內(nèi)浮頂儲罐高效防火與快速滅火技術(shù)探討

邵洪槐，郎需慶，張衛(wèi)華，張健中

(1.中國石化銷售股份有限公司浙江石油分公司，浙江杭州 3100092.中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

0 前言

隨著環(huán)保要求越來越高，內(nèi)浮頂儲罐已經(jīng)成為石化企業(yè)儲存揮發(fā)性介質(zhì)的主要罐型之一，約占石化企業(yè)儲罐數(shù)量的90%以上。在部分企業(yè)，存儲介質(zhì)相同的儲罐還采用儲罐氣相空間聯(lián)通的方式將相鄰儲罐進行串聯(lián)，形成一個密閉的儲罐群，以消除儲罐大小呼吸造成的氣體無組織排放。

然而，內(nèi)浮頂儲罐的燃爆風(fēng)險也不容忽視。近些年，國內(nèi)發(fā)生了多起內(nèi)浮頂儲罐著火爆炸事故，如福建漳州古雷3臺5 000 m3內(nèi)浮頂儲罐火災(zāi)事故、大連某柴油內(nèi)浮頂儲罐爆炸事故、鎮(zhèn)海石化5 000 m3內(nèi)浮頂儲罐雷擊起火事故等，這些儲罐火災(zāi)撲救難度較大，且容易發(fā)生復(fù)燃。究其原因，內(nèi)浮頂儲罐發(fā)生燃爆事故主要是因為罐內(nèi)存在大量可燃氣和潛在的點火源。國內(nèi)學(xué)者對此開展了大量研究工作，聶世全等分析了內(nèi)浮盤密封失效原因[1]，包括浮盤搭接面存在縫隙、密封圈與罐壁之間存在縫隙、浮盤的附件不密封等，提出從浮盤設(shè)計、施工、定期檢測等方面提升浮盤的密封性能?？渍讶鸱治隽藝鴥?nèi)組裝式浮盤結(jié)構(gòu)合理性，指出浮盤與油面間存在的油氣空間是保障內(nèi)浮頂儲罐與組裝式浮盤安全運行的有利條件[2]。吳宏章等研究了內(nèi)浮頂儲罐“小呼吸”對環(huán)境影響過程，指出內(nèi)浮頂儲罐油氣揮發(fā)的主要動力是溫度變化引起的油氣分子熱擴散作用[3]。汪映標(biāo)等研究了儲罐主動安全防護系統(tǒng)歷與裝置結(jié)構(gòu)特點，提出了應(yīng)用建議[4]。

本文針對內(nèi)浮頂儲罐的火災(zāi)防控開展研究，旨在提出有效的儲罐火災(zāi)預(yù)防措施和高效滅火技術(shù)，提升內(nèi)浮頂儲罐的安全性能。

1 內(nèi)浮頂儲罐火災(zāi)原因分析

內(nèi)浮頂儲罐火災(zāi)事故起因于罐內(nèi)存在大量處于燃爆范圍的可燃氣以及點火源，其發(fā)生火災(zāi)后，罐內(nèi)氣相空間往往先爆炸，造成罐頂部分掀開，同時，浮盤傾斜或破裂，形成罐內(nèi)部分液面持續(xù)燃燒，很快鋁制浮盤沉沒或熔化，罐內(nèi)形成全面積火災(zāi)，罐內(nèi)火焰從罐頂開口處猛烈噴出。

1.1 罐內(nèi)可燃氣泄漏源分析

從罐內(nèi)可燃氣的集聚情況看，內(nèi)浮頂儲罐的浮盤及其密封圈是主要泄漏源。首先，國內(nèi)內(nèi)浮頂儲罐絕大多數(shù)采用組裝式鋁制浮盤，浮盤框架底部設(shè)多個鋁制浮筒，框架上設(shè)置多片鋁制蒙皮，蒙皮搭接處采用鉚釘固定。浮筒的一半體積浸沒在液體內(nèi)，蒙皮與油面之間存在較大的油氣空間。由于框架是鋁制結(jié)構(gòu)，柔性較強，在罐內(nèi)收油時液面波動劇烈，導(dǎo)致浮盤在運行一段時間后，蒙皮的搭接處出現(xiàn)縫隙，造成浮盤下液面油氣持續(xù)揮發(fā)。

其次，浮盤上的附件未進行密封處理，如導(dǎo)向柱與浮盤的穿越處以及導(dǎo)向柱上的通氣孔均裸露，造成罐內(nèi)油氣持續(xù)揮發(fā)至外部空間；浮盤上的取樣口等也存在未密閉的做法。

再次，浮盤密封圈多數(shù)采用舌型密封，密封與罐壁采用搭接方式，密封不嚴，尤其是在浮盤波動時，罐壁處存在大量的泄漏點。即使采用了填充式一次密封，在運行一段時間后因密封填充物變形導(dǎo)致密封圈與罐壁之間出現(xiàn)縫隙。

