儲罐消防和安全系統(tǒng)設計標準探討
轉(zhuǎn)載：
王秀麗1，林國龍2，李雪坡3，信婧敏4，劉藝5
（1中國石油天然氣股份有限公司西南管道蘭成渝輸油分公司；2中石油燃料油有限責任公司寧波大榭倉儲分公司；3中國石油管道局工程有限公司；4 中國石油管道局工程有限公司；5中國石油華北油田公司工程技術(shù)研究院）
摘要：隨著中國油庫建設規(guī)模的不斷擴大，為保障石油戰(zhàn)略儲備庫的安全，對儲罐消防和安全系統(tǒng)應采用更高等級的設計標準。為防范儲罐安全事故，實現(xiàn)儲罐“本質(zhì)安全”，選取了消防水供給強度、儲罐冷卻、防火堤、消防泵動力源、控制閥位置、事故排水系統(tǒng)和防滲等關鍵技術(shù)，并就此介紹了國外標準的先進經(jīng)驗和推薦做法。結(jié)合實際案例，對GB 50074—2014《石油庫設計規(guī)范》中相關內(nèi)容提出了建議，對于提高國內(nèi)油庫的安全可靠性和應急保障能力具有指導意義。
關鍵詞：儲罐 消防系統(tǒng) 防火堤 消防泵 控制閥
目前，中國大型原油戰(zhàn)略儲備庫容量已達7×106 m3，單個儲罐最大容量達2×105 m3，如何保障儲備庫的安全至關重要［1］。儲罐一旦發(fā)生火災爆炸事故，會造成嚴重經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境污染，例如大連“7.16”油庫火災爆炸事故，上萬噸原油流入大海，經(jīng)濟損失近2億元［2］。新版《安全生產(chǎn)法》和《環(huán)境保護法》相繼頒布實施，加大了石油行業(yè)重大安全事故的問責追究力度［3］。
隨著國內(nèi)油庫建設規(guī)模的不斷擴大，運行的安全風險也在增大，儲罐消防和安全系統(tǒng)應采用更高的設計標準，對安全等級亦提出了更高的要求。目前國內(nèi)大型油庫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、應急演練不到位等現(xiàn)象［4］。為從根源上防止儲罐惡性事故發(fā)生，實現(xiàn)儲罐“本質(zhì)安全”，針對儲罐消防和安全系統(tǒng)的關鍵技術(shù)問題，介紹了國外標準先進的經(jīng)驗和推薦做法，對GB 50074—2014《石油庫設計規(guī)范》提出了一些建議。
1 消防冷卻水供給強度
對于消防冷卻水供給強度，目前國內(nèi)標準與國外標準存在較大的差異。
1） GB 50074—2014規(guī)定：“著火的固定頂儲罐和內(nèi)/外浮頂罐的固定式冷卻水供給強度分別為不小于2.5L/（min·m2）和2.0L/（min·m2），相鄰儲罐冷卻水供給強度為不小于2.0L/（min·m2）；直徑大于20m的固定頂儲罐和內(nèi)浮頂罐的消防冷卻水最小供給時間不小于9h，其他儲罐不小于6h。
2） API RP 2001—2012《煉油廠消防規(guī)程》規(guī)定：“消防水罐的供給時間應滿足4～6h”。按照煉油廠不同類型場所的危險程度，規(guī)定了相應的消防水供給強度，其中消防冷卻水供給強度的數(shù)值遠高于國內(nèi)標準，見表1所列。
以大連“7.16”油庫火災事故為例，對著火儲罐滅火的同時，冷卻臨近受到威脅的6座儲罐及輸油管道，滅火用時15h，使用泡沫1.3 kt，用水約60 kt，計算該事故中的消防冷卻水供給強度為4.3L/（min·m2），泡沫液供給強度和供給時間也均高于GB 50074—2014的規(guī)定［2］。因此，建議在條件允許的情況下，消防水池和泡沫罐的容積設置宜在規(guī)范規(guī)定的設計用量的2倍以上，以增加泡沫液的供給強度和供給時間，保證在火場斷電的情況下，消防水池和泡沫罐也能發(fā)揮作用。油庫設計時，可將鄰近的江河湖泊作為消防水源，保證火災情況下消防水池可連續(xù)補水，同時也可以降低建造消防水池的成本。
