國內外儲罐消防和安全系統的技術現狀

李文靜 馬志宇 孟虎林 馬偉平

〔1 上海河圖工程股份有限公司 上海 201203；2 中交煤氣熱力研究設計院有限公司 遼寧沈陽 110026；3 中國石油青海油田分公司管道輸油處 青海 格爾木 816000；4 中國石油管道科技研究中心 河北 廊坊 065000〕

我國經濟的快速發展使原油及石油產品需求量急劇增加，大型原油儲備庫容量可達700×104m3[1]。油庫火災爆炸事故會造成嚴重經濟損失、人員傷亡和環境污染。例如大連“7.16”油庫事故，財產損失近2億元，上萬噸原油流入渤海灣[2]。保障石油戰略儲備庫安全至關重要。油庫安全不僅要設計高標準的消防系統，更要具有儲罐和工藝管道的可靠性，可燃氣體泄漏探測系統的準確探測，防火堤內溢流液體的圍控措施，以及配備大功率移動式滅火設備等諸多方面。因此，油庫安全管理理念是：首先保證儲罐和工藝管道的完整性，減少油氣泄漏可能性；其次是防火堤內油氣泄漏的探測技術和初期處置措施，及時發現火情，防止火災擴大發展為儲罐燃燒爆炸；研制撲救儲罐全面積火災的消防技術。

為從根本上防止儲罐惡性事故，實現儲罐“本質安全”，針對油庫消防和安全系統的關鍵技術問題，包括三級防控系統、油品泄漏探測、液體溢流控制、可燃氣體探測，以及新發展的液下泡沫滅火系統、自動泡沫滅火系統等，本文介紹了國內外有關技術的現狀和工程應用情況；結合我國油庫安全管理的實際情況，分析了國外先進技術的優缺點和適用性，以提高我國油庫的本質安全和應急保障能力。

1 油庫三級防控系統

2005年英國Buncefield油庫火災爆炸事故是歐洲最大的一次工業事故，損壞23座油罐，造成 43人受傷，經濟損失達10億英鎊[3]。該事故最重要的經驗教訓是建立完整、可靠的儲罐充裝控制系統，使其具有較高的安全完整性等級，即有充分的獨立性，確保能夠及時、安全地關閉，防止儲罐出現溢流。儲罐充裝控制系統應按照歐盟標準EN 61511-1-2004《第1部分：安全儀表系統的要求》進行設計、運行和維護，應滿足以下基本要求：

(1)防止溢流系統應獨立于儲罐計量系統、油庫監控系統和人員操作(人工檢尺)等；

(2)防止溢流系統應制定定期的功能性試驗計劃，檢測周期應區別于儲罐設施；

(3)防止溢流系統應選用診斷能力增強型傳感器；

(4)相對管道控制中心、輸油站站控系統，油庫應具有對儲罐充裝的優先控制權，可不依靠遠程控制、第三方協助、遠程通信聯系情況下，停止油品輸送。

英國Buncefield油庫事故的另一個重要經驗教訓是消防用水和燃料流經油庫的排水系統，并沿油庫內的道路流淌，大量污染物流散至油庫外，造成油品滲入地下污染水環境。為此提出了油庫三級防控系統理念：一級防控系統指儲存油品的儲罐和工藝管道；二級防控系統包括預防儲罐過量充裝的高液位報警系統，以及儲存事故狀態下從儲罐和工藝管道中泄漏油品的防火堤(圍堤)，

防火堤還應儲存滅火的消防水和泡沫化學物質等；三級防控系統指排水系統、圍墻、道路、路緣石等暫時留存油品的設施，防止油品泄漏流至油庫以外或者滲透地下，防止對地下水或地表水等的污染。

2 儲罐泄漏探測技術

應用高效儲罐泄漏檢測技術及時發現泄漏，在儲罐泄漏初期尚未擴散前采取有效措施十分重要[4]。考慮儲罐運行狀態和經濟性因素，可使用一種或組合使用多種儲罐泄漏檢測技術。

