大型浮頂罐區(qū)火災事故風險評估與防范體系研究

大型浮頂罐區(qū)火災事故風險評估與防范體系研究

0浮頂儲罐火災隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展和原油行業(yè)能源儲量的戰(zhàn)略需求，我國石油壇單罐體積和數(shù)量不斷增加，儲區(qū)和儲區(qū)規(guī)模不斷擴大，呈現(xiàn)出大型化和綜合化的特點，各種儲水池同時存在。目前多數(shù)國家采用大型浮頂儲罐進行原油的存儲,我國石油儲備基地(庫)多為單罐容量10×104m3的外浮頂罐,其中最大浮頂儲罐已達20×104m3,區(qū)域總容量已達或超過千萬立方米,如大連大孤山地區(qū)總庫容已達1480萬立方米。由于單罐容積和庫區(qū)規(guī)模的不斷增大,區(qū)域火災爆炸事故風險呈不斷上升趨勢,近年來災難性事故多發(fā),給當?shù)叵啦块T和石化企業(yè)單位的火災預防和撲救帶來新的挑戰(zhàn)。如2010年7月大連中石油國際儲運有限公司石油庫輸油管線發(fā)生爆炸起火,短時間形成多達6×104m2的地面流淌火,嚴重威脅相鄰多個大型易燃易爆物品儲存單位和海港碼頭的安全。此次火災遼寧省共調動14個公安消防支隊和18個企業(yè)專職消防隊,出動了348輛消防車、2380余名消防員,共用消防水6×104t,泡沫滅火劑1000t［1］?？梢?大型浮頂原油儲罐一旦發(fā)生火災事故不易撲救,可能引發(fā)區(qū)域多米諾連鎖事故,后果十分嚴重,對地區(qū)環(huán)境及社會影響巨大。由國際資源保護組織(RPI)負責,BP、Shell等16家石油公司組織開展的LASTFIRE項目表明每年發(fā)生15-20起大型石化儲罐火災事故［2］。2004年瑞典大型儲罐火災滅火模型預測FOAMSPEX項目組統(tǒng)計1950至2003年9月的480起儲罐火災事故,相對涵蓋區(qū)域及儲罐類型最為全面,但也僅限于英文使用國家的事故資料,表明50年來儲罐火災事故總量呈明顯的上升趨勢,尤其是大型儲罐火災事故比例增加［3］。據(jù)國外的529起油罐火災事故統(tǒng)計,從起火原因來看,雷擊起火約為32.5%;從燃燒介質來看,主要是原油約為32.5%,其次是汽油約為27.3%;從起火油罐類型來看,以浮頂儲罐為主(占29.5%),其次是拱頂罐?？梢?大型原油浮頂儲罐是主要防范對象,起火頻率高,災害后果嚴重。我國1982年調查統(tǒng)計儲罐年火災幾率為0.448‰,但近年來隨著儲罐容量和數(shù)量的劇增,油罐火災事故相對多發(fā)。為此,加強大型石油儲罐火災防控措施建設,提高對我國罐區(qū)重特大火災事故風險防范水平和應急救援能力,是目前石油、石化企業(yè)及消防安全管理部門亟待解決的任務。API對1951年至1995年間107起大型儲罐火災事故的統(tǒng)計表明在81起浮頂儲罐單罐火災中浮頂儲罐全表面積火災有22起,占浮頂儲罐單罐火災的27%［4］,若發(fā)生沸溢可能引發(fā)多罐事故。全液面火災是大型原油浮頂儲罐的主要風險之一,是原油儲備庫消防工作的重中之重。我國相關規(guī)范均按環(huán)形密封處的局部火災設防,依據(jù)NFPA、API、BS等國際標準規(guī)范配置了固定式或移動式滅火系統(tǒng),僅是撲救一般規(guī)模的火災,如浮頂儲罐的密封圈火災、小規(guī)模防火堤池火等,而缺少撲救大型儲罐全面積火災的消防能力［5］。2012年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國家發(fā)展改革委員會、工業(yè)和信息化部、住房和城鄉(xiāng)建設部等4部委聯(lián)合發(fā)文《關于開展提升危險化學品領域本質安全水平專項行動的通知》(安監(jiān)總管三87號)指出“推行化工園區(qū)一體化安全管理”,按照規(guī)劃先行、控制容量、統(tǒng)籌協(xié)調、一體化管理的要求,嚴格全面地論證、科學規(guī)劃化工園區(qū),提高園區(qū)的整體風險防范水平。