大型儲罐火災撲救技術現狀綜述

蔡亮，韓勇，姜旭，孟虎林

(1. 中國航油集團 津京管道運輸有限責任公司，天津 300300；2. 中國石油 天津銷售分公司，天津 300170；3. 中國石油天然氣銷售 安徽公司，安徽 合肥 230000；4. 中國石油青海油田分公司 管道輸油處，青海 格爾木 816000)

密封圈雷擊火災是浮頂儲罐常見的火災類型，例如2007年中石化白沙灣油庫3號外浮頂罐遭雷擊，儲罐邊緣密封圈損壞約33%，4臺呼吸閥遭雷擊損壞[1]。近年國外發生多起大型儲罐全面積火災事故，例如2009年10月波多黎哥San Juan Bay油庫爆炸事故，引發形成11個儲罐火災，最終影響到22個儲罐，其中大部分儲罐發生全面積火災[2]。儲罐火災具有燃燒猛烈、火焰溫度高、輻射熱強的特點，例如原油儲罐火災火焰中心溫度可達1 400 ℃，特別是原油儲罐的沸溢噴濺對消防人員生命造成極大威脅[3]。改進儲罐消防設施，研究儲罐火災撲救技術，對于控制和減少儲罐事故損失具有重要意義。

隨著中國儲罐向大型化和集群化方向發展，油庫建設規模不斷擴大，運行管理難度和安全風險增大。目前儲罐火災撲救中存在消防水供給強度低、消防設施維護檢測不及時、缺乏大功率移動式消防設備和應急演練不到位等問題。本文介紹了國內外儲罐火災撲救技術的新進展，如儲罐自動泡沫滅火單元、儲罐罐頂自動消防炮、移動式大流量泡沫炮等。通過借鑒國外儲罐滅火先進技術，對于提高油庫安全性和可靠性具有重要意義。

1 儲罐火災撲救方式

儲罐火災撲救應統一指揮，統一行動，準確迅速，集中兵力，速戰速決。撲救儲罐初期火災和密封圈火災主要利用儲罐固定消防系統，即泡沫噴射系統和水噴淋冷卻系統等，同時配置一定數量的泡沫炮、消防水炮、消防車等移動消防設備。儲罐發生火災后，火災報警系統發出報警信號，在控制室自動或手動啟動消防水泵或泡沫泵，對著火災儲罐和鄰近儲罐進行冷卻，使用泡沫滅火系統覆蓋著火部位。明火熄滅后，繼續向儲罐內噴射泡沫進行冷卻，防止復燃；確定無復燃可能性，采取倒罐方式對儲罐內剩余油品進行處置。

在發生多罐火災或罐群火災情況下，應按照“先控制，后消滅；先鄰近罐，后著火罐；先上風、后下風；先地面，后油罐”的原則[4]進行處置。先冷卻受到火勢威脅的鄰近罐，保證鄰近罐的安全，防止火勢擴大蔓延；在條件允許時，同時對著火罐進行冷卻；在滅火力量不足時，按先上風、后下風的原則進行撲救；若力量足夠，則可分組同時實施撲救。

2 儲罐沸溢火災撲救方法

沸溢可能發生在固定頂儲罐，特別是沸點大于250 ℃、黏度較高的重質原油或寬沸點的重質油品，發生沸溢可能性較大。儲罐沸溢事故雖較少發生，但會造成火災迅速擴散，罐內油品會噴射而出，火焰和熱輻射強度突然增加，火災范圍瞬間擴大，極易引燃相鄰儲罐而導致災難后果[5]。

1) 及時撲救儲罐火災。儲罐火災持續一段時間才會發生沸溢，盡快撲滅火災是防止儲罐沸溢最有效的措施。儲罐沸溢一般有前兆，例如油品表面有細小油泡沫，呈涌漲現象，火焰顏色由濃黑暗紅變成泛白發亮，伴有“嘶嘶”聲響等，應立即命令消防人員和車輛迅速撤離。