2.1 常規儲罐泄漏檢測方法

常規儲罐泄漏檢測方法有人工檢尺測量和無損檢測方法，人工檢尺方法受人員操作、油品溫度和液面動態變化影響，精度低、誤差大，只能檢測油品泄漏，發現微小滲漏困難。無損檢測方法適用于停運儲罐或者計劃修理儲罐，在進行儲罐清洗和通風處理后，在滿足可燃氣體濃度檢測和人員安全的條件下，可開罐進入無損檢測。

2.2 罐區地下水監測井

該方法優點是可探測游離態或未溶解于水的油品，缺點是發生泄漏區域內的監測井可能成為油氣流動擴散通道，數據精確度受土壤現場條件、間距、屏蔽和地下水位影響的限制，監測井需定期維護等。

2.3 儲罐基礎泄漏檢測方法

在新建儲罐基礎下設計基礎檢漏層方法，適用于檢測長期積累的微小滲漏和較大的泄漏。缺點是對微小滲漏發現不及時，儲罐的長期運行可能導致檢漏層堵塞或者損壞，已經漏油可能延滯干擾以后探測的準確性，導致無法及時發現滲漏。近年來應用了儲罐基礎內鉆孔監測油氣體積濃度的新方法，能夠快速地判定儲罐是否滲漏，也可以應用于設計基礎檢漏層的儲罐，缺點是只能大致判斷儲罐底板泄漏位置和泄漏，不能完全準確地定位。

2.4 罐底預防泄漏系統

美國石油學會API推薦在儲罐底板下安裝預防泄漏系統PRB。PRB可以是罐底板內涂層，或者在罐底板下安裝泄漏報警管件系統，或者是采用雙層罐底板等。例如在罐底板下安裝泄漏報警管件系統，油品泄漏通過管件系統報警顯示。該方法優點是對于新建儲罐安裝費用低，可暫時收集泄漏油品；缺點是土壤和地下水狀況可能會影響系統可靠性，應定期維護保持泄漏報警管件系統的完整性。

2.5 儲罐泄漏檢測新技術

近年來新發展的儲罐泄漏檢測技術包括聲發射法、感應電纜法和電阻探漏法等。聲發射法在噪聲水平較高時信號變化起伏大，罐底淤泥和水層可能影響結果的準確度，不能真實反映罐底腐蝕泄漏情況。聲發射檢測設備價格昂貴、操作復雜，人員需經過專業培訓。在罐底部鋪設感應電纜實時監測泄漏，例如美國Tyco Thermal Control公司研發的TraceTek漏油感應電纜，還發展了罐基礎預埋檢測元件法及導電性粉體元件監測法、電場感應技術和光導纖維監測法等。

2.6 儲罐泄漏初期處置措施

美國國家消防協會標準NFPA 329-2005《易燃氣體和液體泄漏處理推薦做法》規定了儲罐油品泄漏初期處置措施，包括：

(1)發現泄漏跡象。通過外觀檢查地表水和土壤可見油氣，設備監控、盤庫計量和儲罐底板出現滲水等。

(2)確定泄漏區域危險性等級。易燃或可燃液體、氣體從地表水或從土壤中滲出，在匯流點聚集形成高濃度可燃氣體。如地表水形成油膜或氣泡，火災危險性較小；如水體油膜寬度超過6 m，火災危險性較高。

(3)氣體檢測和人員疏散。可燃氣體濃度高于最低燃燒下限(LFL)的50 %，禁止人員進入可燃液體、氣體泄漏擴散區域，采取自然通風措施并疏散受影響區域的公眾。可燃氣體濃度低于LFL的50 %，才能進入查找泄漏源，人員應佩戴自持式呼吸器進入。