為此,合理規(guī)劃庫區(qū)布置,推進大型罐體本質安全化設計,加強大型油庫火災預測預警及固定式消防系統(tǒng)的消防能力,提高移動式消防設備的配置水平和庫區(qū)消防管理能力,基于火災場景建立大型浮頂原油儲罐全過程風險防范體系具有重要的現(xiàn)實意義。1影響火災場景和風險的因素1.1局部或全輸液火災對于大型外浮頂原油儲罐,依據(jù)火災場景發(fā)生的位置和規(guī)模可分為密封圈火災、浮頂溢油火災、防火堤火災、浮筒爆炸和局部或全液面火災［2］,如圖1所示。其中,密封圈火災是最主要的火災形式,往往先發(fā)生閃爆,雷擊是其引發(fā)的主要原因;局部或全液面火災是指浮盤發(fā)生局部下沉或直接沉盤而形成的液面火災,是撲救難度最大,損失最嚴重的火災事故類型。這些初始火災場景若不能得到很好的撲救和控制,都有可能發(fā)展為全液面火災或多罐火災,LASTFIRE項目中一起密封圈火災升級為全液面火災,浮頂溢油火災發(fā)展為全液面火災的概率非常高,而沸溢導致多罐火災或防火堤火災的概率高達100%。1.2原油儲罐災害機理大型浮頂罐區(qū)火災事故風險與引火源、儲罐故障、儲罐布局、消防系統(tǒng)設施及氣象條件等因素有關。根據(jù)儲罐火災事故統(tǒng)計,引發(fā)儲罐火災的典型點火源有閃電、爆炸碎片、靜電、儲罐上熱作業(yè)、金屬硫化物自燃、火炬濺落物等。其中,閃電是最主要的引火源,LASTFIRE調查報告中62起初始火災由閃電引起的初始密封圈火約占83.9%;靜電是引發(fā)儲罐火災的常見誘因,而動火作業(yè)引發(fā)儲罐火災往往是由于違規(guī)操作造成的［4］。儲罐故障通常表現(xiàn)為油料溢流到浮盤表面或防火堤內(nèi)、密封圈損壞以及浮頂沉盤等,引發(fā)原因如下表所示,其中浮盤過載下沉往往引發(fā)防火堤火災、浮盤溢流火災,甚至全液面火災等,應加強儲罐的本質安全化設計和日常維保管理。儲罐優(yōu)化布局主要是為了防止儲罐間的火災蔓延,引發(fā)原因包括同時引燃、地面流淌火、著火罐沸溢、火焰熱輻射影響以及沸溢、熱輻射等因素的綜合作用等。其中,地面流淌火危害巨大且難以撲滅,引發(fā)鄰罐事故概率基本上是100%;沸溢是原油儲罐火災事故中最為嚴重的事故模式,防火堤火災、局部或全液面火災主要是熱輻射影響鄰罐安全,而多罐火災往往是熱輻射、沸溢和地面流淌火等多因素綜合作用的結果。儲罐布局主要是基于風險分析合理確定儲罐間的防火間距以及與鄰近企業(yè)單位的安全間距,楊國梁［6］建立了儲罐失效風險計算模型,基于風險給出了大型原油儲罐防火間距的確定方法。罐區(qū)火災探測預警系統(tǒng)有助于降低初期火災場景發(fā)生頻率,針對各種場景的滅火系統(tǒng)設施有助于降低初期火災場景的升級概率,通常罐區(qū)消防系統(tǒng)設施的可靠性可達95%。罐區(qū)氣象條件,主要是風速、風向對局部或全液面火災、防火堤內(nèi)池火災熱輻射距離的影響。同時,較大的外界風力易吹散泡沫,雨水也有稀釋作用,從而影響泡沫滅火效果。1.3罐區(qū)防火間距和耦合系統(tǒng)設置影響罐區(qū)初期火災場景升級的風險因素主要包括密封圈性能、浮頂類型及配件、儲罐間距、儲罐運行條件及附件、防火堤及布局、油料性質、消防系統(tǒng)作用及環(huán)境影響等。密封圈性能完好可以有效減少形成爆炸性混合氣氛的概率,進而降低引發(fā)火災的風險。LASTFIRE事故調查報告也指出,浮盤排水管路故障和大雨后過載是造成沉盤事故的主要原因。正確操作和維護浮頂支架非常必要,可有效降低浮盤下沉事故和由于腐蝕而導致的支架故障風險。合理的儲罐防火間距可以防止全液面火災的火焰與鄰罐接觸,確保消防和疏散通道通暢,從而有效降低火焰熱輻射導致的多罐事故風險。儲罐的運行條件和附件狀況對預防火災場景升級具有重要的作用,如儲罐泡沫噴口故障導致密封圈火災升級為全液面火災的案例。對于沸溢性原油的大型浮頂儲罐應單個一個隔堤,且防火堤的設置便于消防力量布置和人員進出。罐區(qū)的風向、風速可能影響火焰的蔓延方向和蔓延速度,增加鄰罐被引燃的風險,同時對泡沫也有吹散稀釋作用,影響罐體滅火效果。