大型油罐區火災特點及撲救技戰術

倪佳福，郭 晨

1.淄博市消防救援支隊，山東 淄博 255000； 2.淄博職業學院，山東 淄博 255314

0 引言

隨著國家能源安全戰略的實施和經濟社會的快速發展，我國不斷加快石油儲備基地建設。建立石油儲備基地是國家進行經濟調控及應對戰爭、自然災害、經濟危機、世界石油價格的大幅波動等突發事件的重要戰略手段，對于國家能源安全具有保障和緩沖的作用[1]。從2019年開始，我國已經超越美國成為全球第一大原油進口國，全年進口原油約5.06億噸，而我國原油年產量僅為1.91億噸，原油對外依存度已經高達72.6%[2]。早在2008年，我國制定的《國家石油儲備中長期規劃(2008—2020年)》中寫到：我國將用15年時間分三期完成國家石油儲備基地建設。截止到2020年底，石油儲備基地三期建設工程已經基本完成，總庫存約為7 000萬立方米，儲備能力超過6 000 萬噸[3-4]。我國石油儲備能力超過100萬噸的基地在天津、舟山、黃島、獨山子等地區(如圖1所示)，目前已經建成10萬立方米原油儲罐多達數百座，有的油罐區單個儲罐容積已經達到20萬立方米。由此可見，隨著能源需求量的不斷加大，原油儲罐的數量勢必越來越多，而原油儲罐的大型化也必將成為今后儲備基地發展的主要趨勢[5]。

圖1 中國戰略石油儲備基地統計

石油儲備基地及其下游產品大多屬于易燃易爆物質，極易發生火災，儲罐一旦發生火災，往往火災蔓延速度較快且伴隨著燃燒和爆炸，極易造成巨大的經濟損失、慘重的人員傷亡、嚴重的環境污染和惡劣的社會影響[5]。如1989年雷擊造成黃島油庫5號罐著火，火災迅速蔓延，1-4號罐在強烈的熱輻射下爆炸起火，大火共持續104 h，造成19人死亡、78人受傷，5個油罐報廢。2010年大連“7·16”油罐區火災持續將近14 h，燃燒造成1 500 t原油泄漏流入大海，污染海平面420 km2，火災還造成1名消防員死亡，直接經濟損失高達44.80億元，僅清污費用就高達1.81億元，造成了嚴重的社會影響[6]。2021年5月31日，河北省滄州市南大港產業園東興工業區鼎睿石化有限公司重油儲罐發生火災，火災持續84 h，共351輛消防車、1 547名消防指戰員參與火災撲救，火災造成的直接經濟損失達3 872.1萬元。由此可見，大型油罐區火災突發性強，危害性大，在撲救過程中，火災受風向、罐體液位高度、罐體間距等因素影響較大，一些錯誤的撲救策略還會導致油罐沸溢、噴濺危險的出現，甚至會出現爆炸性燃燒，嚴重威脅消防救援人員的生命安全[7-9]。鑒于此，亟須開展大型油罐區火災特點研究，并基于火災特點厘清大型油罐區火災蔓延規律，進而提出科學可行的大型油罐區火災技戰術措施，最大限度地提升大型油罐區火災撲救的效能，避免或減少消防救援人員傷亡。

1 大型油罐區火災特點

油罐區發生火災必須具備三個條件，即充足的可燃物(油品或者油蒸汽)、致災點火源(雷擊、電火花、明火作業)、氧氣。據統計，當前大型油罐區多為10萬立方米以上的油罐，油庫規模較大，加之周邊環境復雜，輸油管線縱橫交錯，一旦出現誤操作導致管線斷裂和油品泄漏，很容易出現大面積流淌火，加速罐區火災的蔓延。

