罐區防火堤內非常規設計對火災后果的影響及對策*

馬端祝 石一丁 張足峰 王學岐

（1.中國石油安全環保技術研究院有限公司；2.英國勞氏船級社）

在石油化工行業，由于罐區設計、建造的時間不同，以及考慮后期因運行和維護而需進行改造，罐區現場會出現一些非常規設計。進行非常規設計的變更影響分析是規避安全風險的一項重要工作。火災是罐區主要危害之一，對于原油罐區，由于原油的物料性質特點，池火是其最主要的火災風險。因此，在進行變更影響分析或者處理這些非常規設計所導致的安全隱患時，需要重點考慮火災危害的變化，特別是池火的危害變化特點。關于罐區的池火風險及后果研究，一直是石油化工行業安全領域的關注點。科研人員一直在圍繞池火風險進行相關的探索，如關于池火風險的定量風險評估[1]、后果模擬[2]、安全距離研究[3]、風險防控[4]及應急救援[5]等。

1 模型及火災場景描述

國內某原油罐區設有4座50 000 m3原油儲罐，單罐直徑為60 m，高19.35 m，在每座儲罐的進口及出口管道下方增設了便于檢維修的管溝。管溝從儲罐向防火堤延伸，面積約50 m2。根據罐區現場平面布局創建罐區模型，根據管溝情況，做適當簡化，一并建立在模型中。模擬所用模型見圖1。圖中圓圈為管溝，管溝深約1 m。另外，還建立了不含管溝的罐區模型。

由于影響火災后果的因素較多，包括壓力、泄漏孔徑、風向、風速、障礙物等，因此，火災場景會由于各因素的組合而出現數量眾多的可能性。在本文中，將主要考慮管溝存在對池火后果的影響，以對比管溝是否存在時的火災后果差異。在進行池火模擬時，需要定義泄漏孔徑作為輸入條件。在火災風險中，小型泄漏和中型泄漏所導致的池火發生概率最高，但中型泄漏導致的池火影響范圍相對較大，更具有代表性。因此，根據GB/T 37243—2019《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》中的泄漏孔徑的推薦值[6]，選擇中型泄漏的代表孔徑25 mm作為計算輸入。

圖1 罐區三維幾何模型

泄漏是導致池火發生的初始事件，在石化領域，閥門、法蘭、泵等是導致泄漏的主要泄漏源。在泄漏量較大情況下，液體在重力作用下會沿地面流淌，特別是罐區防火堤內通常設有坡度，泄漏出的可燃油品會向防火堤方向流淌。而對于增設管溝的情況，管溝位于這些泄漏源下方，泄漏發生后，泄漏出的原油更可能會集聚在管溝內，且管溝具有一定深度，液池無法向四周蔓延，在管溝內形成液池或池火的可能性較高。

如果沒有管溝，則對于持續性的早期池火，池火面積會逐漸變大，直到單位時間內所消耗的燃料與泄漏速率達到平衡，因此，池火面積可由下式[7]求得：

式中：D為液池面積，m2；Q為泄漏速率，kg/s；b為燃燒速率，kg/m2s。

根據相關文獻，采用0.05 kg/m2的單位面積原油燃燒速率[7]。

無管溝情況下計算得到的液池面積見表1，模擬中將采用1個風向及3個風速。

表1 池火模擬場景

有管溝情況下，如果泄漏速率較大，則管溝面積為液池面積，因此液池面積為50 m2。

三月二十一日，救援伊犁時所調之十蘇木500名厄魯特、察哈爾蒙古步隊到城。[注]《欽定平定陜甘新疆回匪方略》卷110，同治四年七月丁卯條。該官兵到城后，向參贊大臣武隆額建議，將他們派到城南平慶廟，請求那里主持寺廟的喇嘛棍噶扎勒參率領僧徒和十蘇木蒙古兵防守塔爾巴哈臺城和蒙古游牧地。

模擬將采用三維CFD軟件KFX，KFX是用于模擬氣體擴散和火災的三維瞬態模擬軟件，由挪威科技大學、SINTEF和ComputIT公司聯合開發[8]。利用KFX可以進行封閉或開放空間的重質和輕質氣體的擴散及烴類物質的池火、噴射火和噴霧火的模擬，還可以計算水噴淋對火災后果的影響。該軟件已經通過大量不同類型和尺度實驗結果的驗證[9]以及工業領域的廣泛實踐。國內也有研究人員對KFX的模擬結果進行了實驗對比驗證，證明其結果的可靠性[10]。目前，KFX已經得到世界范圍內眾多石油天然氣公司、工程公司、咨詢公司和科研機構的認可，廣泛用于陸上及海上石油化工裝置及工程設施的風險評估及設計工作。

2 破壞準則

相關文獻[7]中鋼板、鋼梁、工藝管道、容器在火災中失效的時間見表2。在分析池火影響時，除了要考慮輻射熱外，還需考慮對流傳熱的貢獻。對流傳熱的熱通量與液池面積相關，液池直徑大于5 m時，通常假設對流熱通量為20 kW/m2[11]。火災中人員傷害及主要安全功能單元破壞準則如表3[12]所示。

表2 工藝設備和結構在火災中失效的時間

表3 人員暴露和主要安全功能單元失效準則

3 結果與討論

3.1 池火模擬結果

有管溝情況下，池火熱輻射通量在地面以上1 m處水平面的分布見圖2，在地面以上5 m處水平面的分布見圖3，池火三維效果見圖4。模擬結果表明，池火熱輻射影響范圍主要受液池面積和位置的影響，同時受風速的影響，且不同熱輻射通量的影響范圍受風速影響的變化趨勢有所區別。由于儲罐直徑較大，在遠離液池所在位置及背向池火一面，儲罐不受火災熱輻射影響。