(4)消除點火源。消除泄漏源30 m之內的點火源。

(5)查找泄漏源。建議在發現油氣跡象的100 m范圍內查找泄漏源。

3 儲罐溢流控制

油品溢流形成流淌火災是儲罐之間火災蔓延的主要途徑，是儲罐消防控制的重要內容。儲罐泄漏探測系統設計原則應保證在泄漏初期探測到油氣并采取關斷、隔離和疏散等措施，防止儲罐發生全面積敞口火災或者流淌火災。美國標準NFPA 30-2012《易燃和可燃液體規范》規定了地上儲罐溢流控制措施，推薦采用遠距離蓄液、防火堤蓄液和雙層密封罐三種形式，重點是防火堤圍控措施，即在防火堤內規劃溢流液體安全流通通道，防止易燃或可燃液體進入天然水道、公共污水道或公共排水系統，包括以下基本要求：

(1)距離儲罐15 m范圍內，防火堤地面設置不小于1 %的坡度；

(2)防火堤蓄液區的容量應不小于最大儲罐的容積；

(3)防火堤外側基礎距地界線不應小于3 m；

(4)防火堤平均內部高度限制在其內部地面1.8 m之內；

(5)每個防火堤區(有兩個以上儲罐)應用排液通道或者應用中間防火堤隔離，防止因溢流而危及防火堤內的相鄰儲罐；每個超過1 590 m3原油儲罐應畫出一個次級防火堤區；任何類型儲罐儲存不穩定液體時，每個儲罐應有次級防火堤；?同一防火堤中如有兩個以上儲存I級液體的儲罐且每個儲罐直徑超過45 m，應在臨近儲罐之間采用中間防火堤，防火堤應至少容納儲罐容量的10 %；設置排液通道和中間防火堤應考慮單個儲罐容量大小，位于儲罐之間，以便充分利用空間。中間防火堤高度不應小于45 cm。

4 儲罐可燃氣體探測系統

儲罐產生油品泄漏，在防火堤內可能形成高濃度易燃蒸氣，應在罐區安裝油氣泄漏檢測系統。可燃氣體探測報警系統是保證油氣管道站場設備和人員安全的重要設施。國內已有可燃氣體探測報警系統的設計、 產品參數、 施工安裝調試以及檢定校準等標準， 但氣體探測器選型、設置和運行維護標準還不完善。文獻[5]以美國標準 ISA-60079-29-2(12.13.02)-2012《爆炸性氣體環境 第 29-2 部分: 氣體探測器-易燃氣體和氧氣探測器的選型、安裝、使用和維護》為例，介紹了美國油氣管道站場可燃氣體探測報警系統在產品選型、傳感器冗余設計、設置場所、報警設定值、運行維護和使用方法培訓方面的先進經驗和推薦做法。例如遠程控制可燃氣體探測報警系統的傳感器采用雙重或三重冗余設計，低溫、強腐蝕性和潮濕環境下氣體探測器防護措施，以及故障時應采取的替代措施等。

5 儲罐固定式滅火系統

5.1 罐壁式泡沫滅火系統

國內儲罐大部分采用罐壁式泡沫滅火系統，應用中存在以下問題：

(1)泡沫噴射口沿罐周等角均布，如風力較大，雖設有泡沫導流板，泡沫仍易被風吹散，造成大量泡沫損失。

(2)針對1.5×104m3大型浮頂儲罐，泡沫在環形空間匯集至少需要9 min，特別是密封圈著火點不正對泡沫噴射口正下方時，很可能錯過最佳的滅火時機。原因是泡沫沿罐壁流至浮盤泡沫堰板與罐壁之間的環形空間，在形成一定厚度泡沫帶淹沒密封圈后，泡沫再從密封圈頂部裂口溢流進入密封圈內部實施滅火。

(3)雷電引起的密封圈火災可能伴隨大雨，噴射泡沫會被雨水稀釋，影響滅火效果。

5.2 浮盤邊緣式泡沫系統

浮盤邊緣式泡沫系統尚未在我國普遍應用。泡沫噴射口設置在泡沫堰板與二次密封支撐板之間的開放空間，噴出泡沫直接覆蓋在油面實施滅火，避免外界風力和雨水對泡沫的影響，但仍不能完全解決泡沫只有完全淹沒金屬支撐板后才能進入密封圈內部滅火的問題。只有在儲罐檢修期間才能對泡沫管線進行維修，泡沫管線耐腐蝕、耐高溫、耐高壓等性能要求高，造價高，從而限制了應用范圍。

