油罐區火災風險預測模型初探

摘要：石油生產中的物料往往具有易燃、易爆、腐蝕、毒害等危險性，這些潛在的危險性決定了在生產、運輸、儲存、使用等各個環節中必須嚴格管理。稍有不慎就會釀成重大事故，給人們的生命財產造成破壞和損失。油罐區占地面積大，收發作業頻繁，設備檢維修頻次多，作為石油及產品的主要儲存區域，擔負著液態油品和可燃氣體的收發儲存任務。大量事故案例表明，火災爆炸事故是易燃易爆液體儲罐區多發事故。通過對油罐火災的實驗研究和數值模擬研究，能夠得到油罐火災發生時燃燒特性的變化趨勢、著火罐周圍的輻射熱場分布規律、以及相鄰罐所受的影響。

關鍵詞：易燃易爆 火災 預測模型

原油在儲存過程中的危險因素較多，原油的閃點范圍比較寬，在發生火災時，熱波現象明顯，很容易產生突沸現象。原油罐區的風險特征主要在于跑、冒、滴、漏及火災、爆炸等。原油的特性決定了火災爆炸危險性是大型原油儲罐最主要也是最重要的危險因素。發生著火事故的三個必要條件為：著火源、可燃物和空氣。著火源的問題主要是通過加強管理來解決，可燃物泄漏問題則必須在儲罐設計過程中加以預防和控制。泄漏的原油暴露在空氣中，即構成可燃物。原油泄漏，在儲運中發生較為頻繁，主要有冒罐跑油，脫水跑油，設備、管線、閥件損壞跑油，以及密封不良造成油氣揮發，另外還存在著罐底開焊破裂、浮盤沉底等特大型泄漏事故的可能性。腐蝕是發生泄漏的重要因素之一。國內外曾發生多起因油罐底部腐蝕造成的漏油事故。對原油儲罐內腐蝕情況初步調查的結果，罐底腐蝕情況嚴重，大多為潰瘍狀的坑點腐蝕，主要發生在焊接熱影響區、凹陷及變形處，罐頂腐蝕次之，為伴有孔蝕的不均勻全面腐蝕，罐壁腐蝕較輕，為均勻點蝕，主要發生在油水界面，油與空氣界面處。相對而言，儲罐底部的外腐蝕更為嚴重，主要發生在邊緣板與環梁基礎接觸的一面。

浮盤沉底事故是浮頂油罐生產作業時非常忌諱的嚴重惡性設備事故之一。該類事故的發生，一方面反映了設計、施工、管理等方面的嚴重缺陷，另一方面又將造成大量原油泄漏，嚴重影響生產、污染環境并構成火災隱患。

罐區的主要突發性風險事故分為泄漏和火災2種類型。泄漏事故分4種情況：①輸油管泄漏；②人孔、閥門、法蘭密封不良泄漏；③槽車閥門沒關或者內漏(這3種情況，如果正常巡檢，及時發現，泄漏量不會太大)；④罐體破裂(這是難以控制，也是最惡性的泄漏事故)。罐區火災也有4種情況：①儲罐為靜止罐的情況下著火；②罐內著火；③罐頂因爆炸被炸開，火勢異常猛烈；④罐體爆裂，火勢除在罐體內燃燒外，還隨著油品的外溢四處蔓延。對于大型浮頂罐來說，其潛在的主要事故風險有3種：①罐體開裂，導致大量油品瞬時外溢，遇到火源發生燃燒或爆炸事故；②密封環處的局部火災。目前大型外浮頂油罐普遍采用鋼制雙盤或者浮船式浮頂。正常情況下浮頂與油品接觸，罐內幾乎沒有氣相空間。這類油罐的火災形式通常表現為密封環處的局部火災；③全面積敞口火災。

總體來講，研究火災的發生、發展規律，預測其危險性是有效預防和撲滅油罐火災的關鍵，目前的研究方法主要有模型實驗與計算機模擬兩種方法。模型實驗般是指對各種實際火災情況進行實體(fultscale)試驗，或按比例縮小尺寸(smallscale)的燃燒試驗。它是火災科學理論研究的基本方法和手段，既可用于研究火災的規律，驗證各種影響因素之問的關系，同時也可為數學模型提供基本的數據。計算機模擬就是在描述火災過程的各種數學模型的基礎之上，分析研究火災的發生、發展，煙氣的蔓延規律以及火災對周圍環境的作用。計算機模擬可以大大節省研究和測試費用。同時町通過設定多種火災場景進行重復的模擬和演算。

