石油化工儲罐消防水系統失效特性研究

張 琰 左東興

（1.應急管理部天津消防研究所，天津 300381；2.中國石油天然氣股份有限公司 安徽銷售倉儲分公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

我國對石油化工原料的需求日益增多，大型石油化工產品儲庫也相繼建立，隨著大型石油化工儲罐的投產運營，各類安全問題也逐漸暴露并引起較大的安全事故，如2010年廣東省惠州油罐火災事故、2011年中石油大連新港油罐著火事故和2014年中石油大連石化公司三苯罐區爆炸等，造成大量的人員傷亡和經濟損失。石油化工園區消防系統是撲救火災和防止火災形勢擴大的關鍵防線[1]，研究消防系統失效概率和失效原因能夠準確定位系統的薄弱點，使消防系統日常維護有的放矢，在儲罐本質安全上實施改進措施，以防范火災事故發生。

1 消防給水系統失效概率類型分析

1.1 消防給水系統失效概率

消防給水系統是整個消防系統的核心，消防水系統一旦失效，石油化工園區的火災形勢將持續擴大。本文通過梳理國內外93個石油化工儲罐火災案例，分析和歸納了罐區消防水系統失效的原因。所分析的石油化工儲罐火災事故中，一部分的消防給水系統仍能正常工作，能夠為下一步的滅火和儲罐冷卻工作貢獻力量。但是在一些事故案例中，存在消防給水系統失效的情況[2]。在分析的案例中，消防給水系統失效的案例有32個，占總事故數的34%，如圖1。消防給水系統失效的主要原因表現為：消防工程設計本身存在設計缺陷或施工缺陷，如消火栓數量不足或消火栓距離著火儲罐距離較遠；火災或爆炸導致給水系統不能正常工作，如某次事故中爆炸導致電力系統失效，泵房不能供水、泡沫等；偶然因素導致消防給水系統癱瘓，如停電或設備正處于維修狀態使得消防泵不能供水等[3]。

圖1 消防給水系統失效比例Fig.1 Failure ratio of fire water supply system

1.2 不同儲罐類型分析

消防給水系統失效的案例共32個，按照儲罐類型進行分類。其中固定頂儲罐11例，占比34.4%，外浮頂罐7例，內浮頂罐7例，臥式儲罐2例，管道失效1例，另外還有4例儲罐因資料不全而不能確定儲罐類型，其比例如圖2。由圖2可以得知，固定頂儲罐的消防水系統失效概率最高，其次是外浮頂罐和內浮頂罐。原因分析：一般情況下，固定頂儲罐發生事故時爆炸的概率大于外浮頂罐和內浮頂罐，當儲罐發生燃燒或爆炸時，固定頂罐的罐頂容易被掀翻而造成罐頂的固定滅火系統失效；與固定頂儲罐相比，外浮頂儲罐發生事故時，消防給水系統失效的概率較低[4]，在火災快速撲滅的6個案例中，其中5個屬于外浮頂罐。

圖2 消防給水系統失效的儲罐類型Fig.2 Type of tank where fire water supply system fails

2 消防給水系統各部件失效分析

石油化工儲罐消防給水系統包含結構水源、消防水泵房、供水管網、消火栓和冷卻水系統5個部分，如圖3。本文將從消防給水系統的5個部分分析消防給水系統的失效原因。給水系統失效的案例中，同一事故可能會出現兩個或兩個以上部件失效的情況，經匯總分析得到，水源不足的案例占15例，泵房失效占10例，冷卻水系統失效占8例，消火栓失效共4例，供水管網失效共3例，各部分占總消防給水系統失效總量的比例，如圖4。

圖3 消防給水系統的構成Fig.3 Composition of fire water supply system

圖4 消防給水系統各部分失效比例Fig.4 Failure ratio among fire water supply system

2.1 水源

水源是消防給水系統的關鍵，消防滅火戰斗中水源的缺乏將導致滅火系統和冷卻系統的癱瘓。在消防給水系統失效案例中，水源不足在給水系統失效案例中所占比例最高，占比約38%。經過分析發現，水源不足主要表現為：儲罐區內沒有設置消防水源或違規將消防水罐改造為儲油罐，此種情況多出現在小型石油化工儲罐區或油田開采過程中的小型中間儲罐；水源設計不合理導致取水困難、水源總量不足或水源距離失火儲罐距離較遠等原因，如某儲罐火災案例中，化工儲罐區將臨近河流作為消防水源，但火災事故發生時消防車等取水設備無法停靠河邊而不能取水，延誤滅火進度；疏于管理，消防水池缺水或故障不能投入使用，事故案例中多次出現此種情況。