1.2 罐內(nèi)點火源分析

內(nèi)浮頂儲罐的點火源主要包括靜電、雷擊、硫化亞鐵自燃和明火等。對靜電而言，在儲罐浮盤落地后，初次進油時需嚴格控制進油流速，而且進油口末端要做緩和設(shè)置，減輕油料射流對罐內(nèi)設(shè)施的直接沖擊。大連港某內(nèi)浮頂儲罐曾因進油速度過快導(dǎo)致浮盤下部油氣空間被靜電引爆，造成整個罐體傾倒。

隨著原油品質(zhì)的劣質(zhì)化，高含硫油料的腐蝕性加強，導(dǎo)致罐內(nèi)氣相空間的壁面形成硫化亞鐵腐蝕物，在儲罐發(fā)油時，新鮮空氣進入罐內(nèi)與硫化亞鐵作用，待腐蝕層的熱量集聚到一定程度后即發(fā)生自燃，從而引燃罐內(nèi)可燃氣，這類事故在近20年內(nèi)國內(nèi)發(fā)生了十多起。對于雷擊而言，主要是直擊雷對罐體的沖擊，罐壁遭受雷擊后因無法及時泄放強電流而造成放電打火，從而引燃罐內(nèi)可燃氣。寧波地區(qū)某5 000 m3儲存石腦油的內(nèi)浮頂儲罐因雷擊中罐壁頂部通氣孔處，造成火花引燃罐內(nèi)可燃氣發(fā)生火災(zāi)。

內(nèi)浮頂儲罐的明火主要發(fā)生在檢維修環(huán)節(jié)，如2018年上海某石化企業(yè)在拆除內(nèi)浮盤附件時使用非防爆工具，違章作業(yè)過程產(chǎn)生火花，導(dǎo)致罐內(nèi)著火爆炸，造成多人傷亡。

2 內(nèi)浮頂儲罐泡沫滅火存在的問題

內(nèi)浮頂儲罐多數(shù)安裝了固定式或半固定式泡沫滅火系統(tǒng)，泡沫噴射器安裝在罐壁頂部。內(nèi)浮頂儲罐在發(fā)生罐內(nèi)燃爆時，首先將罐頂部分掀開，罐頂形成一個鱷魚嘴狀的火焰噴射口，在罐內(nèi)爆炸時，罐壁頂部的泡沫噴射口也容易被炸毀，導(dǎo)致泡沫無法噴入罐內(nèi)滅火，這造成固定式或半固定式泡沫系統(tǒng)癱瘓[5]。因此，內(nèi)浮頂儲罐發(fā)生火災(zāi)后，多數(shù)情況依靠移動式消防裝備實施滅火。采用消防車進行噴射泡沫滅火時，由于罐頂開口較小，且火焰熱氣流強烈，泡沫射流難以克服對流射入罐內(nèi)，且燃燒形成的黑煙覆蓋，泡沫炮難以準(zhǔn)確對準(zhǔn)開口，泡沫通過鱷魚嘴進入罐內(nèi)時，泡沫因熱揮發(fā)損耗嚴重[6]。

上海某石化企業(yè)的5 000 m3內(nèi)浮頂儲罐發(fā)生火災(zāi)后，消防炮噴射泡沫無法控制燃燒，最終采用泡沫鉤管置于罐頂開口處，向罐內(nèi)注入大量泡沫，完成滅火。

3 儲罐火災(zāi)防控技術(shù)

3.1 儲罐防火技術(shù)

儲罐防火主要是降低罐內(nèi)可燃氣濃度、消除點火源。

3.1.1新型浸液式蜂巢浮盤

GB50160-2018《石油化工企業(yè)防火設(shè)計規(guī)范》規(guī)定容積大于5 000 m3的內(nèi)浮頂儲罐應(yīng)采用鋼制浮盤，目的是消除大型儲罐鋁制浮盤熔化后形成全面積火災(zāi)的風(fēng)險。從防止浮盤沉沒的角度看，蜂巢式浮盤較浮筒式浮盤及鋼制浮盤都有優(yōu)勢，只要浮盤不沉沒，裸露的油面即不會出現(xiàn)。即使罐內(nèi)發(fā)生燃燒，其燃燒面積也僅僅是浮盤周圍的環(huán)形區(qū)域，滅火難度相對較小。蜂巢式浮盤內(nèi)有成千上萬個獨立的密閉的氣囊，組合在一起具有強大的浮力。蜂巢式浮盤采用組裝式安裝方式，浮盤整體上具有良好的韌性，能較好地適應(yīng)液面波動，能夠吸收液面波動產(chǎn)生的能量，有利于保持浮盤的完整性。這類浮盤在東南亞和歐洲應(yīng)用廣泛。

由于蜂巢式浮盤材質(zhì)是非金屬材料，隔熱性好，但抗燒性差，持續(xù)燃燒會破壞蜂巢板塊的完整性。在應(yīng)用時，需對浮盤進行防火處理，如刷涂耐火涂料、包覆耐火材料等。

