中美硝酸銨倉庫消防設計差異比較研究

朱 毅

(中國人民警察大學,河北 廊坊 065000)

自1659年J.R.格勞貝爾首次合成硝酸銨以來，硝酸銨作為生產化肥和制造工業炸藥的重要原料得到了極為廣泛的應用。然而由于受熱的極不穩定性，硝酸銨儲存過程引發的重特大爆炸事故時有發生，如1922年德國BASF工廠的硝酸銨倉庫爆炸事故、2013年美國德克薩斯州的West化肥廠硝酸銨倉庫爆炸事故和2015年天津港“8·12”瑞海物流公司硝酸銨倉庫爆炸事故，這三起事故均造成了大量消防員傷亡[1]。2013年美國West化肥廠爆炸事故發生后，美國消防協會(National Fire Protection Association，NFPA)、美國職業安全與健康管理局(Occupational Safety and Health Administration，OSHA)和美國環保署(Environmental Protection Agency，EPA)認真吸取此次爆炸事故的教訓，對硝酸銨儲存相關標準和應急處置指南進行了系統修訂[2]。我國作為全球硝酸銨生產和出口大國，自2015年天津港“8·12”爆炸事故發生后，在吸取事故教訓和修訂消防技術標準方面處于相對滯后狀態。

為此，本文通過對比我國硝酸銨倉庫設計標準與NFPA技術標準的差異，分析現行國家標準及行業標準在硝酸銨倉庫消防設計規定方面存在的問題，以提高我國硝酸銨倉庫的消防設計水平和監管水平。

1 硝酸銨的分類與分級

純的硝酸銨為白色晶體顆粒，初始熱解溫度為110 ℃左右，在常溫常壓下化學性質較為穩定。但當外部環境溫度上升至170 ℃左右時，硝酸銨吸熱熔融并發生熱分解，生成氨氣和硝酸，而硝酸的生成又加速了硝酸銨的熱分解；當外部環境溫度上升到210 ℃左右時，硝酸銨熱解速度會進一步加快，并放出大量熱量和氧氣；當環境溫度上升到400 ℃左右時，硝酸銨即會發生爆炸，甚至爆轟。尤其是當硝酸銨中含有有機物質、金屬雜質，或受潮、儲存空間受限，以及火場溫度上升較快時，其熱解速度和爆炸強度會進一步提升[3]。

根據全球化學品統一分類和標簽制度(Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals，GHS)，當硝酸銨類物質中硝酸銨的含量超過90%或其他可燃性物質的含量超過0.2%時，該物品為爆炸品。當可燃性物質或其他有機物質的含量不超過0.2%時，該物品為氧化性物質。對于化肥類硝酸銨，即使混合物中硝酸銨的含量低于90%，由于仍可以進行自持的熱分解，因此歸為雜項危險物質。我國現行國家標準《硝酸銨類物質危險性分類方法》(GB/T 29879—2013),對硝酸銨的分類與GHS分類是一致的，即分為爆炸品、氧化性物質和雜項危險物質三類[4]?！段镔|的危險性識別應急影響標準體系》(NFPA 704),從健康危害、燃燒危害、熱不穩定性和特殊危害等方面將物質的危險性分為4級[5]，其中將硝酸銨的健康危害、燃燒危害和熱不穩定性分別確定為1級、0級和3級，表明硝酸銨的熱不穩定性是其主要危險性。

2 安全間距設計對比分析

Babrauskas統計了1920—2014年全球發生的數百起硝酸銨爆炸事故，結果表明，硝酸銨爆炸的發生均是由于外部失控的火災所導致[6]。因此，2013年West化肥廠爆炸事故發生后，NFPA、OSHA和EPA一致認為要避免硝酸銨倉庫爆炸的發生，必須杜絕一切內部火源和外部火源向硝酸銨堆垛傳熱。為此，美國消防研究基金會(Fire Protection Research Foundation，FPRF)針對硝酸銨倉庫的防火間距和堆垛間距的確定做了大量全尺寸實驗和定量分析，《危險性物質標準》(NFPA 400)和《爆炸性物質標準》(NFPA 495)的修訂即是基于這一研究成果[7-9]。需要指出的是，在美國，上述兩個標準分別適用于氧化性物質類硝酸銨和爆炸品類硝酸銨的管理。

表1對比了NFPA標準與我國現行國家標準在硝酸銨倉庫的防火間距和堆垛間距方面的差異[10-15]。可以看出，NFPA標準針對硝酸銨室內儲存和室外儲存分別從防火間距和堆垛間距兩方面作出規定，且不同標準對硝酸銨的儲存要求具有較好的一致性。而我國現行國家標準僅對室內儲存進行了比較嚴格的規定，如《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)規定的50 m防火間距主要是考慮熱輻射的影響，這與行業標準《危險貨物集裝箱港口作業安全規程》(JT 397—2007)要求的50 m防火間距是一致的。而《危險化學品經營開業條件和技術要求》(GB 18265—2000)規定的1 000 m安全距離則主要是考慮爆炸沖擊波的破壞效應。根據FPRF的實驗結論，453.5 t的硝酸銨爆炸后，安全距離大約在1 600 m左右(考慮爆炸沖擊波和爆炸碎片兩種破壞效應)[8]。因此，從爆炸安全的角度考慮，《危險化學品經營開業條件和技術要求》規定的防爆距離過于保守。