5.3 液下泡沫滅火系統

儲罐泡沫滅火系統在撲救油罐高液位密封圈火災時效果顯著，儲罐低液位時，上部噴射的泡沫下降過程中易被火焰吹開而很難落入密封圈或液面上。儲罐液上噴射泡沫滅火設施不能有效撲救在浮頂下降、傾斜及全面池火時浮頂油罐火災。液下噴射泡沫滅火系統是在可燃液體下部注入泡沫，泡沫受浮力作用上升到液體表面并擴散，形成泡沫層的滅火系統，液下滅火設施宜應用于撲救拱頂油罐火災。荷蘭和伊朗國家石油規范規定原油固定頂儲罐應設置由泡沫消防水泵、 泡沫比例混合裝置、 高背壓泡沫產生器等組成的液下噴射泡沫滅火系統[6]。

該滅火方式具有以下優點：

(1)泡沫管線和泡沫噴射口安裝在儲罐底部，儲罐火災狀態下不易受到儲罐燃燒爆炸而被損壞。

(2)泡沫從中央上浮至燃燒油品液面，可有效冷卻油品，并形成隔絕空氣的泡沫毯。

(3)從底部上升的泡沫液直接達到燃燒油品頂部的速度更快，受高溫和輻射熱破壞影響小，可以避免從罐頂往下噴射時遇到強熱氣流的阻擾，滅火效率高。

(4)規避因罐頂掀翻而導致頂部滅火失靈。

(5)可以利用油罐進出油管道作為泡沫管線，因此還可節省投資。

該滅火方式需解決的主要問題是防止泡沫夾帶過多油品成為可燃泡沫而失去滅火能力，只能選擇同時具有疏水性和疏油性的氟蛋白泡沫，泡沫發泡倍數控制在3倍較為適宜。還應確保入口處高于罐底任何可能存在的水位0.3 m，否則進入水層的泡沫液會失效。此外，泡沫噴射口的止回閥容易密封不嚴，可能導致罐內油品滲漏問題。伊朗M油田儲罐在止回閥后設置超壓爆破片，可有效防止油品泄漏。液下泡沫滅火系統見圖1。

注：1A級液體包括那些燃點在華氏73°F，攝氏22.8℃以下，并且沸點在華氏100°F，攝氏37.8℃以下。

圖1液下泡沫滅火系統示意圖

6 儲罐自動泡沫滅火系統

儲罐固定式消防系統主要問題是需配備供水管網、泵、泡沫發生器、消防車輛和監視系統，技術設備繁瑣，多系統相互影響可靠性；準備時間長(有時長達幾個小時)；滅火時間很長(有時長達幾天)；需配備消防人員等。近年來國外研發了CFITM、TANK GUARD、SEF等設置在浮盤邊緣的獨立的滅火單元，以希臘FoamFatale TM技術進行說明。希臘FoamFatale TM技術最顯著的優點是無需消防水、電力和其他設備(泵、比例混合器、抽吸裝置)，探測到火災信號后5～10s內自動啟動；滅火速度極快(最長2 min)；滅火過程無需人員參與；空氣污染小；對罐體和管內油品影響小；維護簡便成本低，可靠性高。

FoamFatale TM研究認為，泡沫供給強度如達到現有標準規范中規定值的2～3倍，能夠大大提高滅火機率。FoamFatale TM泡沫供給強度高達20～30L/(min·m2)。與傳統的泡沫供給系統不同，泡沫不是在火災事故現場配置，而是預先配置好，儲存在壓力容器中。為保證高強度泡沫流量，該系統設計了分布式線性噴射口(CLN)，泡沫管道沿罐周安裝在靠近罐壁的位置，噴射口平均分布在泡沫管道上。發生火災后，溫度傳感器探測火災信號，啟動控制閥。自膨脹泡沫在管道內完成膨脹，通過噴射口向罐體中心射出，泡沫在極短時間內擴散完畢，在罐內液體表面形成泡沫覆蓋層，隔絕氧氣，實施滅火，同時冷卻罐體表面溫度。

