧化,释放出大量热量。而随着周围温度的升高,又促进了反应的进行,使得放出的热量进一步增加,在局部某个部位积聚了大量的热量,温度较高,在一定程度上增加了发生火灾和爆炸的危险性。4)石油库储量多,进油、出油管线复杂,管理难度大,事故的几率增加。按照大型储备库的功能,要求石油库具有强大的进油和出油能力。为实现这种功能,需要布置大量的管线,设置多个阀门。输油设备的增多,必然增大事故发生的几率。据资料统计,在过去的几十年内,由于管道、阀门原因引起的火灾事故占总油库火灾的9.2%。5)石油库储量增多,规模增大,油罐密集,发生大面积火灾,扑救难度增大。大型石油储备库大则千万吨,小则百万吨,单个储罐容积以10×104m3计算,所需储罐多则上百个,少则几十个。如此大规模的集中储存,一旦发生恶性火灾事故,其火灾将是灾难性的。在这种情况下,常规的固定消防设施往往受损失效,增加了火灾扑救的难度。黄岛油库火灾和伦敦油库大火就是例证。6)石油储罐多为地上式储存,目标明显,遭受恶意袭击的可能性增加。按我国目前的规划,第一期石油战略储备库中的储罐主要以地上式油罐为主,这种储存方式虽便于油库的维护管理,但是目标明显,在特殊情况下,易成为攻击的目标,进而增加了发生特大事故的可能。3发动机火灾是影响油田千例事故的主要因素引起油库区火灾的原因分为电气火、明火、发动机、焊接和其他。其中电气火包括了静电和雷电;明火包括库内、库外(油品流到库外引起)和吸烟;发动机是指发动机热表面、电器、火星等;其他原因包括冲击、摩擦等原因。油库千例事故数据分布如图2所示。由图知,电气火灾占36.6%,明火火灾占22.7%。统计结果表明,电气和用火不慎是引起火灾的主要原因。该统计结果为油库消防安全设计,提供了技术支持。4油罐重大消防技术措施针对大型储罐存在的火灾危险性及其影响因素,主要从工艺设计、储罐布局、防火、灭火措施等方面研究大型储罐的消防安全技术措施。4.1在技术方面1大容量储罐可浮顶储罐石油及其产品常用的储存设备主要有固定顶储罐、内浮顶储罐和外浮顶储罐。固定顶储罐在油品上存在一个油气混合空间,极易发生爆炸,所以固定顶储罐不宜用来存储大量油品。内浮顶储罐的密闭性较好,能够大幅度减少油品的蒸发,火灾危险性较小,安全性较高,但造价较高,一般用来储存成品油中的轻质油品。外浮顶储罐的安全性比固定顶储罐高,且易做成大型储罐。目前(10~15)×104m3浮顶罐是世界各国储存原油的主体罐型。因此,大容量储罐一般选择外浮顶储罐。如某石油储备基地建造50多个10×104m3的大型外浮顶储罐(直径80m),江苏仪征设计了15×104m3的双浮顶储罐。2日本钢能“mn”的生产目前,我国石油储存形式主要采用金属罐储存。10万吨以上的大型储罐,由于石油储量大,罐壁承受压力较大,因此,对钢材的性能提出了更高的要求。早在20世纪60年代,日本已经开始生产适用于大型储罐的钢材,到目前国际上已经拥有十分成熟的钢材生产技术。这种钢材特征主要表现在低C-Si-Mn,低硫低磷,合金化,钢质纯净,具有较好的韧性和塑性。目前,我国已基本实现钢材国产化,如:宝钢生产的B610E(08MnNiVR)、武钢研制的WDL610D2,都能满足生产大型储罐的要求。3灌顶、罐壁、罐底腐蚀穿定油品内或多或少含有一定量的腐蚀性组分,如水、氧气、硫化氢、氯化物和硫酸盐,长时间与灌顶、罐壁和罐底接触,会引起这些部位出现腐蚀穿孔,油品泄漏。所以要对油罐进行防腐处理,如粉刷防腐涂料、适当增加底圈壁板的厚度、采用阴极保护等措施。4浮顶的压力和流量由于雨雪天气会在储罐顶部积聚一定量的液体,为了减轻浮顶承受的压力,减少浮顶发生倾斜的几率,需要及时将浮顶上的液体排走。所以,在大型油罐中需设置合理的排水系统。如油罐中央排水系统、燕山石化设计院自行研制的大型浮顶储罐自适应中央排水,效果良好。4.2大型储罐热辐射对于储存原油的外浮顶罐,按照现行《石油库设计规范》的规定,油罐应成组布置且罐组不应大于6×104m3;油罐间距不小于0.4D(甲、乙A类)。现行相关规范针对常规油罐制定,适用于大型储罐时,是否能满足火灾安全的需要,很多人提出了质疑,且有很多相关学者对其进行了研究。蔡胜修等人采用TurboC2.0编程语言,在假定某一原油储罐罐顶发生池火灾的情况下,对储罐半径由10m增加到50m时,其罐外0.4D距离处的热辐射强度进行了计算,研究表明,随着原油储罐容量(或半径)的增大,其罐壁外0.4D处的热辐射强度逐渐减小。即大容量储罐较之小容量储罐而言,着火时对罐外壁0.4D处的邻近罐的热辐射危害相对较轻。也就是说,按现行规范规定的防火间距设计,能够满足火灾安全的需要。4.3消防设计的确定合理进行油罐消防设计,是保证消防安全的重要前提。