儲罐油料性質對火災場景升級的主要影響是其揮發(fā)性、沸程和水層。罐區(qū)的消防系統(tǒng)對預防和減緩火災場景升級至關重要,通常罐區(qū)固定式泡沫滅火系統(tǒng)可以成功撲滅90%的密封圈火災,泡沫的流動性、抗燃燒性和析液時間、發(fā)泡倍數(shù)是有效滅火的關鍵指標,但過量的泡沫可能使浮盤發(fā)生傾斜而引發(fā)事故升級。若引發(fā)全液面火災,將油料導出是降低火災場景升級的有效方法之一,但也可能導致沸溢提前發(fā)生。通過罐區(qū)多種先進消防技術的綜合使用,采用合適的影響火災場景升級的風險控制措施、良好的火災事故應急處置機制以及有效的滅火方式,能夠將罐區(qū)火災傷亡損失降到最低。1.4事故場景評估基于火災場景的大型浮頂罐區(qū)火災風險評估,主要是辨識火災場景及發(fā)生頻率f、確定不同火災場景的后果危害程度及影響范圍C,進而確定罐區(qū)火災場景的固有風險R1;若可以確定罐區(qū)消防系統(tǒng)預防初期火災事故升級影響因子F,進而評估罐區(qū)現(xiàn)實火災風險R2,評估框架如圖2所示。LASTFIRE項目給出了初始密封圈火災、初始浮頂溢油火災、初始防火堤火災和初始全液面火災的發(fā)生頻率分別為1.6×10－3/罐年、3.0×10－5/罐年、1.5×10－4/罐年和3.0×10－5/罐年。罐區(qū)火災事故場景后果可以采用經(jīng)驗公式計算或數(shù)值模擬,進而確定其傷害、死亡半徑及輻射損壞距離,如FDS、SAFETI和AN-SYS［7］等。對于多罐及罐區(qū)、庫區(qū)的區(qū)域火災風險評估可采用個人風險和社會風險計算［8］、火災風險嚴重度指數(shù)評估等方法。罐區(qū)消防系統(tǒng)預防初期火災事故升級影響因子F由火災預測預警系統(tǒng)初期火災發(fā)生頻率降低因子、初期火災場景升級條件概率和消防系統(tǒng)發(fā)揮作用可靠性因子等因素確定。2基于火災風險的預防對策2.1以全過程火災風險防范體系為核心的疫情防控技術鑒于上述大型浮頂罐區(qū)火災場景及發(fā)展模式、火災風險影響因素及區(qū)域火災風險評估,基于火災風險分析構建了全過程火災風險防范體系,包括庫區(qū)評估規(guī)劃、罐體本質安全化設計、庫區(qū)火災預防與撲救、罐區(qū)火災事故管理等5個方面(見圖3),形成面向庫區(qū)全過程的火災風險防范體系,在各項防控措施效益與實際減緩風險之間保持合理的平衡,持續(xù)改進確定最佳的火災風險防范系統(tǒng)和管理模式。2.2園區(qū)消防規(guī)則大型浮頂罐庫區(qū)評估規(guī)劃是指基于區(qū)域性火災風險評估分析,合理規(guī)劃庫區(qū)及園區(qū)儲罐布局,主要涉及罐體防火間距、防火堤容積、園區(qū)消防給排水配置和周鄰安全距離等,評估儲罐多米諾事故影響,合理確定園區(qū)火災風險容量,優(yōu)化庫區(qū)整體布局。園區(qū)消防規(guī)則內(nèi)容主要包括防火隔離帶和疏散避難設施及防災緩沖區(qū)設置、園區(qū)消防給排水、監(jiān)控預警及消防通信等。常用的消防安全規(guī)劃方法主要有安全距離法、基于后果的方法、基于風險的方法和半定量方法四類。2.3油罐防火間距設計的必要性大型浮頂罐本質安全化設計是指規(guī)范化儲罐設計、安裝及驗收標準,采用先進的浮盤密封和防雷技術措施,降低靜電、違規(guī)操作等引發(fā)火災的風險,提高罐體及庫區(qū)本質安全等級。油罐大型化發(fā)展導致罐體焊縫越來越長,增大了油罐基礎發(fā)生不均勻沉降和焊縫破裂的機率。同時,由于含硫原油,特別是高硫原油的增多,油罐腐蝕也越來越嚴重,存在大型油罐發(fā)生大量油品泄漏的隱患。針對這些問題應采取本質安全化設計,而合理的防火間距設計也是減少火災蔓延的本質安全化體現(xiàn)。油罐一次密封和二次密封部件、油罐攪拌器、浮盤的電氣連接和盤梯等附件的可靠性設計對儲罐日常安全運行起關鍵作用。