7 儲罐移動式滅火技術

儲罐火災事故統計表明，密封圈雷擊著火是浮頂罐最常見的火災類型，API統計1951—1995年81起直徑超過30 m的大型浮頂儲罐火災事故中，密封圈火災占72.8%(其它是空隙火災、液面火災和儲罐地面火災等)[7]。國外有浮頂下沉伴隨火災的發生，最終形成儲罐全面積敞口火災的案例。例如1981年美國某石油公司煉油廠一個10×104m3原油浮頂罐發生了浮頂沉沒，導致火災失控。儲罐全面積敞口火災難于撲救，特別是原油儲罐會發生沸溢，撲救時間短則數小時，長則達幾天時間。固定式消防系統設計原則是撲救密封圈火災，根本無法滿足撲救全面積火災要求。

7.1 國內油庫移動式消防設備

我國大型儲罐均設置固定式消防系統，較少配置大功率移動式消防設備，例如國內一級石油庫一般配備1～3輛消防車，很少配備專門的舉高噴射消防車。GB 50074—2014《石油庫設計規范》規定石油庫儲罐區消防用水量應為撲救最大的儲罐火災配置泡沫用水量和冷卻儲罐所需最大用水量的總和。存在的問題是未涵蓋移動消防用水量。據統計，由于消防設施運行狀態不充分導致火災擴大的情況占半數以上，消防車用于少量的流散火災以及泡沫滅火的補充是很有必要的。建議GB 50074增加移動消防用水量條款，一方面保障消防車等移動滅火設備的供水量，另一方面可以更好地確保固定式滅火系統的滅火效率。

7.2 國外儲罐移動式消防設備

國外有應用移動式大流量泡沫炮成功撲救大型儲罐全面積火災事故的案例，例如美國使用巨型泡沫炮成功撲救直徑60.96 m的油罐火災，射程152 m，流量達250L/s；沙特阿莫科公司推薦撲救直徑60～100 m浮頂罐火災，使用流量260～930L/s消防炮。移動式消防設備泡沫供給強度明顯高于固定式消防系統，例如美國消防協會標準NFPA 11—2016規定固定式泡沫滅火系統的泡沫混合液的供給強度是4L/(min·m2)，持續供給時間是55 min。針對原油儲罐全面積火災，采用泡沫炮滅火，泡沫混合液供給強度是6.5 L/(min·m2)，持續供給時間是65 min。為彌補泡沫液損失量，泡沫炮實際泡沫供給強度往往需提高至10 L/(min·m2)以上。

8 結語和建議

為提高我國大型油庫的安全性和可靠性，應充分借鑒國外油庫消防技術的先進經驗，建議儲罐消防和安全系統在以下幾個方面加以改進：

(1)新建油庫在設計階段大力推廣應用“三級防控系統”的設計理念，確保事故狀態下油品不泄漏至油庫外區域造成環境污染。

(2)在分析比選儲罐泄漏檢測技術優缺點的基礎上，考慮儲罐運行狀況和成本，可使用一種或組合使用多種儲罐泄漏檢測技術。

(3)考慮儲罐容量大小、儲存液體危險性等因素，防火堤內規劃溢流液體安全流通通道，或者應用中間防火堤隔離，防止因溢流而危及防火堤內的相鄰儲罐。

(4)借鑒美國消防協會標準先進經驗和推薦做法，完善國內氣體探測器選型、設置和運行維護標準。

(5)浮盤邊緣式泡沫滅火系統相對于罐壁式泡沫滅火系統更適用于撲救大型儲罐的密封圈火災，但應致力于提高該滅火系統設施的可靠性和穩定性。

(6)固定頂儲罐選擇液下噴射泡沫滅火系統應考慮泡沫液類型、泡沫發泡倍數、泡沫管線防滲漏措施等。

(7)國外新型滅火系統啟動快、 滅火效率高，適用于撲救浮頂罐密封圈初期火災。

(8)建議國內油庫配備大功率移動式消防設備，用以撲救儲罐全面積火災。