總體來說，我國現行國家標準及行業標準對硝酸銨倉庫防火間距的規定與一般甲類儲存物品的防火間距并無區別，沒有充分考慮硝酸銨的特殊危險性，且這些數據普遍大于NFPA規定的數據。不同部門起草的國家標準在硝酸銨堆垛間距的要求上也存在明顯不一致，導致目前我國硝酸銨倉庫、室外堆場的防火設計和監管方面比較混亂，給火災撲救工作增加了困難。

表1 中美硝酸銨倉庫防火間距與堆垛間距對比

3 防火分隔設施設計對比分析

在安全間距滿足要求的前提下，為了阻止外部火源以熱輻射和飛火向倉庫內的硝酸銨傳熱，NFPA 400規定硝酸銨倉庫的地板、墻體和樓板均必須采用不燃性材料或者獨立式防火墻建造(適用于室外儲存)，且必須滿足至少1 h的耐火時間，同時對建筑高度、墻體開口和樓板的開口部位進行了嚴格限制。盡管《建筑設計防火規范》規定甲類倉庫防火墻的耐火極限不低于4 h，但一、二級耐火等級倉庫的非承重外墻和隔墻的耐火極限僅要求不低于0.5 h；當設置自動噴水滅火系統時，屋頂承重構件的耐火極限不低于1 h，但《建筑設計防火規范》對硝酸銨倉庫是否設置自動噴水滅火系統并無明確要求。此外，現行《易燃易爆性商品儲存養護技術條件》(GB 17914—2013)規定爆炸品和氧化性物質等易爆性商品應分別儲存在一級輕頂耐火建筑和不低于二級耐火等級的庫房內，對墻體的耐火極限亦無明確要求。上述分析表明，現行國家標準規定的墻體和樓板的耐火極限并不能有效阻止倉庫外部火源向硝酸銨堆垛傳熱，因此，即使防火間距滿足現行規范的要求，硝酸銨仍有發生爆炸的可能。

4 自動噴淋系統設計對比分析

2013年West化肥廠爆炸事故發生前，NFPA 400僅要求儲量超過2 500 t的硝酸銨倉庫需要設置自動噴淋系統，但2016年修訂后的NFPA 400取消了儲量這一限制條件，要求全美所有已建和在建的硝酸銨倉庫必須設置自動噴水滅火系統和火災自動報警系統。大量研究表明，自動噴淋系統對于控制初期火災向硝酸銨堆垛傳熱和降低硝酸銨的熱分解速度極為有效，但必須保證有充足的供水時間和供水強度[1]。為此，《噴淋系統安裝標準》(NFPA 13—2016)根據硝酸銨外包裝材質的火災危險性將硝酸銨倉庫分為I類、II類和III類倉庫，規定對應類別倉庫的噴淋強度應分別滿足20.4 L·min-1·m-2、16.3 L·min-1·m-2和12.2 L·min-1·m-2，連續供水時間不應小于2 h[16]。

我國現行《常用化學危險品貯存通則》建議在條件允許的情況下，危險品倉庫噴淋系統的供水強度和連續供水時間分別不應低于15 L·min-1·m-2和1.5 h[13]。然而，根據2017年修訂后的《自動噴水滅火系統設計規范》(GB 50084—2017)對倉庫的火災危險等級劃分要求，硝酸銨倉庫的火災危險級應按II級對待，當室內儲物的高度不超過6 m時，硝酸銨堆垛的噴水強度和供水時間應分別滿足16 L·min-1·m-2和2 h[17]?？梢钥闯?，盡管現行《自動噴水滅火系統設計規范》連續供水時間與NFPA 400一致，但供水強度較小。尤其是當硝酸銨的外包裝材質采用麻袋、塑料桶等易燃材料時，供水強度較小依然無法有效抑制爆炸的發生。

5 結語

本文從硝酸銨倉庫的安全間距、防火分隔設施和自動噴淋系統設計三個方面，對比分析了NFPA技術標準和我國現行國家標準及行業標準的設計差異。建議針對硝酸銨類物質倉庫的消防設計，將來《建筑設計防火規范》《自動噴水滅火系統設計規范》《火災自動報警系統設計規范》修訂時，對安全間距、防火間距、儲量限制、自動噴淋系統設計應作出單獨規定，其他部門起草的國家標準和行業標準應以《建筑設計防火規范》和《自動噴水滅火系統設計規范》為準，從而提高我國硝酸銨倉庫的消防設計水平和監管水平。