壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)撲救浮頂儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)的應(yīng)用研究*

郎需慶　談龍妹　吳京峰　牟善軍　張衛(wèi)華

(中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院　山東青島 266071)

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壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)撲救浮頂儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)的應(yīng)用研究*

郎需慶談龍妹吳京峰牟善軍張衛(wèi)華

(中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院山東青島 266071)

摘要分析了密封圈火災(zāi)過(guò)程及特點(diǎn)，建立了壓縮空氣泡沫滅火試驗(yàn)裝置，參照10×104 m3浮頂儲(chǔ)罐建立了20 m長(zhǎng)的密封圈試驗(yàn)裝置，以汽油為介質(zhì)開(kāi)展了多次泡沫滅火試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該壓縮空氣泡沫滅火試驗(yàn)裝置可在30 s內(nèi)完成滅火，泡沫混合液供給強(qiáng)度約14～19 L/(min·m2)，具有在大型浮頂儲(chǔ)罐上應(yīng)用的可能性。針對(duì)單臺(tái)10×104 m3浮頂儲(chǔ)罐浮盤(pán)密封圈滅火提出了工程應(yīng)用方案，該儲(chǔ)罐共需泡沫液量1 200 L，分為4套壓縮空氣泡沫滅火裝置均勻分布在浮盤(pán)邊緣，浮盤(pán)密封圈火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與該泡沫滅火裝置聯(lián)鎖啟動(dòng)自動(dòng)滅火，各套滅火裝置的持續(xù)噴射時(shí)間約1 min。

關(guān)鍵詞浮頂儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)壓縮空氣泡沫滅火裝置

Application Study of Compressed Air Foam System on Extinguishment of Floating Roof Tank Rim Seal Fires

LANG XuqingTAN LongmeiWU JingfengMU ShanjunZHANG Weihua

(SINOPECResearchInstituteofSafetyEngineeringQingdao，Shandong266071)

AbstractThe process and character of rim seal fire has been analyzed and the experimental compressed air foam system equipment has been established. The experimental rim seal facility with length of 20 meters has been constructed and many real fire tests have been conducted with gasoline. The results show that the fire can be extinguished within 30 seconds by using this equipment, with the foam application rate of 14～19 L/(min·m2) and it is feasible to be applied in large floating roof tanks. The engineering application proposal of rim seal fire extinguishment with compressed air foam system for large scale floating roof tank of 10×104m3has been put forward. 1 200 L foam solution will be needed for such a large tank and can be loaded in 4 separated foam tanks which is evenly fixed around the floating roof rim. The foam system is activated by the current fire alarming system on the rim seal and the total spraying time for each foam tank is about 1 minute.

Key Wordsfloating roof tankrim seal firecompressed air foam system

0引言

近些年，我國(guó)沿海沿江地區(qū)建造了大量浮頂儲(chǔ)罐，形成了巨大的罐群，多數(shù)大型原油庫(kù)庫(kù)容超過(guò)300×104m3，最大儲(chǔ)罐已達(dá)15×104m3，儲(chǔ)罐直徑達(dá)100 m。油料的高度集中存儲(chǔ)大大提高了罐區(qū)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[1]。近期，國(guó)內(nèi)發(fā)生了多起浮頂儲(chǔ)罐密封圈燃爆事故，2006年8月江蘇省一臺(tái)15×104m3原油儲(chǔ)罐發(fā)生雷擊起火事故，2007年5月和6月浙江省某原油庫(kù)一臺(tái)10×104m3原油儲(chǔ)罐連續(xù)發(fā)生了兩次密封圈雷擊起火事故，2007年7月上海某油庫(kù)一臺(tái)10×104m3原油儲(chǔ)罐發(fā)生雷擊起火事故[2]，2011年11月大連港2臺(tái)10×104m3浮頂儲(chǔ)罐同時(shí)遭雷擊起火。API對(duì)1951年至1995年間發(fā)生的81起直徑超過(guò)30 m的大型浮頂儲(chǔ)罐火災(zāi)事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中密封圈火災(zāi)占統(tǒng)計(jì)事故的72.8%[3]，其它研究組織也曾對(duì)世界范圍內(nèi)的大型浮頂儲(chǔ)罐火災(zāi)事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果表明密封圈火災(zāi)是大型浮頂儲(chǔ)罐最主要的火災(zāi)形式。