油罐火災的實驗研究國內外均已經開展了幾十年，從Blinov和Khudiakovl211957年首次開展實驗研究以來，國外發達國家，比如美、日、英、西班牙等都進行了有關石油產品火災的實驗研究，并取得了些應用的成果。研究主要集中在以下幾個方面：油品的燃燒速度，火焰高度、火焰溫度、燃料表面的熱量傳遞、火焰對周圍環境的熱輻射強度以及燃燒產物的濃度和煙霧的產生特性等。國內的一些研究機構也進行了相關研究，比如天津消防研究所、火災科學國家重點實驗室等，在“九五”科技攻關項目中對揚沸火災、管道泄漏火災等進行了實驗研究。其中天津消防科學研究所在1987年曾對100m3和5000m3的油罐開展過原油的燃燒及滅火試驗，取得了一些有價值的試驗數據和研究成果，但其主要目的還是驗證氟蛋白滅火劑的效果。

綜上所述，可以看出國內外的實驗研究的燃料主要是原油、煤油和烴類燃料(比如丙烷、庚烷等)，而對危險性同樣大的汽油和柴油，相關的實驗研究較少。而且國內的油罐火災實驗很少，相應的實驗數據比較缺乏。在以前的實驗研究中，著火罐對相鄰罐的影響，相鄰罐上壁溫的變化及其所受輻射熱的大小都很少涉及。因此，研究汽油和柴油罐燃燒時的燃燒特性和其輻射分布規律，探討相鄰罐在著火罐燃燒時所受的影響，是很有意義的。

油罐的實驗研究可以獲得油罐火災發生時，其特性參數的真實變化。但由于油罐火災研究具有特殊性，加之資金、安全、環保等因素的限制，直接進行大型實驗是非常困難的。另外由于油罐火災受到氣候和環境的影響使實驗重復性較差，難以獲得一致的結果，而且實驗結果在利用相似理論進行推廣的過程中，常常得不到滿意的效果。所以近幾年來隨著計算機技術的飛速發展，應用計算機來模擬油罐火災的發展過程和火災對環境的影響已成為更為可行的手段。

計算機模擬的關鍵在于建立可以準確描述火災現象及其發展過程的數學模型，常被稱為“火災模型”。現在常用的火災模型有兩種：區域模型(ZoneModel)和場模型(FieldModel，也稱為CFD模型)。區域模型把所研究的受限空間劃分為不同的控制容積(即區域)，并且假定各個控制容積內的參數(如溫度、壓力、密度等)是均勻的，在每個區域內分別運用質量、能量和動量守恒的原理，用數學分析方法來描述火災過程。場模擬的理論依據是自然界普遍成立的質量守恒、動量守恒、能量守恒以及化學反應定律等，且建立了火災各主要分過程的理論模型，主要是受浮力影響的湍流模型、湍流燃燒模型、輻射換熱模型和碳黑模型等，組成了一個封閉的基本方程組。然后將研究對象劃分為數以力計的控制體，在控制體中通過數值求解這些方程組來獲取所求參數以了解火災的發展過程。與此同時，目前并沒有專門針對油罐燃燒的火災場模型。為了利用場模型來研究油罐火災的燃燒特性和輻射規律，作者通過查閱大量的文獻，搜集了當前最新的17種場模型。

各軟件的應用場合是有差異的。通過比較我們發現，SoFIE、RMFIRE、MEFE、KOBRA．3D、KAMELEONFireEx、SMARTFIRE、ModifiedUNDSAFE等七個模型主要是用來模擬室內火災的；SOLVENT模型用來模擬隧道火災：通用軟件STAR—CD主要用在模擬建筑火災和內燃機的計算方面；SPLASH則是用來模擬水噴淋系統和火災煙氣的交互作用，FIRE模型盡管可以模擬油罐火災，但是它現在還沒有發展成熟，只是一種研究模型。經分析認為，模型ALOFGFT、FDS、CFX、FLuENT、PHOENICs、JASMINE等六種軟件可用于模擬油罐火災。通過對油罐火災的實驗研究和數值模擬研究，能夠得到油罐火災發生時燃燒特性的變化趨勢、著火罐周圍的輻射熱場分布規律、以及相鄰罐所受的影響。

參考文獻：

［1］《中華人民共和國消防法》。

［2］《建筑設計防火規范》。