2) 冷卻著火儲罐罐壁。針對著火儲罐罐壁進行冷卻，減少罐內油品熱傳導，一定程度上能避免沸溢。研究表明，有罐壁冷卻比無罐壁冷卻的油品燃燒線速度減小25%～30%，采用冷卻措施后儲罐發生沸溢時間有所延長，但儲罐如已形成熱層，罐壁冷卻措施的作用將有限。

3) 罐底排水。利用罐根閥或其他裝置排出儲罐底部的含水層，避免沸溢，但火災狀態下排除原油中的含水尚無有效技術，開啟罐根閥時人員會面臨極大的風險。

4) 設計罐底環形隔水圈。在罐底含水層以上設計隔水圈，消除罐壁和油品熱傳導對含水層的傳熱，儲罐沸溢模擬實驗證明，設計隔水圈后，火焰和熱輻射強度減弱明顯。

5) 利用防沸石消除含水層的突沸。研究表明，在儲罐底部含水層中放置防沸顆粒，例如陶瓷晶體顆粒，水相汽化、油層鼓泡、火焰增高和油火噴濺等問題仍然存在，但沸溢噴濺的強度比未加防沸顆粒時有明顯減弱。

3 儲罐消防設施和火災撲救中存在的問題

3.1 撲救難度和危險性大

儲罐火災產生強烈輻射熱，消防人員難以靠近。油罐火災燃燒時高溫可能使罐壁塌陷、破裂，儲罐火災統計數據表明，10 min內儲罐罐壁溫度最高可達700 ℃，罐壁鋼板機械強度降低90%左右，此時儲罐將發生變形和破裂，形成大面積流淌火及燃燒死角，一次性撲滅比較困難[6]。

連續爆炸、沸溢噴濺是儲罐火災的主要危險特征，現行的隔離保護、冷卻降溫等撲救方法和措施不能從根本上予以防止。火災撲救過程中，這兩種危險特征的潛在性對消防人員生命構成嚴重威脅，也會造成巨大的精神壓力和心理負擔，直接影響滅火工作。

3.2 罐壁式泡沫系統

外浮頂儲罐普遍安裝罐壁式泡沫系統，存在的主要問題[7]:

1) 泡沫噴射口沿罐內均勻分布，雖設有泡沫導流板，如遇大風，泡沫易被風吹散，造成泡沫損失。

2) 針對1×105m3以上的大型儲罐，泡沫充滿密封圈空間至少需10 min，很可能錯過火災初期的滅火時機。

3) 雷擊造成的密封圈火災，會因隨之而來的暴雨雨水稀釋泡沫濃度而影響滅火效果。

3.3 罐頂泡沫滅火系統噴射盲區

固定頂儲罐和內浮頂儲罐廣泛應用了罐頂泡沫滅火系統，該方式存在的缺陷:

1) GB 50151—2010《泡沫滅火系統設計規范》規定從手動或自動啟動消防泵到泡沫從噴射口噴出時間不大于5 min，調研國內油庫該過程時間通常大于5 min甚至大于10 min的情形。研究表明儲罐滅火最佳時機是火災初期5～10 min。

2) 儲罐泡沫噴射口設置在罐壁頂部，在2個泡沫噴射口的中間區域存在一定范圍的噴射盲區，泡沫不能全部覆蓋火災區域，內浮頂儲罐固定滅火系統覆蓋范圍盲區如圖1所示，其中V-1是泡沫噴射的中間盲區，V-2是泡沫噴射邊緣盲區。發生火災區域的熱氣流上升，冷空氣從浮船上部位置下降，泡沫散射降落過程中部分泡沫液被卷吸、漂散至罐外；由于受到火焰的高溫作用，大量泡沫液到達油面之前已破裂、分解甚至氣化蒸發，泡沫液損失嚴重，很難噴射到火源根部，達不到隔離空氣的目的。調研日本的儲罐滅火試驗結果，泡沫滅火系統中損耗的泡沫液量占61%，蒸發的泡沫液量占9%，落在油品液面發揮滅火功能的泡沫僅占30%[8]。