此外,采用耐沖擊的防火堤,或提高罐組周圍路面的高度,作為油罐組的第二道防線,可降低油料大量泄漏防火堤被沖毀風險。此外,建議對工藝過程和設備設施進行HAZOP分析,杜絕火災隱患和減少設計缺陷。2.4浮頂罐區(qū)內(nèi)部監(jiān)控設施庫區(qū)的火災預防技術措施主要包括火災預測預警系統(tǒng)、可燃油氣濃度探測、油料泄漏探測、液位溫度監(jiān)測、防雷預警技術和快速切斷堵漏技術等。通常油罐上設置火災自動探測裝置,如二次密封圈上面間距不大于3m的光纖感溫探測器,主要用于密封圈火災場景,也可采用熱成像儀或視頻圖像對整個浮盤區(qū)進行監(jiān)控。罐區(qū)很少安裝油料泄漏探測系統(tǒng),如密封圈處的紅外可燃氣體探測器、浮盤表面溢油光纖探測器等,也可在浮盤排放系統(tǒng)、罐底和廢液等位置安裝泄漏油料探測裝置,可降低0.15%-0.25%的浮頂溢油火災、防火堤火災和全液面火災的發(fā)生頻率。同時,應提高探測預警系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。大型浮頂罐區(qū)消防控制系統(tǒng)通常采用DCS控制,可在消防控制室設置PLC和消防輔助操作臺,用以確保在DCS失靈時的后備操作?；?G信息技術與遠程信號動態(tài)監(jiān)測技術,實施實時監(jiān)測監(jiān)控與分析罐區(qū)工藝設施狀態(tài)參數(shù),融合監(jiān)測預警與火災場景風險預測模擬,實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化決策、應急聯(lián)動等功能,以提高罐區(qū)火災先期征兆預測預警與防范技術能力。2.5火災場景下的滅火策略罐區(qū)火災撲救主要是針對密封圈火災、防火堤火災、流淌火及全液面火災場景等采取針對性的滅火系統(tǒng)設施和撲救戰(zhàn)略戰(zhàn)術。國內(nèi)罐體通常按密封圈火災設防罐壁式泡沫滅火系統(tǒng),阿聯(lián)酋某直徑150m原油儲庫,采用大流量泡沫炮按全液面火災設防,運行費用較高。LASFTFIRE項目案例分析表明,對于直徑80m的大型儲罐密封圈火災、全液面火災、防火堤火災等泡沫滅火系統(tǒng)的可靠性達0.95,與一次性密封圈火災氣體滅火系統(tǒng)和水噴淋冷卻系統(tǒng)的可靠性相當,而消防炮系統(tǒng)的可靠性為0.75［9］。同時,英國BP石油公司的研究報告也顯示,成功撲滅大直徑油罐全液面火災需要依靠大流量噴射設備和經(jīng)過良好訓練的消防隊員,且選取優(yōu)化的撲救策略［2］。大流量、遠射程的消防裝備是撲救大型浮頂罐區(qū)災難性火災的必備武器,采用水源泵與大流量遠射程拖車炮相結合的遠程供水系統(tǒng)和高效能滅火劑,被證明是撲救大型儲罐火災的有效方法。針對大型浮頂罐典型火災場景采取優(yōu)化的滅火策略也是成功撲救災難火災的關鍵環(huán)節(jié)。依據(jù)消防資源的充足有效性,消防人員熟悉裝備、藥劑和滅火程序的程度,可分為主動策略、防御策略和保守策略。其中,密封圈火災通常采用固定式泡沫滅火系統(tǒng)和便攜式移動消防設備,若起火弧度較短可采用滅火器或泡沫噴槍撲滅;防火堤火災要防止周鄰罐被引燃,隔離泄漏源,啟動固定式泡沫系統(tǒng)和移動式消防泡沫和便攜式噴槍等。全液面火災的滅火策略如下:(1)停止火災影響儲罐的一切操作;(2)確保儲罐能容納噴射的泡沫量;(3)啟動泡沫系統(tǒng),持續(xù)供給泡沫混合液;(4)火勢平穩(wěn)前準備使用消防炮來輔助撲救;(5)盡可能將儲罐內(nèi)的油料降至最低。2.6儲罐火災應急管理系統(tǒng)罐區(qū)火災事故管理主要是火災事故管理系統(tǒng)FIMS和事故指揮系統(tǒng)ICS［4，10］,也涉及罐體的安裝運行維護規(guī)程、泄漏檢測和淸罐操作要求以及火災防范指南等。罐區(qū)火災事故管理系統(tǒng)涉及設備設施調查統(tǒng)計、可能火災事故場景描述、現(xiàn)有消防力量評估、火災預防及撲救策略、基于火災場景的撲救預案和制定滅火