中美硝酸銨倉庫消防設(shè)計(jì)差異比較研究

朱 毅

(中國(guó)人民警察大學(xué),河北 廊坊 065000)

自1659年J.R.格勞貝爾首次合成硝酸銨以來，硝酸銨作為生產(chǎn)化肥和制造工業(yè)炸藥的重要原料得到了極為廣泛的應(yīng)用。然而由于受熱的極不穩(wěn)定性，硝酸銨儲(chǔ)存過程引發(fā)的重特大爆炸事故時(shí)有發(fā)生，如1922年德國(guó)BASF工廠的硝酸銨倉庫爆炸事故、2013年美國(guó)德克薩斯州的West化肥廠硝酸銨倉庫爆炸事故和2015年天津港“8·12”瑞海物流公司硝酸銨倉庫爆炸事故，這三起事故均造成了大量消防員傷亡[1]。2013年美國(guó)West化肥廠爆炸事故發(fā)生后，美國(guó)消防協(xié)會(huì)(National Fire Protection Association，NFPA)、美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局(Occupational Safety and Health Administration，OSHA)和美國(guó)環(huán)保署(Environmental Protection Agency，EPA)認(rèn)真吸取此次爆炸事故的教訓(xùn)，對(duì)硝酸銨儲(chǔ)存相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急處置指南進(jìn)行了系統(tǒng)修訂[2]。我國(guó)作為全球硝酸銨生產(chǎn)和出口大國(guó)，自2015年天津港“8·12”爆炸事故發(fā)生后，在吸取事故教訓(xùn)和修訂消防技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面處于相對(duì)滯后狀態(tài)。

為此，本文通過對(duì)比我國(guó)硝酸銨倉庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與NFPA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的差異，分析現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在硝酸銨倉庫消防設(shè)計(jì)規(guī)定方面存在的問題，以提高我國(guó)硝酸銨倉庫的消防設(shè)計(jì)水平和監(jiān)管水平。

1 硝酸銨的分類與分級(jí)

純的硝酸銨為白色晶體顆粒，初始熱解溫度為110 ℃左右，在常溫常壓下化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定。但當(dāng)外部環(huán)境溫度上升至170 ℃左右時(shí)，硝酸銨吸熱熔融并發(fā)生熱分解，生成氨氣和硝酸，而硝酸的生成又加速了硝酸銨的熱分解；當(dāng)外部環(huán)境溫度上升到210 ℃左右時(shí)，硝酸銨熱解速度會(huì)進(jìn)一步加快，并放出大量熱量和氧氣；當(dāng)環(huán)境溫度上升到400 ℃左右時(shí)，硝酸銨即會(huì)發(fā)生爆炸，甚至爆轟。尤其是當(dāng)硝酸銨中含有有機(jī)物質(zhì)、金屬雜質(zhì)，或受潮、儲(chǔ)存空間受限，以及火場(chǎng)溫度上升較快時(shí)，其熱解速度和爆炸強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提升[3]。

根據(jù)全球化學(xué)品統(tǒng)一分類和標(biāo)簽制度(Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals，GHS)，當(dāng)硝酸銨類物質(zhì)中硝酸銨的含量超過90%或其他可燃性物質(zhì)的含量超過0.2%時(shí)，該物品為爆炸品。當(dāng)可燃性物質(zhì)或其他有機(jī)物質(zhì)的含量不超過0.2%時(shí)，該物品為氧化性物質(zhì)。對(duì)于化肥類硝酸銨，即使混合物中硝酸銨的含量低于90%，由于仍可以進(jìn)行自持的熱分解，因此歸為雜項(xiàng)危險(xiǎn)物質(zhì)。我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《硝酸銨類物質(zhì)危險(xiǎn)性分類方法》(GB/T 29879—2013),對(duì)硝酸銨的分類與GHS分類是一致的，即分為爆炸品、氧化性物質(zhì)和雜項(xiàng)危險(xiǎn)物質(zhì)三類[4]。《物質(zhì)的危險(xiǎn)性識(shí)別應(yīng)急影響標(biāo)準(zhǔn)體系》(NFPA 704),從健康危害、燃燒危害、熱不穩(wěn)定性和特殊危害等方面將物質(zhì)的危險(xiǎn)性分為4級(jí)[5]，其中將硝酸銨的健康危害、燃燒危害和熱不穩(wěn)定性分別確定為1級(jí)、0級(jí)和3級(jí)，表明硝酸銨的熱不穩(wěn)定性是其主要危險(xiǎn)性。