3.1.2全尺寸浮盤一次密封裝置

內(nèi)浮頂儲罐浮盤邊緣采用全尺寸一次密封裝置，增大浮盤密封圈與罐壁的接觸面積，提高浮盤密封效果，減少浮盤下部油面的揮發(fā)。相對于傳統(tǒng)的填充式軟密封，全尺度密封裝置改變了密封包袋的形狀，將三芯型泡沫改為矩形泡沫，密封效果大大增強，見圖1。某儲罐組對采用2種浮盤密封的罐內(nèi)油氣濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比，對比數(shù)據(jù)如圖2所示，采用全尺寸浮盤密封圈的儲罐罐內(nèi)可燃氣濃度增長遠低于標(biāo)準(zhǔn)形狀浮盤密封圈的儲罐，且罐內(nèi)油氣濃度基本處于極低的范圍內(nèi)。

圖1 全尺寸一次密封裝置示意

圖2 密封圈油氣揮發(fā)量數(shù)據(jù)對比

3.2 儲罐高效滅火技術(shù)

對于內(nèi)浮頂儲罐的火災(zāi)撲救，關(guān)鍵問題是將足量的滅火劑注入儲罐內(nèi)，供給強度滿足快速壓制火焰的需求。

內(nèi)浮頂儲罐著火時，罐內(nèi)溫度高達800～1 000 ℃，因罐頂部分掀開，在罐頂開口處的火焰熱氣流強烈，開口處外側(cè)黑煙彌漫，能見度很差。以往滅火時，采用泡沫炮從地面處向罐內(nèi)開口處噴射泡沫，泡沫射流往往難以瞄準(zhǔn)罐頂開口，即使進入罐內(nèi)的泡沫也難以壓制火焰。對于這種滅火條件，筆者提出采用復(fù)合型滅火劑協(xié)同滅火的方法。在滅火初期，降低罐內(nèi)溫度是關(guān)鍵，而消除火焰是降低罐內(nèi)溫度的主要途徑。罐內(nèi)燃燒時，高溫環(huán)境加劇了油面的揮發(fā)，強化了燃燒，導(dǎo)致罐內(nèi)環(huán)境溫度偏高。

因此，可首先采用干粉滅火劑對罐內(nèi)實施抑制燃燒，干粉滅火劑的主要滅火原理是化學(xué)滅火，即高溫分解的干粉顆粒形成多個活性粒子，其與燃燒物的活性分子結(jié)合，中斷燃燒鏈[7]，從而消除了火焰，瞬間可降低罐內(nèi)溫度，減少液面的揮發(fā)[8]。筆者曾利用11 m3的立式開口儲罐進行了超細干粉的油罐滅火實驗，實驗結(jié)果顯示超細干粉的滅火強度低于80 g/m3，干粉滅火劑在靜止空氣中的最大水平噴射距離超過25 m，具有在罐內(nèi)噴射滅火的可行性[9]。

其次，在罐內(nèi)火焰得到有效抑制后，罐頂開口處的熱氣流將大大降低，泡沫射流容易射入罐內(nèi)，采用泡沫覆蓋燃燒液面，實施油面降溫，隔離空氣，徹底消除罐內(nèi)燃燒，完成滅火。

另外，內(nèi)浮頂儲罐在滅火后容易發(fā)生復(fù)燃，主要原因是罐內(nèi)存在漂浮物，如浮盤框架、浮盤附件、密封圈殘留物等，這些物體在液面會形成死角，泡沫層難以覆蓋罐內(nèi)全部液面，液面死角處持續(xù)燃燒，導(dǎo)致罐內(nèi)液面泡沫層破裂，液面燃燒面積不斷擴大，進而形成全液面燃燒。采用干粉與泡沫耦合的滅火方式，可發(fā)揮干粉立體滅火的效能，可消除液面死角處的燃燒，防止復(fù)燃。

4 結(jié)語

內(nèi)浮頂儲罐是石化行業(yè)應(yīng)用最多的罐型之一，因其良好的密封性能而廣受認同。隨著環(huán)保要求的提高，內(nèi)浮頂儲罐的密封性能和防火性能也在逐步提高。備受關(guān)注的變化是儲罐氣相空間聯(lián)通。這類做法目前尚未在全行業(yè)推廣，但這是高環(huán)保壓力下的儲運行業(yè)有效舉措之一，越來越多的企業(yè)在嘗試這種做法，從燃爆控制的角度，這種做法可能會增加儲罐事故的范圍，形成多個儲罐燃爆事故。

總之，內(nèi)浮頂儲罐的安全控制研究是一個長期的探索過程，關(guān)注重點應(yīng)放在儲罐事故的預(yù)防與預(yù)警方面，建議從儲罐材質(zhì)、附件結(jié)構(gòu)、工藝控制及安全防護等方面進行風(fēng)險控制，逐步實現(xiàn)儲罐的本質(zhì)安全。