2 儲罐冷卻
針對臨近儲罐的冷卻，GB 50074—2014規(guī)定：“著火的固定頂儲罐以及距離著火儲罐罐壁1.5倍直徑范圍內(nèi)的相鄰儲罐應同時冷卻，當相鄰的儲罐超過3座時，按其中較大的3座相鄰儲罐計算冷卻水量；著火的內(nèi)/外浮頂罐應冷卻，其相鄰儲罐可不冷卻”。
文獻［5］基于大渦模擬的FDS模型，模擬了大型油罐火災燃燒過程的數(shù)值，結(jié)論是： 在無風或微風情況下，浮頂罐無須冷卻；在有風狀態(tài)下，應冷卻位于下風向的相鄰油罐，消防水量應包括冷卻水量，并重新核算。加拿大Enbridge公司則認為，儲油罐發(fā)生火災時應立刻外輸油品，并對其進行水噴淋，同時水噴淋冷卻鄰近罐。以大連“7.16”油庫火災事故為例，在對著火儲罐滅火的同時，也冷卻了鄰近受到威脅的６座儲罐及輸油管道，該事故中著火浮頂罐可不冷卻的規(guī)定也與實際消防要求有差距［2］。此外儲罐滅火后，還應向著火儲罐繼續(xù)噴射泡沫混合液，在避免油氣揮發(fā)的同時，冷卻罐壁，使著火儲罐降至室溫。
國外標準針對儲罐發(fā)生火災時相鄰儲罐的冷卻比較謹慎，儲罐一般不設計專用的消防水冷卻系統(tǒng)。泡沫消防系統(tǒng)和消防水系統(tǒng)應側(cè)重于撲滅著火儲罐，僅利用移動消防設施水冷卻暴露于全面積敞口火災熱輻射中的相鄰儲罐［6］。
1） API RP 2021—2001（R2006）《常壓儲罐消防管理》中規(guī)定應謹慎使用消防水量，如果火焰直接沖擊暴露的罐體，或者儲存易燃和低閃點液體的儲罐罐壁受熱，則應立即冷卻該儲罐；通過頻繁地從遠處施放水流進行檢查，以是否產(chǎn)生蒸汽作為施放冷卻水的標準。
2） NFPA 30—2012《易燃和可燃液體規(guī)范》則認為：“在儲罐發(fā)生火災時，如用水冷卻臨近儲罐，可能會影響著火儲罐的滅火”。
針對著火儲罐的臨近儲罐冷卻問題，國內(nèi)外標準存在差異。國內(nèi)標準考慮浮頂罐本質(zhì)安全性高于固定頂儲罐，因此規(guī)定著火儲罐的臨近儲罐中浮頂罐不需冷卻、固定頂儲罐需要冷卻。國內(nèi)多次儲罐火災事故表明，由于儲罐集中布置、儲罐安全距離限制、浮盤多采用易熔材料制作等原因，因而應該考慮臨近儲罐的冷卻問題［7］。由于國外儲罐安全距離較大，例如NFPA 30—2012規(guī)定浮頂罐的安全距離為0.5D，D為相鄰儲罐中較大儲罐的直徑，單位為米；而GB 50074—2014規(guī)定為0.4D。因此，國外儲罐間的熱輻射影響相對較小，消防水主要用于集中撲救著火儲罐，除非發(fā)生儲罐全面積敞口火災，火焰直接沖擊臨近儲罐罐體表面，或強熱輻射條件下才冷卻臨近儲罐。國外資料和相關研究表明，儲罐罐體可長時間承受的火焰輻射熱強度為24kW/m2，建議進一步研究臨近儲罐需要冷卻的臨界火焰輻射熱強度，作為是否冷卻儲罐的依據(jù)；根據(jù)油庫中儲罐數(shù)量、布置形式、儲罐罐壁間距離、浮盤材料以及水源供給狀況，確定臨近儲罐是否需要冷卻，并核算冷卻水供給強度和供給時間。
3儲罐隔堤設計
儲罐的布置原則：在保證操作方便和安全的前提下，應減少儲罐間距、節(jié)約土地、減少投資。在儲罐四周，應設置隔堤，當儲罐發(fā)生少量泄漏或者火災初期，隔堤可有效分隔和限制著火儲罐，避免油品泄漏范圍擴大，減少事故損失［8］。
3.1國內(nèi)標準
1） GB 50074—2014要求隔堤應采用阻燃材料建造的實體墻，隔堤高度宜為0.5～0.8m，隔堤內(nèi)沸溢性液體儲罐的數(shù)量不應多于2座，隔堤內(nèi)非沸溢性液體儲罐的數(shù)量不應超過下列規(guī)定：
a) 單罐容量不小于5×104m3，1個隔堤內(nèi)儲罐數(shù)量不應多于1座。
b) 單罐容量不小于2×104m3且小于5×104m3，1個隔堤內(nèi)儲罐數(shù)量不應多于2座。