在快速撲滅火災的成功案例中，也多次強調了消防水源的重要性，充足的水源是滅火的根本保障。除合理設計消防水源、按時檢查系統完備性以外，可以聯合市政、消防、公安等各部門力量，暫時關閉市民用水，保證消防供水壓力等。

2.2 水泵房

消防水泵房是消火栓供水、罐區冷卻系統以及其他滅火系統的“心臟”，是整個石油化工罐區消防系統中最重要的動力源。在滅火過程中從消防水池內取水，泵房為消防水提供足夠的壓力，消防泵將水輸送到消火栓或冷卻水系統中。在事故案例中消防水泵房失效比例約占24%，泵房的失效主要表現為：雷電或電網故障等造成停電，泵房癱瘓；泵自身故障或正處于維修狀態，沒有備用泵；儲罐爆炸波及泵房，導致泵房不能投入使用；設計缺陷，泵的壓力不足，不能滿足需求。為避免以上情況出現，保證消防水泵房能夠在火災下正常工作，結合實際滅火成功案例和調研需要對水泵房進行如下措施：為避免水泵房遭遇雷擊，雙回路供電電源不能保障消防系統的可靠性，應當采用直流屏控制，一備一用；加強日常維護保養，保證泵在關鍵時刻能夠正常工作；優化設計和施工，合理布置泵房位置、合理選擇泵的參數，如揚程、流量等。

2.3 冷卻系統

火災發生時，儲罐罐壁直接受到火焰產生的熱輻射，溫度會迅速上升，鋼板強度迅速下降，可能會產生失效，造成火災蔓延和事故升級。為了保證鄰近罐的安全，《建筑設計防火規范》和《石油庫設計規范》等要求對著火罐及鄰近罐進行消防冷卻保護。根據《石油庫設計規范》要求“容量大于或等于3000m3或罐壁高度大于或等于15m的地上立式儲罐，應設固定式消防冷卻水系統”。根據儲罐火災案例分析，冷卻水失效所占比例較高，約為消防給水系統失效案例總數的19%，分析其主要原因是：沒有冷卻水系統；系統設計不合理，關鍵時刻不能夠冷卻儲罐；爆炸導致冷卻水系統失效。

2.4 消火栓

消火栓主要為消防車輛從消防給水管網中取水實施滅火戰斗或直接連接水帶和水槍進行滅火，消火栓系統是撲救火災的重要消防設施之一。在事故案例中消火栓失效比例約占11%，主要表現為：消火栓數量不足；消火栓距離罐區較遠，使用不便，應合理確定消火栓的數量和位置。

2.5 供水管網

消防水系統的供水管網不能正常工作也是常見的失效形式，在事故案例中供水管網失效比例約占8%，主要表現為：建造時間久遠的油罐供水管線一般盤踞在罐頂[5]，雷雨天氣時易引發雷電打火，導致火災事故發生，且管線在火災狀態下被破壞，不能正常使用；油罐燃燒時導致供水管道破裂，不能正常供水；供水管線沒有采取防凍措施，冬季供水管線被凍住，火災發生時不能使用。因此，石油化工儲罐公司應當加強供水管網的維護保養，定期檢查排除問題，防止管線在滅火過程中被凍住或破裂。

3 結論

通過梳理國內外93個石油化工儲罐火災案例，分析和歸納了罐區消防給水系統失效的原因，統計結果顯示，石油化工儲罐發生火災事故時，固定頂儲罐配套的消防水系統失效概率高于外浮頂儲罐和內浮頂儲罐的消防水系統。一般情況下，固定頂儲罐發生事故時爆炸的概率大于外浮頂罐和內浮頂罐，當儲罐發生燃燒或爆炸時，固定頂罐的罐頂容易被掀翻而造成罐頂的固定滅火系統失效。在火災快速撲滅的6個案例中，5個屬于外浮頂罐。給水系統失效的案例中，水源不足占15例，占比最高，泵房失效所占比例次之，再次是冷卻系統、消火栓和供水管網失效。

因此，石油化工企業應當加強消防給水系統的維護保養，按照規定定期開展必要的消防安全評估和檢測消防設施的完備性[6]，保證充足的消防水源和供水壓力，對消防水泵房采取防雷措施并加強泵房和儲罐噴淋裝置日常維護保養，北方地區的消防供水管路采取防凍措施等，保證消防給水系統的可靠性。