1.1 火災面積大，燃燒時間長

據統計，10萬立方米油罐如果發生全面積燃燒，將會產生5 024 m2的火災區域[3]。此外，油品類燃燒熱釋放速率較大，基于錐形量熱儀測試得到的汽油類火災熱釋放速率高達2.16 MW·m-3，原油類燃燒的熱釋放速率為1.14 MW·m-3[10]。較大的放熱量導致火災從著火儲罐向未著火儲罐蔓延擴大，加之儲罐區管線交錯，儲罐火災產生的高溫易導致管線破裂甚至燃油泄漏，進而形成新的火點[11]。據統計，英國Buncefield Oil Depot油罐火災初期的流淌火面積達到了80 000 m2，大連“7·16”油罐區火災則由于輸油管線的破裂導致瞬間形成20 000 m2的流淌火。目前我國最大的石油儲備基地儲存油品量高達1 000萬立方米[6]，整個石油儲備基地可燃物較多，且燃燒熱值大，發生火災撲救較為困難，燃燒時間較長。油罐火災在油池火和流淌火的共同作用下，熱對流、熱輻射、熱傳導反饋機制明顯，易導致儲罐區出現更大面積的火災，進而增大滅火救援的難度。

1.2 燃燒猛烈，極易爆炸

石油儲備基地儲存的油品閃點低、蒸發性強且易燃易爆。大型油罐區火災從點燃至完全充分燃燒達到釋熱峰值需要的時間較短，在整個燃燒過程呈現指數增長的規律，大型油罐區火災燃燒行為也被稱為“t2型火”[2]。此外，大型油罐區火災在整個燃燒過程中容易發生爆炸，這里的爆炸主要是指物理爆炸和化學爆炸。其中物理爆炸是指油罐內的油品在鄰近著火罐強烈熱輻射的作用下蒸發膨脹，導致罐內壓力急速增加，進而發生物理性爆炸，物理性爆炸往往會產生流淌火，并導致油罐區火災進一步擴大。并且，原油和重油儲罐往往含有水墊層，油罐火災的猛烈燃燒導致水墊層的溫度很快達到沸點，極易形成沸溢和噴濺的現象，火焰瞬間向外噴射，范圍可達50～120 m，在沸溢噴濺波及的區域形成新的著火區域[2]。另外，油罐燃燒區域產生的高溫導致油蒸氣揮發泄漏，并與空氣形成爆炸性混合氣體，一旦遇到點火源，就會發生爆炸，這也是典型的化學爆炸。油罐爆炸發生時間既可以在火災前發生，也可以在火災后發生，這取決于爆炸三要素形成的時間。據統計，低液位油罐更容易達到爆炸條件而發生爆炸，即使大型油罐區明火被撲滅，但整個大型油罐區域依然存在可燃性混合氣體，爆炸風險仍然存在。

1.3 熱輻射強，易出現流淌火

根據計算，一個10萬立方米的油罐燃燒的總體熱輻射熱流可以達到5×105kW[11]。強烈的輻射熱會對著火罐、鄰近罐中的油品及周圍環境產生較大的影響，進而加速油品的揮發。此外，油罐罐身在高強度輻射熱的作用下，很可能發生罐身鋼結構失效而破裂[11]。油罐破裂后，大量的油品泄漏出來，在地面形成大面積流淌火，流淌火又進一步加劇了油罐燃燒的輻射熱。據統計，油罐內油品外溢導致的流淌火會出現在任何形式的油罐區內，發生概率為1.5×10-4，而流淌火的面積往往在火災初期都能達到20 000 m2以上[11]。此外，油罐內油品在發生池火燃燒時，火焰溫度可以達到1 400 ℃，高溫和燃燒導致油罐內液面逐漸減低，油罐液面的降低又會從某種程度上加大輻射熱流的增長。流淌火和熱輻射的相互作用導致大型油罐區著火區域進一步擴大，進而又導致熱輻射的急速增長，形成“熱輻射—流淌火—熱輻射”交互反饋的多米諾骨牌效應，嚴重時導致整個罐區發生燃燒，甚至爆炸[12]。