c) 單罐容量不小于5×103m3且小于2×104m3，1個隔堤內(nèi)儲罐數(shù)量不應多于4座。
d) 單罐容量小于5×103m3，1個隔堤內(nèi)儲罐數(shù)量不應多于6座。
2） 國內(nèi)油庫在同一個儲罐組內(nèi)最多可布置6座5×103m3的儲罐，該布置方式使消防員撲救的面積有限，處于中間的2個儲罐發(fā)生火災時，兩側(cè)相鄰的儲罐均受熱輻射的影響，如發(fā)生儲罐泄漏形成流淌火災，可能會威脅隔堤內(nèi)其他儲罐。
3.2 國外標準
1） NFPA 30—2012規(guī)定每個防火堤內(nèi)如有2座或者2座以上儲罐，應設置隔堤，隔堤設計原則如下：
a) 隔堤應考慮單個儲罐的容量大小，儲罐盡可能位于隔堤中間區(qū)域，以便充分利用有效空間，隔堤高度應小于0.45m。
b) 防火堤內(nèi)如果有2個或者2個以上儲罐，且每個儲罐直徑均超過45m，則應在相鄰儲罐之間采用隔堤，隔堤應至少容納儲罐容量的10%。
2） 俄羅斯РД 15339.4078—2001《干線石油管道、油庫和儲罐的運行技術(shù)規(guī)程》和Правила—2004《儲罐技術(shù)運行規(guī)程》規(guī)定單個儲罐的容積大于2×104m3應設隔堤，或者2個容積均大于1×104m3的儲罐應設隔堤，隔堤高度不低于1.3m。
美國和俄羅斯標準通過設置隔堤，可實現(xiàn)1×104m3及以上單個儲罐的安全防護。建議GB50074—2014在修訂時考慮儲罐隔堤的設置原則，即1×104m3及以上單個儲罐均應設置隔堤，隔堤內(nèi)存液容量最低不能小于儲罐容量的10%。
4 防火堤設計
防火堤是保障大型油庫安全性和可靠性的重要設施，可有效防止油品泄漏、火災擴大和環(huán)境污染等［9］。2005年英國Buncefield油庫事故中，混凝土防火堤受到火災損壞，消防水和油品從防火堤的破裂處流出，造成了重大環(huán)境污染［10］。國內(nèi)外普遍公認的防火堤應滿足以下設計要求：
1） 防火堤結(jié)構(gòu)。相對鋼筋混凝土堤或磚石（漿砌石）結(jié)構(gòu)，優(yōu)先采用密封性、抗燃燒性能較好的土堤。
2） 防火堤強度。防火堤應能承受液體靜壓力，還應考慮儲罐瞬間破裂時罐內(nèi)液體的沖擊載荷。
3） 防火堤完整性。重視管道穿越防火堤和伸縮縫的密封處理，盡量避免管道穿越防火堤；管道穿越防火堤時，穿越處應用耐高溫材料做密封填充。
4） 防火堤容量。防火堤應容納罐組內(nèi)1個最大儲罐的容量和補救該儲罐火災所需的消防水量，以及降雨安全余量，即防火堤容量應為最大儲罐容量的110%，而GB 50074—2014規(guī)定防火堤有效容量不應小于罐組內(nèi)1個最大儲罐的容量。
5 備用消防泵的驅(qū)動方式
大連油庫“7.16”事故初期火災并不大，但站場供電電纜遭到了破壞，導致無備用電源的消防系統(tǒng)癱瘓，造成火災進一步擴大。GB 50074—2014規(guī)定石油庫的消防水泵有2個獨立電源供電時，主泵應采用電動泵，備用泵可采用電動泵或柴油機泵；只有1個電源供電時，主泵和備用泵均全部采用柴油機泵，或者備用泵必須采用柴油機泵。
國內(nèi)油庫目前的做法：在滿足雙電源的情況下，消防工作泵、備用泵的驅(qū)動方式均選擇電機驅(qū)動；在不具備雙電源的情況下，工作泵、備用泵均選擇柴油機驅(qū)動。由于國內(nèi)油庫消防泵一般為雙路交流供電，一旦站場停電，消防泵將無法啟動。
國外使用柴油或丙烷為燃料的發(fā)電機快速啟動消防泵，規(guī)定柴油機油料儲備量應滿足消防泵連續(xù)運轉(zhuǎn)時間不低于6h的條件，確保發(fā)生火災和電力中斷的情況下可驅(qū)動消防泵。
建議GB 50074—2014中消防泵的設置修訂為“消防泵房應設置柴油發(fā)電機，固定式消防系統(tǒng)的備用消防泵應采用柴油機驅(qū)動方式”。
6 控制閥設置位置
