儲罐消防和安全系統設計標準探討
轉載：
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(zhù)中國油庫建設規模的不斷擴大，為保障石油戰略?xún)鋷斓陌踩?，對儲罐消防和安全系統應采用更高等級的設計標準。為防范儲罐安全事故，實(shí)現儲罐“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(dòng)力源、控制閥位置、事故排水系統和防滲等關(guān)鍵技術(shù)，并就此介紹了國外標準的先進(jìn)經(jīng)驗和推薦做法。結合實(shí)際案例，對GB 50074—2014《石油庫設計規范》中相關(guān)內容提出了建議，對于提高國內油庫的安全可靠性和應急保障能力具有指導意義。
關(guān)鍵詞：儲罐 消防系統 防火堤 消防泵 控制閥
目前，中國大型原油戰略?xún)鋷烊萘恳堰_7×106 m3，單個(gè)儲罐最大容量達2×105 m3，如何保障儲備庫的安全至關(guān)重要［1］。儲罐一旦發(fā)生火災爆炸事故，會(huì )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(wàn)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(shí)施，加大了石油行業(yè)重大安全事故的問(wèn)責追究力度［3］。
隨著(zhù)國內油庫建設規模的不斷擴大，運行的安全風(fēng)險也在增大，儲罐消防和安全系統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(shí)、缺乏大功率移動(dòng)式消防設備、應急演練不到位等現象［4］。為從根源上防止儲罐惡性事故發(fā)生，實(shí)現儲罐“本質(zhì)安全”，針對儲罐消防和安全系統的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，介紹了國外標準先進(jìn)的經(jīng)驗和推薦做法，對GB 50074—2014《石油庫設計規范》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，目前國內標準與國外標準存在較大的差異。
1） GB 50074—2014規定：“著(zhù)火的固定頂儲罐和內/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的固定頂儲罐和內浮頂罐的消防冷卻水最小供給時(shí)間不小于9h，其他儲罐不小于6h。
2） API RP 2001—2012《煉油廠(chǎng)消防規程》規定：“消防水罐的供給時(shí)間應滿(mǎn)足4～6h”。按照煉油廠(chǎng)不同類(lèi)型場(chǎng)所的危險程度，規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值遠高于國內標準，見(jiàn)表1所列。
以大連“7.16”油庫火災事故為例，對著(zhù)火儲罐滅火的同時(shí)，冷卻臨近受到威脅的6座儲罐及輸油管道，滅火用時(shí)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(shí)間也均高于GB 50074—2014的規定［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范規定的設計用量的2倍以上，以增加泡沫液的供給強度和供給時(shí)間，保證在火場(chǎng)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(shí)，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補水，同時(shí)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規定：“著(zhù)火的固定頂儲罐以及距離著(zhù)火儲罐罐壁1.5倍直徑范圍內的相鄰儲罐應同時(shí)冷卻，當相鄰的儲罐超過(guò)3座時(shí)，按其中較大的3座相鄰儲罐計算冷卻水量；著(zhù)火的內/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(guò)程的數值，結論是： 在無(wú)風(fēng)或微風(fēng)情況下，浮頂罐無(wú)須冷卻；在有風(fēng)狀態(tài)下，應冷卻位于下風(fēng)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(shí)應立刻外輸油品，并對其進(jìn)行水噴淋，同時(shí)水噴淋冷卻鄰近罐。以大連“7.16”油庫火災事故為例，在對著(zhù)火儲罐滅火的同時(shí)，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(zhù)火浮頂罐可不冷卻的規定也與實(shí)際消防要求有差距［2］。此外儲罐滅火后，還應向著(zhù)火儲罐繼續噴射泡沫混合液，在避免油氣揮發(fā)的同時(shí)，冷卻罐壁，使著(zhù)火儲罐降至室溫。
國外標準針對儲罐發(fā)生火災時(shí)相鄰儲罐的冷卻比較謹慎，儲罐一般不設計專(zhuān)用的消防水冷卻系統。泡沫消防系統和消防水系統應側重于撲滅著(zhù)火儲罐，僅利用移動(dòng)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(diǎn)液體的儲罐罐壁受熱，則應立即冷卻該儲罐；通過(guò)頻繁地從遠處施放水流進(jìn)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《易燃和可燃液體規范》則認為：“在儲罐發(fā)生火災時(shí)，如用水冷卻臨近儲罐，可能會(huì )影響著(zhù)火儲罐的滅火”。
針對著(zhù)火儲罐的臨近儲罐冷卻問(wèn)題，國內外標準存在差異。國內標準考慮浮頂罐本質(zhì)安全性高于固定頂儲罐，因此規定著(zhù)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(pán)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(wèn)題［7］。由于國外儲罐安全距離較大，例如NFPA 30—2012規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(zhù)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(guān)研究表明，儲罐罐體可長(cháng)時(shí)間承受的火焰輻射熱強度為24kW/m2，建議進(jìn)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；根據油庫中儲罐數量、布置形式、儲罐罐壁間距離、浮盤(pán)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(shí)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(zhù)火儲罐，避免油品泄漏范圍擴大，減少事故損失［8］。
3.1國內標準
1） GB 50074—2014要求隔堤應采用阻燃材料建造的實(shí)體墻，隔堤高度宜為0.5～0.8m，隔堤內沸溢性液體儲罐的數量不應多于2座，隔堤內非沸溢性液體儲罐的數量不應超過(guò)下列規定：