圖1 內浮頂儲罐固定滅火系統覆蓋范圍盲區示意

3.4 浮盤邊緣式泡沫系統

鑒于罐壁泡沫系統存在的問題，近年來研發了浮盤邊緣式泡沫系統，泡沫噴射口堰板與二次密封支撐板之間有一定空隙，從而規避了大風和雨水對泡沫的稀釋問題，但仍存在泡沫充滿空隙時間較長的問題，原因在于泡沫先覆蓋金屬支撐板才能進入密封圈內部空隙[9]，管道維修難度大，只有在儲罐檢修期間才能進行。相對罐壁泡沫管道，浮盤邊緣泡沫管道耐腐蝕、耐高溫、耐高壓性能要求很高，建設成本高。

3.5 移動消防設施滅火效果不佳

浮頂儲罐設計形式使得浮船隨液位變化而變化，著火點也是動態變化的，消防炮很難針對火焰根部進行集中噴射。大部分情形下消防炮只打到浮頂著火點的相鄰區域，或者只能打到相對罐壁密封圈一側的著火點。根據日本苫小牧油罐全面火災泡沫滅火劑的消耗數據，采用泡沫炮噴射泡沫時，到達油面的滅火劑不超過40%[8]。

4 儲罐火災撲救新技術

4.1 油庫消防自動控制系統

國外油庫消防系統采用全自動報警滅火控制設計理念[10]，設計多參數檢測信號，根據火災信號類型，自動啟動不同級別的滅火系統。例如檢測到火焰信號，自動啟動噴淋冷卻和泡沫滅火系統；檢測到溫度信號，只啟動噴淋冷卻系統；檢測到可燃氣體濃度報警信號，只進行聲光報警。

4.2 罐頂自動消防炮

針對罐頂固定滅火系統泡沫噴射盲區的問題，在罐內浮船上安裝自動消防炮，通過電視監控系統對其操作，在最短時間內將大量泡沫噴灑到起火部位且不存有盲區。自動消防炮水平方向可360°旋轉，垂直方向有上下45°角的調整空間，從而實現全區域、全方位的泡沫噴射，以及無死角、無盲區監控和滅火[11]。

4.3 儲罐自動泡沫滅火單元

儲罐固定式消防系統突出的問題是需配備供水管道、泵、泡沫發生器、監視系統以及專門消防人員，設備繁瑣，環節鏈條多，會相互影響可靠性。近年來國外研發了CFITM， TANK GUARD， SEF等設置在儲罐浮盤邊緣的獨立滅火單元，以中東地區廣泛應用的FoamFatale TM系統進行說明[12]，其最大優點是無需設計安裝消防水系統和泵機組等設備，探測到火災信號后5～10 s內自動啟動；滅火時間最長不超過2 min且不需要人力參與，設備可靠性高；對儲罐正常運行幾乎無影響。FoamFatale TM系統滅火試驗如圖2所示。

FoamFatale TM研發人員指出如果采用美國消防協會標準NFPA 11—2016NationalElectricalCode中限定值的2～3倍的泡沫供給強度，可以大幅縮短滅火時間。FoamFatale TM系統設計的泡沫供給強度為20～30 L/(min·m2)。泡沫預制后儲存在高壓臥式罐中，設計分布式線性噴射口CLN(continuous linear nozzle)。探測火災信號后，泡沫在管道內完成膨脹，通過噴射口向罐體中心全輻射狀射出，泡沫在極短時間內擴散，在油品表面形成覆蓋層，隔絕氧氣，同時還具有冷卻罐壁的作用。