1.4 易出現人員傷亡及次生災害

沸溢和噴濺是油罐火災中的兩個重要形式，油罐火災一旦在撲救過程中發生沸溢或噴濺將會對消防員、滅火救援裝備、周圍固定設施造成嚴重危害。此外，油蒸氣泄漏導致的氣體爆炸也是導致傷亡事件發生的主要原因，如：1997年北京東方化工廠原油罐區油蒸氣爆炸導致9人死亡，39人受傷。圖2展示了消防救援人員在地面高度撲救油罐火災時的受傷判據，假如戰斗輪換的時間是300 s，則消防隊員發生一度燒傷的熱通量是1.2 kw·m-2，二度燒傷的熱通量值為2.1 kW·m-2，死亡的熱通量值是3.2 kw m-2[11]。也就是說當消防救援人員處于圖2(a)中紅色區域時，就會有死亡的危險。圖2(b)中給出了消防救援安全作戰的距離，對于直徑為20 m的油罐，消防救援人員在無風的環境下不受二度燒傷的安全距離需要大于60 m，而處于有風環境時，滅火作戰安全距離應大于80 m才能保證消防員不受傷害[12]。油罐爆炸除容易導致人員傷亡事件發生外，油罐區火災極易衍生其它次生災害，如海水污染、土壤污染、大氣污染等。美國加勒比石油公司事故中，17個儲油罐損毀導致的油品泄漏對周邊濕地環境造成了不可逆的損壞。由此可見，大型油罐區火災除了爆炸、沸溢噴濺造成的直接傷害外，一些油品泄漏導致的生態環境破壞將會對附近幾代人的生命安全構成威脅。

(a)時間準則臨界曲線

(b)安全作戰距離要求圖2 油罐火災消防救援人員傷亡熱通量臨界曲線及安全作距離[12]

1.5 滅火劑需求量大，撲救難度大

大型油罐區火災撲救最常用的滅火劑通常是水系滅火劑，水主要是用于著火罐和鄰近罐的冷卻，而泡沫滅火劑則用于全面積火災的撲救。在對大型油罐區火災現場進行評估后，確定無法進行總攻滅火的前提下，必須對著火罐和鄰近罐進行冷卻，防止沸溢、噴濺導致的火勢擴大或者爆炸。圖3(a)估算不同容積油罐對應的著火罐和鄰近罐的冷卻用水量。可以看出：隨著油罐容積的逐漸變大，著火罐和鄰近罐冷卻用水量逐漸變大，其中著火罐冷卻用水量約為鄰近罐的1.5～2倍[14]。冷卻用水貫穿于油罐火災撲救全過程，待泡沫滅火劑準備充足且總攻力量充足時，便可以發起總攻。據初步估算，撲救油罐火災總攻所需的滅火劑隨著油罐容積變化規律如圖3(b)所示[13]。可以看出，當油罐的容積≤20 000 m3的時候，撲滅油罐火災的滅火劑需求量約為10 t以下，當油罐容積>20 000 m3的時，撲滅油罐火災的泡沫滅火劑需要量增加的斜率明顯變大[14]。將滅火劑需求量與油罐容積的關系采用Allometricl函數擬合可以得到滅火劑需要量與油罐容積變化的函數。基于該函數可以推斷，當油罐容積>200 000 m3時，撲滅油罐火災所需要的泡沫儲備量需要160 t左右[13]。隨著油罐區規模的不斷擴大，一些大于20萬立方米的油罐布局成為主流，這些超大型油罐區一旦發生火災，所需要的泡沫量巨大，然而，調研發現各地大型油罐區實際儲備的泡沫滅火劑用量還遠遠達不到滅火需求。此外，撲救大型油罐區火災還存在參戰力量多，指揮層級多，現場指揮效能不高的問題。很多大型油罐區火災由于處置過程比較混亂，導致作戰人員各自為戰，存在各種救援器材和裝備鋪滿救援通道，增援力量無法快速投入救援戰斗的情況，協同作戰滅火效能較差。另外，大型油罐區火災撲救過程中，環境噪音較大，導致現場通信指揮不暢。巨大的滅火劑需求量加上現場協同作戰效能的滯后導致大型油罐區火災撲救更加困難[14-16]。