a) 單罐容量不小于5×104m3，1個(gè)隔堤內儲罐數量不應多于1座。
b) 單罐容量不小于2×104m3且小于5×104m3，1個(gè)隔堤內儲罐數量不應多于2座。
c) 單罐容量不小于5×103m3且小于2×104m3，1個(gè)隔堤內儲罐數量不應多于4座。
d) 單罐容量小于5×103m3，1個(gè)隔堤內儲罐數量不應多于6座。
2） 國內油庫在同一個(gè)儲罐組內最多可布置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(gè)儲罐發(fā)生火災時(shí)，兩側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(huì )威脅隔堤內其他儲罐。
3.2 國外標準
1） NFPA 30—2012規定每個(gè)防火堤內如有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(gè)儲罐的容量大小，儲罐盡可能位于隔堤中間區域，以便充分利用有效空間，隔堤高度應小于0.45m。
b) 防火堤內如果有2個(gè)或者2個(gè)以上儲罐，且每個(gè)儲罐直徑均超過(guò)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(xiàn)石油管道、油庫和儲罐的運行技術(shù)規程》和Правила—2004《儲罐技術(shù)運行規程》規定單個(gè)儲罐的容積大于2×104m3應設隔堤，或者2個(gè)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(guò)設置隔堤，可實(shí)現1×104m3及以上單個(gè)儲罐的安全防護。建議GB50074—2014在修訂時(shí)考慮儲罐隔堤的設置原則，即1×104m3及以上單個(gè)儲罐均應設置隔堤，隔堤內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］。國內外普遍公認的防火堤應滿(mǎn)足以下設計要求：
1） 防火堤結構。相對鋼筋混凝土堤或磚石（漿砌石）結構，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(shí)罐內液體的沖擊載荷。
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(shí)，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1個(gè)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規定防火堤有效容量不應小于罐組內1個(gè)最大儲罐的容量。
5 備用消防泵的驅動(dòng)方式
大連油庫“7.16”事故初期火災并不大，但站場(chǎng)供電電纜遭到了破壞，導致無(wú)備用電源的消防系統癱瘓，造成火災進(jìn)一步擴大。GB 50074—2014規定石油庫的消防水泵有2個(gè)獨立電源供電時(shí)，主泵應采用電動(dòng)泵，備用泵可采用電動(dòng)泵或柴油機泵；只有1個(gè)電源供電時(shí)，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。
國內油庫目前的做法：在滿(mǎn)足雙電源的情況下，消防工作泵、備用泵的驅動(dòng)方式均選擇電機驅動(dòng)；在不具備雙電源的情況下，工作泵、備用泵均選擇柴油機驅動(dòng)。由于國內油庫消防泵一般為雙路交流供電，一旦站場(chǎng)停電，消防泵將無(wú)法啟動(dòng)。
國外使用柴油或丙烷為燃料的發(fā)電機快速啟動(dòng)消防泵，規定柴油機油料儲備量應滿(mǎn)足消防泵連續運轉時(shí)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動(dòng)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，固定式消防系統的備用消防泵應采用柴油機驅動(dòng)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(wú)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，國內標準中沒(méi)有明確規定，國內油庫的設計形式也不一致，大部分設置在防火堤內且為手動(dòng)閥門(mén)，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，均存在著(zhù)安全隱患［11］。
調研了加拿大Enbridge管道公司，儲罐控制閥一般設置在防火堤之外且為電動(dòng)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(xiàn)應選用耐火耐高溫鎧裝電纜”。
7 儲罐事故排水系統
針對儲罐事故排水系統，GB 50074—2014規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，標準執行中容易造成混淆和偏差［12］。國內儲罐事故排水系統通常直接和罐區明溝連接，生產(chǎn)污水和雨水同時(shí)排放，如排污系統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《轉運油庫和儲罐設計、施工、操作、維護和檢驗》規定儲罐區應設計污油封攔系統隔離污油和雨水，例如路緣石或者配管系統。俄羅斯СТГУ15339167—2006《干線(xiàn)原油管道工藝設計規范》規定應分別設計生產(chǎn)污水和雨水管道系統，生產(chǎn)污水系統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(xiàn)石油管道運營(yíng)的安全性準則》規定應設計專(zhuān)門(mén)的儲罐污水井和雨水排放閥室。
建議GB 50074—2014中排水系統條文修訂為“新建儲罐應分別設計雨水和含油污水排放系統；已建儲罐排污水系統改造為連接污水處理裝置，或者雨水和污水排放系統應獨立設置切換閥，實(shí)現分類(lèi)排放、分級控制。同時(shí)做好罐區和管涵的防滲工作，并將庫區電纜溝、管涵等用沙填滿(mǎn)，以防事故時(shí)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，應按照國家法規采取防滲漏措施，并具備檢漏功能；對其他類(lèi)型的儲罐是否進(jìn)行防滲設計未明確規定。GB 50351—2014《儲罐區防火堤設計規范》規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(shí)，堤內地面應采取防滲漏措施。GB 50351—2014未強制要求進(jìn)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，國內儲罐一般只做罐的基礎防滲檢測，較少進(jìn)行罐區地面的防滲設計，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應用俄羅斯防滲設計的可行性。
9 結束語(yǔ)
隨著(zhù)國內油庫建設規模的不斷擴大，提高儲罐消防和安全系統設計標準成為必然。結合國內油庫安全管理的現狀，并借鑒國外標準先進(jìn)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，希望對提高國內油庫的安全性和應急保障能力有所借鑒。