從國(guó)內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)的撲救情況看，盡管固定式消防系統(tǒng)能發(fā)揮一定滅火作用，但多數(shù)情況下都需要移動(dòng)式消防力量上罐完成滅火，主要原因之一是泡沫液進(jìn)入密封圈所需時(shí)間較長(zhǎng)，往往超過(guò)10 min，導(dǎo)致密封圈火勢(shì)增大。盡管密封圈火災(zāi)一般情況下不會(huì)對(duì)整個(gè)儲(chǔ)罐的安全造成明顯威脅，但是會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞浮盤(pán)及儲(chǔ)罐附件，影響罐區(qū)儲(chǔ)運(yùn)作業(yè)安全。研究適用于浮頂儲(chǔ)罐密封圈的高效快速滅火系統(tǒng)是解決撲救密封圈火災(zāi)問(wèn)題的關(guān)鍵。

隨著新型泡沫滅火技術(shù)的快速發(fā)展，壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)森林滅火、建筑滅火等方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用，取得了明顯的作戰(zhàn)效果，然而該技術(shù)在石化領(lǐng)域尚未得到充分的應(yīng)用，其滅火快、泡沫消耗量低等優(yōu)勢(shì)未能得到發(fā)揮[4]。

本研究旨在開(kāi)發(fā)撬裝式壓縮空氣泡沫滅火裝置，并應(yīng)用于大型浮頂儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)撲救。

1密封圈火災(zāi)機(jī)理與特點(diǎn)

1.1密封圈火災(zāi)機(jī)理

浮頂儲(chǔ)罐罐內(nèi)油面上漂浮著金屬浮盤(pán)，浮盤(pán)直徑略小于罐壁直徑，浮盤(pán)與罐壁之間保持200～250 mm的環(huán)形空間。在罐壁與浮盤(pán)之間設(shè)置密封裝置(通常稱(chēng)為密封圈)，其固定在浮盤(pán)邊緣，隨浮盤(pán)上下浮動(dòng)，密封圈與罐壁緊密接觸，目的是防止該空間內(nèi)的油氣揮發(fā)至外界空間。對(duì)10×104m3浮頂儲(chǔ)罐而言，密封圈內(nèi)的空間可達(dá)54～60 m3。

當(dāng)罐體圓度降低、密封圈變形等原因造成密封圈與罐壁之間出現(xiàn)縫隙時(shí)，密封圈底部的油面與外界大氣相連通，受空氣流動(dòng)、溫度變化、油面波動(dòng)等因素影響，裸露油面的氣液平衡被打破，從而油氣持續(xù)揮發(fā)，在密封圈內(nèi)形成一定濃度的油氣。另外，當(dāng)浮盤(pán)上下移動(dòng)時(shí)，罐壁上會(huì)留下一層油膜，其在密封圈內(nèi)也會(huì)揮發(fā)油氣，加劇密封圈內(nèi)油氣的集聚。在一定條件下，密封圈油氣濃度會(huì)處于爆炸范圍內(nèi)，遇到雷電、明火等點(diǎn)火源時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸和燃燒。

1.2密封圈火災(zāi)特點(diǎn)

由于密封圈內(nèi)部空間是一個(gè)狹長(zhǎng)的環(huán)形空間，可燃?xì)庠诿芊馊?nèi)部呈不均勻分布。密封圈內(nèi)可燃?xì)鉂舛确植际軆?chǔ)罐液位、油品類(lèi)型、外界溫度、風(fēng)力等多種因素影響[5]。因此，密封圈內(nèi)可燃?xì)獍l(fā)生爆炸燃燒往往呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