(a)

(b)圖3 撲救單個油罐火災泡沫滅火劑用量與油罐容積關系

2 大型油罐區火災撲救技戰術措施

撲救油罐區火災是在高強度熱輻射的環境下，消防救援人員與危險化學品災害激烈對抗的一種滅火行為，特別是大型和超大型油罐區火災，更需要多力量、多部門聯合作戰。大型油罐區火災撲救是一項十分復雜的系統工程，撲救過程危險性大，容易出現人員傷亡[17]。滅火救援隊伍在整個救援過程中，做到指揮體系科學、指揮決策正確、指揮技戰術可行，可以有效增加油罐火災撲滅的效能，降低消防員傷亡事件發生，最大限度地降低油罐火災導致的經濟損失、環境危害和人員傷亡。

2.1 建立高效協同滅火作戰系統

油罐區火災事故處置難度大，特別是大型或者超大型油罐區火災撲救涉及的救援力量和類別眾多，在整個油罐區火災撲救的過程中需要以消防部門為救援力量主體，多部門協同作戰。圖4是基于大型油罐區火災特點，提出的多社會力量高效協同作戰體系架構圖。圖中消防部隊要將滅火救人作為第一核心要務，所有的作戰內容和計劃要以目標任務為中心。首先，高效協同作戰指揮體系構建的關鍵是指揮層的確定。指揮層要熟悉各個參戰力量優勢和作戰特點，指揮層可由多部門核心骨干組成。高效協同作戰體系要求以組為單位進行任務分解，其中偵檢組、警戒組、救人組、油罐滅火組、流淌火滅火組、冷卻組、破拆組、排煙組、供水組、通信組、信息組、安全組、保障組等要根據救援需要進行合理設置。其次，指揮層還需要基于行動方案和參戰力量進一步細化作戰計劃，如總攻發起時間，總攻滅火技戰術等。大型油罐區火災撲救協同作戰就是要立足于整個油罐區火災事故處置全過程，優勢互補，進而發揮出協同作戰的最大功效。

圖4 大型油罐區火災多力量協同高效作戰系統構建

高效協同作戰體系，既包括消防部隊內部各參戰小組力量的協同作戰，也包括消防部門與其他外圍單位和社會力量的協同作戰，同類型作戰隊伍組內的作戰以及不同性質隊伍之間的優勢互補是高效撲滅油罐火災的關鍵。在大型油罐火災事故處置過程中，除了消防救援隊伍的第一出動力量外，還需要公安、交警、市政、水電、環保、通信、醫療救護等多個部門協同作戰。在油罐火災處置過程中，應充分考慮滅火對象特點和作戰環境特殊性，將建立多部門聯合作戰指揮機構作為作戰主要方面，以建立高效暢通的信息傳輸與反饋機制為紐帶，以大型油罐區火災撲救分解指標任務的高效順利完成為導向，提升多力量協同滅火救援作戰效能，構建“分工明確、處置有序、協調配合、優勢互補、高效反饋”的協同作戰體系[15]。

2.2 優化跨區域聯合作戰戰術

大型油罐區火災撲救過程中，往往存在參戰力量多、救援車輛互相影響、現場協調困難、作戰目的不明確、作戰反饋不及時等問題，構建科學有效的大兵團滅火作戰模式，優化跨區域聯合作戰技戰術至關重要[15]。

跨區域聯合作戰必須基于作戰單元的編隊模式，作戰單元編隊必須以提前標定單元集結點為前提，以保證明確作戰任務、精準聚焦作戰位置以及科學規范作戰秩序。跨區域聯合作戰的核心要義就是避免單元獨立作戰，充分發揮各兵力優勢，第一時間抑火控爆。圖5展示了基于多起大型油罐區火災撲救技戰術提煉的跨區域聯合作戰戰術。圖中可以看出，隨著參戰力量的逐漸增多和滅火戰斗時序的延長，跨區域聯合作戰戰術可以分為“一”“L”“U”“口”四種編隊陣形[18-19]。