圖2 有管溝情況下地面上方1 m處池火熱輻射分布

圖3 有管溝情況下地面上方5 m處池火熱輻射分布

圖4 有管溝情況下池火三維效果照

無管溝情況下，池火熱輻射通量在地面以上1 m處水平面的分布見圖5，在地面以上5 m處水平面的分布見圖6，池火三維效果見圖7。模擬結果表明，池火熱輻射影響范圍受風速的影響較大，且不同熱輻射通量的影響范圍受風速影響的變化趨勢有所區別。低熱輻射通量（＜6 k W/m2）影響范圍會隨著風速的增大而減小。

圖5 無管溝情況下地面上方1 m處池火熱輻射分布

圖6 無管溝情況下地面上方5 m處池火熱輻射分布

圖7 無管溝情況下池火三維效果照

各池火場景熱輻射通量的最大影響距離見表4。

表4 熱輻射影響距離

3.2 管溝對池火影響分析

導致兩種池火情景的熱輻射影響范圍差異的主要原因是液池面積的不同。液池面積大，則熱輻射影響面積也相應增大。但由于管溝的存在，一方面縮小了液池的面積，另一方面使液池的位置發生變化，進而改變了池火影響區域。現場實際情況是管道與閥門均位于管溝內，因此這些設備更容易受到高輻射熱的影響，所受到的熱輻射通量可以達到200 kW/m2以上，原油儲罐罐壁所受到的熱輻射通量可以達到50～100 kW/m2。在這樣的情況下，如果現場沒有諸如水噴淋等主動消防設施啟用，則以上設備會在短時間內失效或受損，進而導致事故升級。而如果沒有管溝，原油在重力作用下可能流淌至防火堤邊緣，雖然熱輻射影響范圍增大，但其發生位置發生了變化，對某些設備如罐根閥及罐壁的影響可能降低。在該研究中，無管溝情況下，儲罐罐壁所受到的熱輻射通量小于37.5 k W/m2，導致設備失效的時間延長，進而事故升級的可能性降低，可以為應急響應爭取時間。

基于以上分析，有管溝時其有利的影響包含以下兩個方面：會控制液池的面積，使得池火影響范圍受到限制，對周圍人員的影響范圍縮小；由于液體被收集，便于現場滅火及應急處置。有管溝時其不利的影響有以下兩個方面：如果管溝內存在管道及閥組等設備，則易受到高熱輻射影響，若未能及時處置，設備損壞及事故升級的可能性增大；如果管溝與儲罐之間距離較小，則儲罐易受池火的持續性影響，導致儲罐受損或事故升級。

需要注意，以上分析是建立在中型泄漏基礎上的。如果泄漏速率過小，則池火面積很小，那么無論管溝是否存在，都不會導致后果的明顯差異；如果泄漏速率過大，即便存在管溝，則泄漏出的原油會溢出管溝，使得池火面積增大。最嚴重的情況下，如果原油充滿整個防火堤，則無論是否有管溝，火災后果都是相同的。但從風險的角度分析，中型泄漏發生可能性要遠大于大型泄漏，在池火風險中更具有代表性。因此，中型池火后果的差異更能說明管溝存在時對火災風險的影響。

4 結論

針對罐區防火堤內設置管溝這一特殊變更情況，采用三維CFD火災模擬軟件KFX對原油罐區池火事故進行模擬。根據人員及設備火災傷害準則，結合火災模擬結果，分析了是否有管溝的兩種情況下池火對周圍人員和設備設施的影響距離及影響范圍。結果表明，管溝的存在對池火后果同時具有不利和有利兩方面的影響。

根據管溝存在時的池火影響特點，對這一變更提出以下關于現場安全設計、風險管理和應急處置的對策建議，以便更好地進行現場處置，防止事故升級。

1）在管溝周圍設置火焰及可燃氣體探測器，能夠在泄漏或火災發生的初期及時發現，合理處置。

2）對管溝內關鍵設備如閥組、管道等進行被動防火保護，延長設備在火災情況下的耐受時間。

3）在管溝周圍設置固定式滅火設施，能夠在發現泄漏或火災事故后，立即進行響應，避免事故升級。

4）由于管溝內泄漏源較多，因此在儲罐朝向管溝一側，可以在設計時增強水噴淋能力，以便在火災發生時，能夠對儲罐面向火災一側高風險部位進行有效的冷卻降溫。

5）一旦火災發生，可以根據火災模擬結果，確定滅火安全距離，保證人員安全。

6）管溝位置最好能夠遠離關鍵設備及儲罐，降低火災對鄰近設備的影響。

7）管溝內可以設計一定的坡度，以便溝內液體可以向遠離儲罐的方向流淌，降低火災對儲罐的影響。

8）考慮對管溝內液體的處置方法，以便能夠將溝內積存的原油或其他液體及時排出。

研究結果表明，對于變更中的一些關鍵因素，需要采用合適的方法和工具有針對性地分析變更所帶來的影響。三維CFD模擬軟件能夠考慮復雜環境的結構特點，體現池火后果的差異，為解決非常規問題提供幫助，而這些能力是二維經驗方法所不具備的。因此，在實際的變更影響分析中可以根據問題特點充分發揮三維模擬工具的作用。