(1)先發(fā)生閃爆，后發(fā)生持續(xù)燃燒。

(2)密封圈往往發(fā)生多段燃燒，進(jìn)而發(fā)展為整個(gè)密封圈燃燒。

(3)密封圈爆炸后，往往將二次密封掀開(kāi)，形成開(kāi)放式空間。受到爆炸沖擊力的影響，二次密封上部的部件常被炸開(kāi)。

(4)因燃燒面積僅限于浮盤(pán)與罐壁之間的狹長(zhǎng)油面，最大火焰高度為4～6 m，在浮倉(cāng)未被破壞時(shí)，密封圈處能維持長(zhǎng)時(shí)間的燃燒。

2壓縮空氣泡沫滅火試驗(yàn)

當(dāng)前大型浮頂儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)首選固定式泡沫滅火系統(tǒng)進(jìn)行撲救，其特點(diǎn)是啟動(dòng)快、無(wú)需人員登罐滅火、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低、可持續(xù)供給泡沫液，其缺點(diǎn)是泡沫進(jìn)入密封圈內(nèi)往往需要數(shù)分鐘，延長(zhǎng)了滅火時(shí)間。對(duì)10×104m3浮頂儲(chǔ)罐而言，泡沫通常噴射7～8 min后才能進(jìn)入密封圈內(nèi)覆蓋油面。另外，當(dāng)儲(chǔ)罐液位較高時(shí)，密封圈距離罐壁頂部泡沫發(fā)生器較近，泡沫發(fā)生器及其泡沫管線往往會(huì)被密封圈爆炸損壞；當(dāng)儲(chǔ)罐液位較低時(shí)，罐頂噴射的泡沫易被風(fēng)吹散，影響滅火效果。為了解決上述問(wèn)題，研究利用壓縮空氣泡沫滅火技術(shù)進(jìn)行快速滅火。

2.1壓縮空氣泡沫的形成機(jī)理與特點(diǎn)

壓縮空氣泡沫是泡沫混合液與壓力氣體在氣液混合裝置內(nèi)強(qiáng)制混合形成的泡沫，即泡沫混合液與壓力氣體按照一定的流量比例在一定壓力下同時(shí)注入氣液混合裝置內(nèi)，在混合裝置內(nèi)擾流器的作用下，兩個(gè)流體進(jìn)行混合，形成發(fā)泡的泡沫液，經(jīng)過(guò)管道和噴射器輸送至被保護(hù)對(duì)象處，滅火系統(tǒng)流程如圖1所示。壓力氣體可由壓縮氣體鋼瓶、壓縮機(jī)等提供，氣體可采用空氣、氮?dú)獾?，泡沫混合液可采用水成膜、氟蛋白等泡沫液?/p>

壓縮空氣泡沫的特點(diǎn)是泡沫混合均勻，發(fā)泡細(xì)膩，泡沫泡尺寸小，泡沫穩(wěn)定，析液時(shí)間長(zhǎng)，泡沫在管道內(nèi)輸送速度快，動(dòng)能大，噴射距離遠(yuǎn)。

圖1壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)流程示意圖

2.2壓縮空氣泡沫撲救汽油火災(zāi)的試驗(yàn)

2.2.1模擬裝置

以10×104m3浮頂儲(chǔ)罐為保護(hù)對(duì)象，建立密封圈燃燒模型(如圖2所示)。密封圈模擬裝置長(zhǎng)20 m，油槽內(nèi)寬度250 mm，深度600 mm，油槽上部設(shè)置金屬擋板，模擬二次密封金屬支撐板，金屬擋板上設(shè)置間距為2 m的泡沫噴射管插口，油槽內(nèi)設(shè)置橡膠帶，模擬一次密封裝置。

圖2密封圈試驗(yàn)?zāi)M裝置示意圖

壓縮空氣泡沫滅火試驗(yàn)裝置(如圖3所示)由泡沫混合液儲(chǔ)罐、高壓氣瓶、泡沫管道、閥門(mén)、泡沫發(fā)生器(氣液混合裝置)、氣體流量計(jì)、泡沫噴射管、易熔合金噴頭、報(bào)警裝置等組成。