圖5 大型油罐區火災跨區域聯合作戰戰術優化陣形

“一”字形陣戰術主要是指：第一到場力量要在著火油罐的上風向或者側上風向按照“一”字形部署作戰力量，占據火場的有利位置，在火災蔓延路徑上設置水炮陣地，阻斷油罐火向鄰近罐蔓延。“L”形陣戰術則是指后續最先到場的救援力量根據油罐區火災的發展趨勢，快速研判第一作戰力量部署薄弱區域，在第一作戰力量的側向或者下方向布置水槍陣地的作戰戰術。“L”形陣戰術的核心任務是堵截下風向火勢，冷卻鄰近罐體不受著火罐影響。此外，“L”形作戰力量停車位置要以不影響后續作戰力量展開戰斗為主要原則。“U”形陣戰術則主要針對第二到場的增援力量開展，此時著火罐區的著火環境對第二到到場增援力量不利。第二增援力量指揮員要善于研判當前罐區火勢和火情，積極為首戰和第一增援力量補位，保證停車位置盡可能位于上風向、側上風向或者其他距離較遠的安全區域。“U”形陣戰術的主要的任務是火場供水、堵截蔓延。“口”形陣戰術主要用于最后的包圍阻擊戰，要求后續到場力量要善于把握火場作戰盲區，為前三批力量迅速補位，進而形成立體圍攻態勢。大型油罐火災，后續力量到場越晚，作戰位置越不利，因此后續力量指揮員要善于利用全景導航等先進作戰輔助設備，提前做好戰斗規劃。“口”形陣戰術的主要作戰原則是以供水、滅火劑保障以及先進特種裝備保障為主。

2.3 構筑“陸—空”三維立體作戰體系

大型油罐區火災發生時，往往需要跨區域聯合作戰，進入油罐區的滅火救援力量較多，加之火場環境嘈雜，在部署滅火救援作戰行動時，往往存在指揮不力、通信不暢等問題，導致在大型油罐區火災撲救過程中易出現首戰力量定位不準、協同作戰困難、大兵團作戰部署雜亂無序、無法準確預警沸溢和噴濺等險情，容易出現人員傷亡事故。“陸—空”立體滅火作戰戰術，主要應用于大型或者超大型油罐區火災撲救，該作戰體系適用于大型油罐區火災撲救的全過程。首先，在作戰前期可基于三維態勢標繪組件平臺，將大型油罐區火災的蔓延路徑、作戰力量的行動軌跡和技術路線進行立體呈現，建立鄰近罐與著火罐的危險等級對應關系，將大型油罐區小火、中火、大火的位置和發展趨勢以及附近泡沫滅火劑、水源、戰斗方案調整和部署等信息進行符號化，并通過多技術手段實時傳送到每一名消防救援人員終端，為構筑“陸—空”立體滅火作戰戰術提供數據和技術支撐。其次，針對一些滅火劑無法快速達到液面火災、大面積流淌火、沸溢噴濺引起的蔓延火，“陸—空”三維立體作戰體系可以最大限度地降低傷亡事件發生，并有效提高滅火救援效能。建立立體作戰體系可以利用直升機按照作戰需求登頂作戰或者投放滅火彈開展火災撲救。此外，無人機火情偵查可以充分應用到油罐區火災撲救的全過程，應優選續航能力長且耐熱輻射的無人機，開發高效滅火彈應用于無人機滅火[20]。根據大型油罐區火災特點和蔓延規律，確定無人機空中作戰力量編成，可有效輔助陸地作戰，精準打擊油罐區火災薄弱區域，高效撲滅油罐火災[21]。同時，可借助無人機偵查和盲區滅火的優勢，收集油罐火災沸溢噴濺信號等關鍵信息，開發危險信息預警模塊，在沸溢與噴濺發生前實現精準預警，最大限度地降低傷亡事件發生。