圖2 FoamFatale TM系統滅火試驗

4.4 移動式大流量泡沫炮

儲罐火災如發展到全面積火災形式，固定式泡沫滅火設施往往已損壞，不能發揮作用。國外已開展撲救大型儲罐全面積火災的專項技術研究，針對該類極端事故，主要采用移動式大流量泡沫炮，泡沫供給速率在4×104L/min以上。日本法律強制要求直徑超過34 m的儲罐必須配置大功率泡沫炮，單臺泡沫炮噴射能力不低于1×104L/min，持續噴射時間不低于2 h。目前成功撲救的典型案例是2001年美國威廉姆斯消防公司在65 min內成功撲滅最大直徑82.4 m儲罐的全液面火災[13]，使用2門大功率泡沫炮，泡沫供給速率分別為3.64×104L/min和1.82×104L/min，泡沫供給強度為9.8 L/(min·m2)，消耗泡沫液3×103m3，泡沫噴射采用Foot Print技術，泡沫集中且能快速有效散開。

中國大型浮頂儲罐均設置了完備的固定式消防系統，但由于泡沫消防炮用水量巨大，只能適用于地表水源充足的地區，且要配套大流量的吸水泵、泡沫比例混合器以及大口徑高流量的泡沫消防炮，設備之間用超大直徑的雙層專業消防水帶連接，目前大功率移動式消防設備配置相對較少應用。

4.5 火災狀態下油品處置

國內儲罐火災情況下不對油品進行導出處理，只是停止一切收發油品作業，防止油蒸氣遇到明火發生更大火情。一般方法是將著火油罐的收油和發油閥門關閉，隔斷事故儲罐與相連工藝設施，斷絕著火罐的油量補充，為集中力量撲滅著火油罐創造良好條件。在火勢熄滅和罐體冷卻后將油品導出，在檢測剩余油品是否可回收再利用后，轉至其他油罐或將油品注入管道輸送。

國外儲罐火災情況下剩余油品的處理主要取決于油罐燃燒程度，酌情采用收油或者發油作業，主要目的是輔助滅火工作，吸收熱量，避免油罐被燒毀等[14]。主要有以下三種類型:

1) 對于規模較小的油罐火災，盡快將火勢撲滅，并轉移油品；該情形下國內外做法基本一致。

2) 對于規模較大，并可能將油罐燒毀的火災，會采取收油措施，吸收上部油品熱量，保護罐體。

3) 對于不容易撲滅的油罐火災，在起火時或火災初期采取發油措施，通過排出一部分油品，可以使泡沫液進入未填充區域以及不易覆蓋的空隙部位。

針對火災狀態下的油品處置，國內外做法差異較大，國外關于吸收上部油品熱量和保護罐體采取收油措施，以及使泡沫填充和進入不宜覆蓋區域采用發油措施，應進一步調研上述措施的可行性。從國外實踐經驗來看，確實能夠提高消防效率、降低罐體所受的損失。

5 結束語

1) 目前中國油庫固定消防系統立足于撲救儲罐初期火災和密封圈雷擊火災，隨著國內油庫建設規模擴大，應配套撲滅大型儲罐全面積火災的消防設備，提高泡沫炮的泡沫供給強度和改善泡沫噴射方式是快速滅火的關鍵，也是大型儲罐滅火技術的發展方向。

2) 沸溢火災主要發生在原油儲罐和固定頂儲罐，雖極少發生但危害極大，盡快撲滅火災是防止儲罐沸溢最有效的措施。

3) 罐壁式泡沫滅火系統主要問題是滅火過程中泡沫損耗量大、存在噴射盲區、到達液面時間長等，很可能錯過最佳滅火時機。

4) 浮盤邊緣式泡沫滅火系統的研發方向應致力于加強研發高可靠性的泡沫柔性軟管等特殊管件，降低建設費用。

5) 國外新型儲罐自動滅火單元具有啟動快、滅火效率高、不需外部設備和人員參與等優點，適用于撲救浮頂罐密封圈初期火災。

6) 建議進一步研究國外基于儲罐火災類型采取相應收發油措施的具體做法和適用性。