在进行消防设计时,既要考虑日常防火的需要,又要考虑灭火时可靠的技术保证。纵观国内外消防设计,油罐的消防技术措施主要有以下几点:4.3.1黄岛油田火灾雷击引起储罐火灾事故时有发生。据资料统计,近几十年来由于雷击引起的火灾占总火灾的4.7%,著名的黄岛油库大火就是由雷击引起的,此次火灾造成了3540万元的经济损失,100多人受伤。随着油罐大型化的发展,一旦发生类似事故,将会引起更为严重的灾难。因此,在设计油罐时,应进行防雷设施设计。对于外浮顶储罐通常将浮顶与罐壁用2根导线做电气连接,并设置合适的接地装置。4.3.2静电发生火灾当油品与固体、油品与气体之间、油品与不相混的液体之间,由于搅拌、沉降、喷射、飞溅、发泡、流动等发生接触-分离的相对运动时,会在油品中产生静电。这种静电对易燃油品是种潜在的火源。据资料统计,由于静电原因引起的火灾占总火灾次数的14.1%。因此,采取可靠的静电防护措施,是减少油罐火灾的重要措施。4.3.3设备的使用油罐的主要电气设备如输电设备、线路、泵房电机、照明设备等,若采用非防爆型或防爆等级不够的泵房电机、灯具、开关等,在使用时产生电火花,极易引燃泄漏的油蒸气。电气设备是引起油罐火灾的重要原因。资料统计表明,电气原因引发的火灾占总火灾数的19.8%,居各种火灾原因之首。选用合理的电气设备,科学的使用和管理,是减少电气火灾的主要措施。4.3.4用的技术主要是火灾探测技术利用火灾报警设施对油罐进行监测,一旦油罐中某处发生故障,立即发出报警信号,管理人员及时进行检查,排除故障,将火灾消灭在萌芽阶段。目前,罐区火灾自动报警系统采用的技术主要包括感温电缆及光栅光纤两种,感温电缆是一种传统油罐探测技术,在早期建造的油罐中用于火灾探测。光栅光纤火灾探测系统是近几年出现的应用于油罐的火灾探测技术,与感温电缆相比,该系统性能稳定,适合应用于大型储罐。经在镇海炼化和茂名石油公司的大型储罐上的应用检测证明,光纤光栅探测系统具有优良的火灾探测性能。在储罐区除设置火灾探测装置外,还应同时设有可燃气体检测设备,一旦某处发生泄漏,可燃气体浓度超过规定指标时发出报警,管理人员及时检查维修,降低恶性事故发生的几率。4.3.5kj的热量石油是一种高能燃料,1kg石油燃烧时可产生41868kJ的热量,一旦油罐发生火灾,其强烈的辐射热对罐体及邻近罐产生强烈的破坏作用。为减少辐射热对着火罐及邻近罐的危害,降低火灾中着火油罐的个数,需要设置保护设施。1性能保水性型在油罐外壁和与其相连的管道上喷涂防火隔热涂料,形成一层隔绝辐射热的保护层。该涂层附着在油罐本身,日常能减少太阳热辐射的影响,火灾时自动对油罐进行保护。从技术发展来看,20世纪中期,国外就已开始研究防火涂料,我国在20世纪70年代开始此项技术研究。通过几十年的努力,已经拥有适合不同场所、具有不同性能的防火隔热涂料。20世纪90年代研制开发了具有防腐蚀与隔热双重功效的隔热涂料,如凉凉隔热胶、丙烯酸聚氨酯类涂料。这种石油储罐外壁隔热防腐涂料不论防腐性、耐候性,还是隔热性都很好,通过外检测试,丙烯酸聚氨酯类涂料隔热层体系热反射率达到75%,降温幅度达到8~10℃。2浮顶油罐区水炮是否淋冷水具有很好的冷却降温作用,如1kg水完全气化可吸收2259kJ的热量,所以水常用作冷却介质。在《石油库设计规范》中规定,“着火的浮顶油罐应进行冷却”;满足地上储罐高度超过15m,或单灌容积大于2000m3时,应采用固定式水喷淋冷却系统。同时在油罐区周围设置一定数量的水炮。水炮的射程远,流量大,一旦油罐发生爆炸损坏固定水喷淋冷却系统,水炮能够继续发挥冷却作用。4.3.6进行保护的灭火系统固定灭火系统是按照相应的设计要求,预先安装好的、着火时可立即启动对油罐进行保护的灭火系统。该系统在油罐发生火灾时,可随时按照预定的程序启动,有效地实施灭火。和移动设施相比,该系统启动时间短,灭火剂消耗少、释放位置比较准确,灭火效率高。固定灭火系统主要有液上喷射泡沫灭火系统和泡沫炮系统。4.3.7临时高压给水系统无论是水冷却系统还是泡沫灭火系统,在冷却和灭火过程中需要大量的水,因此,在储罐区必须设置储水和输水设备。在石油储罐区往往设置临时高压给水系统(或稳高压给水系统),平时,靠稳压泵维持系统的压力,当发生火灾时启动消防水泵,达到灭火需要的压力。同时,在输水管线和泡沫管线上分别设置消火栓和泡沫栓,并用不同的颜色标示。消防用水一般通过消防水池、水罐或利用附近的江河湖泊的水资源作为消防用水,保证火灾的情况下具有足够的冷却和灭火用水。5加强安全管理,加大移动消防设备的投入力度完善的消防设计是确保消防安全的重要技术前提。而真正要提高石油储罐的消防安全,还需要在石油储罐运行过程中加强安全管理、加大移