2 安全間距設(shè)計(jì)對(duì)比分析

Babrauskas統(tǒng)計(jì)了1920—2014年全球發(fā)生的數(shù)百起硝酸銨爆炸事故，結(jié)果表明，硝酸銨爆炸的發(fā)生均是由于外部失控的火災(zāi)所導(dǎo)致[6]。因此，2013年West化肥廠爆炸事故發(fā)生后，NFPA、OSHA和EPA一致認(rèn)為要避免硝酸銨倉庫爆炸的發(fā)生，必須杜絕一切內(nèi)部火源和外部火源向硝酸銨堆垛傳熱。為此，美國(guó)消防研究基金會(huì)(Fire Protection Research Foundation，F(xiàn)PRF)針對(duì)硝酸銨倉庫的防火間距和堆垛間距的確定做了大量全尺寸實(shí)驗(yàn)和定量分析，《危險(xiǎn)性物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(NFPA 400)和《爆炸性物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(NFPA 495)的修訂即是基于這一研究成果[7-9]。需要指出的是，在美國(guó)，上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別適用于氧化性物質(zhì)類硝酸銨和爆炸品類硝酸銨的管理。

表1對(duì)比了NFPA標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在硝酸銨倉庫的防火間距和堆垛間距方面的差異[10-15]。可以看出，NFPA標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)硝酸銨室內(nèi)儲(chǔ)存和室外儲(chǔ)存分別從防火間距和堆垛間距兩方面作出規(guī)定，且不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硝酸銨的儲(chǔ)存要求具有較好的一致性。而我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅對(duì)室內(nèi)儲(chǔ)存進(jìn)行了比較嚴(yán)格的規(guī)定，如《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)規(guī)定的50 m防火間距主要是考慮熱輻射的影響，這與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《危險(xiǎn)貨物集裝箱港口作業(yè)安全規(guī)程》(JT 397—2007)要求的50 m防火間距是一致的。而《危險(xiǎn)化學(xué)品經(jīng)營(yíng)開業(yè)條件和技術(shù)要求》(GB 18265—2000)規(guī)定的1 000 m安全距離則主要是考慮爆炸沖擊波的破壞效應(yīng)。根據(jù)FPRF的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，453.5 t的硝酸銨爆炸后，安全距離大約在1 600 m左右(考慮爆炸沖擊波和爆炸碎片兩種破壞效應(yīng))[8]。因此，從爆炸安全的角度考慮，《危險(xiǎn)化學(xué)品經(jīng)營(yíng)開業(yè)條件和技術(shù)要求》規(guī)定的防爆距離過于保守。

總體來說，我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硝酸銨倉庫防火間距的規(guī)定與一般甲類儲(chǔ)存物品的防火間距并無區(qū)別，沒有充分考慮硝酸銨的特殊危險(xiǎn)性，且這些數(shù)據(jù)普遍大于NFPA規(guī)定的數(shù)據(jù)。不同部門起草的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在硝酸銨堆垛間距的要求上也存在明顯不一致，導(dǎo)致目前我國(guó)硝酸銨倉庫、室外堆場(chǎng)的防火設(shè)計(jì)和監(jiān)管方面比較混亂，給火災(zāi)撲救工作增加了困難。