2.4 消防力量編成優化調度

大型油罐區火災的消防力量編成是針對油罐火災主要特點，對消防力量編配組合，并形成固定的作戰模式，其目的是提高消防力量撲滅大型油罐區火災的整體作戰效能。大型油罐區火災的消防力量調度是基于實際火情，調集充足合理的消防力量，保證滅火救援行動的順利進行。大型油罐區火災撲救優勢力量編成調度是將優勢作戰力量精準地調集于大型油罐區火災現場。在開展力量編成和優化調度時，要堅持到場力量首先使用固定消防設施的原則，將特種車輛編成至首戰力量，作戰調度要樹立“用炮”理念，堅持增援力量在同等距離情況下，優先使用消防炮。此外，要針對各個撲救階段調度隊伍，要實時灌輸“先冷卻后滅火、滿罐燃燒不滅火、優先控制流淌火”的作戰原則。圖6展示了優化后的大型油罐區火災撲救消防力量編成調度流程圖。

圖6 大型油罐區火災消防力量編成優化調度流程圖

油罐火災消防力量編成優化調度就是根據油罐區火災規模和著火區域的火場信息，計算火場力量需求，合理估算滅火劑和冷卻用水用量，精準把握參戰力量需求以及力量編成中舉高車、泡沫車、高噴車、遠程供水系統等組成，合理編制油罐區火災處置作戰編隊。隨后，要基于現場人員被困和火災實時蔓延情況，確定滅火力量矩陣、救人力量矩陣、高噴滅火力量矩陣以及大功率遠程供水力量矩陣。還要提取油罐區火災具體信息，主要包括油罐的容積、布局特點、周圍建筑情況、火災規模、被困人員情況等。這些信息可以通過接警信息、油罐區火災預案及專職消防隊等多種途徑獲取。計算火場力量主要根據火災規模對滅火力量(水槍、水泡)、救人力量、特種裝備數量進行估算。力量編隊則是根據首戰力量、第一增援力量、第二增援力量等先后順序和裝備配備情況，在充分判斷著火油罐區火災的情況下，根據火災規模和優化輔助軟件開展編隊優化調度。此外，優化調度還包含調集運水和供水力量，調度原則是以著火油罐區為圓心，半徑1 000 m為范圍。在特種裝備力量調集的過程中，還要充分考慮高噴、舉高、排煙裝備作戰優勢和應用場景，做到科學合理編制。

3 結語

大型油罐區火災屬于比較特殊的危險化學品類火災，也是現代社會處置難度較大的火災類型之一。在大型油罐區火災的撲救過程中，科學高效地選擇技戰術措施，是減少人員傷亡和財產損失，成功撲救火災的關鍵。科學有效的技戰術措施需要全過程對著火油罐區熱輻射影響規律的全面把握，需要準確評估沸溢、噴濺、爆炸、流淌火等衍生災害造成的損害，同時風力、風向等環境因素對油罐區火災蔓延規律也需要全面考慮。鑒于此，在撲救大型油罐區火災過程中，跨區域聯合作戰指揮層應該根據火災現場的規模、作戰陣地、參戰力量等實際情況迅速確定最優滅火陣地。后續到場的滅火救援力量在選擇滅火陣地時，應以設置在油罐區火災的上風方向為基本原則，同時保證參戰消防車車頭朝向易于快速撤退的方向，如果油罐區火災現場存在地勢較高的上風向滅火占地，要優先布置。此外，先進的滅火救援裝備和輔助決策模塊要優先應用于協同作戰力量優化調度和技戰術實施的全過程，進而提升大型油罐區火災的滅火救援效能。本文僅對大型油罐區火災特點及撲救技戰術優化問題進行了綜述研究。在以后的研究工作中，還需要對更具體的大型油罐區火災燃燒類型開展深入研究，如火炬形燃燒、沸騰突溢燃燒、全面積燃燒、流淌火等，并提出更加貼合實戰的技戰術措施，進而為提升大型油罐區火災撲救效能提供技術支撐。