圖3正壓式泡沫滅火系統(tǒng)示意圖

2.2.2試驗(yàn)條件

泡沫混合液儲(chǔ)罐有效儲(chǔ)量100 L，供液壓力0.4 MPa，高壓氣瓶容積10 L，泡沫混合液供給流量92～116 L/min，氣體流量217 L/min，泡沫噴射支管管徑DN15，泡沫噴射管間距2 m，易熔合金噴頭動(dòng)作溫度74 ℃。

泡沫混合液儲(chǔ)罐的氣液混合裝置出口通過(guò)管線將泡沫液輸送到各個(gè)泡沫噴射口，噴射口處設(shè)易熔合金噴頭。油槽內(nèi)注入厚度不低于10 mm的汽油層(可持續(xù)燃燒至少3 min)，點(diǎn)燃汽油后，整個(gè)密封圈內(nèi)油面在幾秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全燃燒。

經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，在點(diǎn)燃后約8～10 s內(nèi)易熔塞噴頭即開(kāi)啟噴射泡沫實(shí)施滅火，在25～30 s內(nèi)完成滅火，泡沫連續(xù)噴射時(shí)間約15～20 s，泡沫發(fā)泡倍數(shù)在8～9之間，實(shí)際噴射泡沫混合液約23.5～31.3 L。

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

該油槽的總?cè)紵娣e是5 m2(250 mm×20 m)，試驗(yàn)的泡沫供給強(qiáng)度是14～19 L/(min·m2)，與《泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50151—2010)中提出的泡沫供給強(qiáng)度12.5 L/(min·m2)相比，本試驗(yàn)的泡沫供給強(qiáng)度略高于規(guī)范值，滅火時(shí)間控制在30 s之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了快速滅火。

而NFPA11(2010版)指出，當(dāng)泡沫噴頭設(shè)在密封圈內(nèi)時(shí)，負(fù)壓式泡沫系統(tǒng)的泡沫混合液供給強(qiáng)度需不低于20.4 L/(min·m2)，連續(xù)供液時(shí)間不低于10 min，在本試驗(yàn)中，該系統(tǒng)的泡沫消耗量達(dá)1 020 L。盡管NFPA11中指出壓縮空氣泡沫滅火系統(tǒng)的泡沫混合液供給強(qiáng)度不低于1.63 L/(min·m2)，但從滅火角度講，在條件允許范圍內(nèi)宜選擇高泡沫供給強(qiáng)度，縮短滅火時(shí)間，降低泡沫液的消耗量。

本試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)快速滅火的關(guān)鍵是：(1)泡沫噴頭均勻分布在密封圈內(nèi)，噴頭間距小，保證了泡沫液在密封圈內(nèi)的快速分布；(2)泡沫液噴射動(dòng)能大，流動(dòng)快，覆蓋時(shí)間短；(3)泡沫液穩(wěn)定，析液時(shí)間長(zhǎng)，滅火性能強(qiáng)。

3壓縮空氣泡沫滅火裝置在浮頂儲(chǔ)罐的應(yīng)用

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，壓縮空氣泡沫滅火裝置可應(yīng)用于大型浮頂儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)撲救，密封圈火災(zāi)的滅火時(shí)間可控制在1 min之內(nèi)。考慮到浮頂儲(chǔ)罐浮盤(pán)與罐壁之間的空間內(nèi)存在密封膠袋、油氣隔膜、因炸毀而落入油面的二次密封金屬支撐板及可能被炸毀的泡沫噴頭等因素會(huì)對(duì)泡沫覆蓋時(shí)間造成不利影響，因此，在工程應(yīng)用時(shí)，需將泡沫持續(xù)噴射時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，以保證有足量的泡沫層覆蓋著火油面。