表1 中美硝酸銨倉庫防火間距與堆垛間距對(duì)比

3 防火分隔設(shè)施設(shè)計(jì)對(duì)比分析

在安全間距滿足要求的前提下，為了阻止外部火源以熱輻射和飛火向倉庫內(nèi)的硝酸銨傳熱，NFPA 400規(guī)定硝酸銨倉庫的地板、墻體和樓板均必須采用不燃性材料或者獨(dú)立式防火墻建造(適用于室外儲(chǔ)存)，且必須滿足至少1 h的耐火時(shí)間，同時(shí)對(duì)建筑高度、墻體開口和樓板的開口部位進(jìn)行了嚴(yán)格限制。盡管《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定甲類倉庫防火墻的耐火極限不低于4 h，但一、二級(jí)耐火等級(jí)倉庫的非承重外墻和隔墻的耐火極限僅要求不低于0.5 h；當(dāng)設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)時(shí)，屋頂承重構(gòu)件的耐火極限不低于1 h，但《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》對(duì)硝酸銨倉庫是否設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)并無明確要求。此外，現(xiàn)行《易燃易爆性商品儲(chǔ)存養(yǎng)護(hù)技術(shù)條件》(GB 17914—2013)規(guī)定爆炸品和氧化性物質(zhì)等易爆性商品應(yīng)分別儲(chǔ)存在一級(jí)輕頂耐火建筑和不低于二級(jí)耐火等級(jí)的庫房?jī)?nèi)，對(duì)墻體的耐火極限亦無明確要求。上述分析表明，現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的墻體和樓板的耐火極限并不能有效阻止倉庫外部火源向硝酸銨堆垛傳熱，因此，即使防火間距滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，硝酸銨仍有發(fā)生爆炸的可能。

4 自動(dòng)噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)比分析

2013年West化肥廠爆炸事故發(fā)生前，NFPA 400僅要求儲(chǔ)量超過2 500 t的硝酸銨倉庫需要設(shè)置自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，但2016年修訂后的NFPA 400取消了儲(chǔ)量這一限制條件，要求全美所有已建和在建的硝酸銨倉庫必須設(shè)置自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。大量研究表明，自動(dòng)噴淋系統(tǒng)對(duì)于控制初期火災(zāi)向硝酸銨堆垛傳熱和降低硝酸銨的熱分解速度極為有效，但必須保證有充足的供水時(shí)間和供水強(qiáng)度[1]。為此，《噴淋系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)》(NFPA 13—2016)根據(jù)硝酸銨外包裝材質(zhì)的火災(zāi)危險(xiǎn)性將硝酸銨倉庫分為I類、II類和III類倉庫，規(guī)定對(duì)應(yīng)類別倉庫的噴淋強(qiáng)度應(yīng)分別滿足20.4 L·min-1·m-2、16.3 L·min-1·m-2和12.2 L·min-1·m-2，連續(xù)供水時(shí)間不應(yīng)小于2 h[16]。

我國(guó)現(xiàn)行《常用化學(xué)危險(xiǎn)品貯存通則》建議在條件允許的情況下，危險(xiǎn)品倉庫噴淋系統(tǒng)的供水強(qiáng)度和連續(xù)供水時(shí)間分別不應(yīng)低于15 L·min-1·m-2和1.5 h[13]。然而，根據(jù)2017年修訂后的《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50084—2017)對(duì)倉庫的火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)劃分要求，硝酸銨倉庫的火災(zāi)危險(xiǎn)級(jí)應(yīng)按II級(jí)對(duì)待，當(dāng)室內(nèi)儲(chǔ)物的高度不超過6 m時(shí)，硝酸銨堆垛的噴水強(qiáng)度和供水時(shí)間應(yīng)分別滿足16 L·min-1·m-2和2 h[17]。可以看出，盡管現(xiàn)行《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》連續(xù)供水時(shí)間與NFPA 400一致，但供水強(qiáng)度較小。尤其是當(dāng)硝酸銨的外包裝材質(zhì)采用麻袋、塑料桶等易燃材料時(shí)，供水強(qiáng)度較小依然無法有效抑制爆炸的發(fā)生。

5 結(jié)語

本文從硝酸銨倉庫的安全間距、防火分隔設(shè)施和自動(dòng)噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面，對(duì)比分析了NFPA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)差異。建議針對(duì)硝酸銨類物質(zhì)倉庫的消防設(shè)計(jì)，將來《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂時(shí)，對(duì)安全間距、防火間距、儲(chǔ)量限制、自動(dòng)噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)作出單獨(dú)規(guī)定，其他部門起草的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》為準(zhǔn)，從而提高我國(guó)硝酸銨倉庫的消防設(shè)計(jì)水平和監(jiān)管水平。