大連油庫“7.16”火災事故狀態(tài)下儲罐控制閥失電，無法切斷油源，最終導致了災難性后果。針對儲罐控制閥的安裝位置，國內(nèi)標準中沒有明確規(guī)定，國內(nèi)油庫的設計形式也不一致，大部分設置在防火堤內(nèi)且為手動閥門，例如鄭州站儲罐控制閥安裝在防火堤之外，而垂楊站儲罐控制閥安裝在防火堤之內(nèi)，均存在著安全隱患［11］。
調(diào)研了加拿大Enbridge管道公司，儲罐控制閥一般設置在防火堤之外且為電動閥。因此，建議GB 50074—2014中控制閥的設置修訂為“新建儲罐控制閥應安裝在防火堤外；已安裝在防火堤內(nèi)部的控制閥，電氣控制箱應改造設置在防火堤之外，具備在防火堤外操作的功能，連接纜線應選用耐火耐高溫鎧裝電纜”。
7 儲罐事故排水系統(tǒng)
針對儲罐事故排水系統(tǒng)，GB 50074—2014規(guī)定油庫含油與不含油污水應分流排放，含油污水采用管道排放，雨水可采用明溝排放。GB 50074—2014中提到的“分流制”一詞比較含糊，標準執(zhí)行中容易造成混淆和偏差［12］。國內(nèi)儲罐事故排水系統(tǒng)通常直接和罐區(qū)明溝連接，生產(chǎn)污水和雨水同時排放，如排污系統(tǒng)堵塞或者明溝排污能力有限可能導致污水排入地表水。API 2610—2005《轉(zhuǎn)運油庫和儲罐設計、施工、操作、維護和檢驗》規(guī)定儲罐區(qū)應設計污油封攔系統(tǒng)隔離污油和雨水，例如路緣石或者配管系統(tǒng)。俄羅斯СТГУ15339167—2006《干線原油管道工藝設計規(guī)范》規(guī)定應分別設計生產(chǎn)污水和雨水管道系統(tǒng)，生產(chǎn)污水系統(tǒng)應采用埋地封閉自流式敷設方式，例如連接地下污油罐。РД 13.100.00КТН196—2006《干線石油管道運營的安全性準則》規(guī)定應設計專門的儲罐污水井和雨水排放閥室。
建議GB 50074—2014中排水系統(tǒng)條文修訂為“新建儲罐應分別設計雨水和含油污水排放系統(tǒng)；已建儲罐排污水系統(tǒng)改造為連接污水處理裝置，或者雨水和污水排放系統(tǒng)應獨立設置切換閥，實現(xiàn)分類排放、分級控制。同時做好罐區(qū)和管涵的防滲工作，并將庫區(qū)電纜溝、管涵等用沙填滿，以防事故時油品隨地溝漫流或滲入地下”。
8 防火堤防滲設計
GB 50074—2014僅規(guī)定了儲存對水和土壤有污染的液體覆土臥式儲罐，應按照國家法規(guī)采取防滲漏措施，并具備檢漏功能；對其他類型的儲罐是否進行防滲設計未明確規(guī)定。GB 50351—2014《儲罐區(qū)防火堤設計規(guī)范》規(guī)定防火堤排水溝應采用防滲漏措施，當油罐泄漏物有可能污染地下水或附近環(huán)境時，堤內(nèi)地面應采取防滲漏措施。GB 50351—2014未強制要求進行儲罐防滲設計，也未給出防滲設計要求和具體形式。由于GB 50074—2014和GB 50351—2014對儲罐防滲屬于非強制性要求，國內(nèi)儲罐一般只做罐的基礎防滲檢測，較少進行罐區(qū)地面的防滲設計，一旦發(fā)生儲罐泄漏，可能導致環(huán)境和水體污染［13］。俄羅斯Правила—2004規(guī)定在地表以下至少1m地基處，在合成防滲膜上面填充一層最少150mm厚的碎石，或者填充100mm厚的混凝土。建議GB 50351—2014研究在新建儲罐防火堤內(nèi)應用俄羅斯防滲設計的可行性。
9 結(jié)束語
隨著國內(nèi)油庫建設規(guī)模的不斷擴大，提高儲罐消防和安全系統(tǒng)設計標準成為必然。結(jié)合國內(nèi)油庫安全管理的現(xiàn)狀，并借鑒國外標準先進經(jīng)驗，筆者針對GB 50351—2014需要修訂的條款在文中提出了具體建議，希望對提高國內(nèi)油庫的安全性和應急保障能力有所借鑒。