以10×104m3浮頂儲(chǔ)罐為保護(hù)對(duì)象，浮盤(pán)與罐壁之間平均距離250 mm，邊緣周長(zhǎng)約252 m，因此，浮倉(cāng)與罐壁之間油面的總面積是63 m2。基于試驗(yàn)結(jié)果，泡沫供給強(qiáng)度取19 L/(min·m2)，泡沫連續(xù)供給時(shí)間取1 min，則泡沫混合液需求量是1 197 L。

為了便于布置，同時(shí)考慮浮盤(pán)載荷的均勻分布，10×104m3浮頂儲(chǔ)罐浮盤(pán)密封圈宜布置4套壓縮空氣泡沫滅火裝置，均勻設(shè)置在浮盤(pán)的邊緣，單套泡沫裝置的泡沫混合液充裝量為300 L。單套泡沫裝置的配置參數(shù)，如表1所示。

表1　泡沫系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

為縮短泡沫輸送距離，泡沫滅火裝置宜布置在浮盤(pán)邊緣靠近泡沫堰板的位置(如圖4所示)，泡沫噴頭穿過(guò)二次密封金屬支撐板插至一次密封和二次密封之間，泡沫液通過(guò)固定在浮盤(pán)上的泡沫管線輸送到各個(gè)泡沫噴頭處。該泡沫滅火裝置由泡沫混合液儲(chǔ)罐、氣液混合器、自動(dòng)閥、高壓氣瓶及泡沫噴射管路等組成。

1—高壓氣瓶；2—泡沫混合液儲(chǔ)罐；3—泡沫發(fā)生器；

4—控制室；5—泡沫堰板；6—泡沫噴射頭；

7—罐壁；8—浮盤(pán)密封圈

圖4泡沫裝置在浮盤(pán)上的安裝示意圖

為保證泡沫層在密封圈內(nèi)油面均勻覆蓋，取消泡沫噴射管的易熔塞合金噴頭，由主管路上安裝在氣液混合裝置出口的自動(dòng)閥控制整個(gè)裝置的啟動(dòng)，自動(dòng)閥與罐區(qū)控制室火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)鎖。當(dāng)浮盤(pán)密封圈上的感溫火災(zāi)報(bào)警裝置給出火災(zāi)信號(hào)后，泡沫裝置的自動(dòng)閥即開(kāi)啟噴射泡沫滅火。

4結(jié)語(yǔ)

分析了浮頂儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)機(jī)理和密封圈火災(zāi)特點(diǎn)，參照10×104m3儲(chǔ)罐設(shè)置了20 m長(zhǎng)的密封圈試驗(yàn)裝置，建立了泡沫噴射裝置，以汽油為介質(zhì)進(jìn)行了多次燃燒滅火測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示該壓縮空氣泡沫滅火裝置具有較強(qiáng)的滅火能力，消耗泡沫液量少，可在30 s內(nèi)完成滅火，因此，這種壓縮空氣泡沫滅火裝置具有工程應(yīng)用的可行性。

以10×104m3浮頂儲(chǔ)罐為對(duì)象，提出了應(yīng)用于撲救密封圈火災(zāi)的壓縮空氣泡沫滅火裝置設(shè)置方案。

另外，由于該滅火裝置內(nèi)存儲(chǔ)的是泡沫液的預(yù)混液，其存儲(chǔ)時(shí)間往往不超過(guò)2年，研究耐低溫、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)的泡沫預(yù)混液是今后的研究需求之一。目前，部分儲(chǔ)罐的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)率較高，這將影響火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與該裝置的聯(lián)鎖功能。

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(收稿日期：2015-02-10)

作者簡(jiǎn)介郎需慶，男，碩士，高級(jí)工程師，注冊(cè)安全工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)石化安全工程研究院，從事石油化工消防與工業(yè)安全技術(shù)研究。已在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文20余篇，獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。

*基金項(xiàng)目：中國(guó)石化科研課題“大流量高效泡沫滅火技術(shù)研究”。