儲罐消防和安全系統(tǒng)設(shè)計標準探討
轉(zhuǎn)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：隨著中國油庫建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，為保障石油戰(zhàn)略儲備庫的安全，對儲罐消防和安全系統(tǒng)應(yīng)采用更高等級的設(shè)計標準。為防范儲罐安全事故，實現(xiàn)儲罐“本質(zhì)安全”，選取了消防水供給強度、儲罐冷卻、防火堤、消防泵動力源、控制閥位置、事故排水系統(tǒng)和防滲等關(guān)鍵技術(shù)，并就此介紹了國外標準的先進經(jīng)驗和推薦做法。結(jié)合實際案例，對GB 50074—2014《石油庫設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)內(nèi)容提出了建議，對于提高國內(nèi)油庫的安全可靠性和應(yīng)急保障能力具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：儲罐 消防系統(tǒng) 防火堤 消防泵 控制閥
目前，中國大型原油戰(zhàn)略儲備庫容量已達7×106 m3，單個儲罐最大容量達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(zāi)爆炸事故，會造成嚴重經(jīng)濟損失、人員傷亡和環(huán)境污染，例如大連“7.16”油庫火災(zāi)爆炸事故，上萬噸原油流入大海，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》相繼頒布實施，加大了石油行業(yè)重大安全事故的問責追究力度［3］。
隨著國內(nèi)油庫建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，運行的安全風險也在增大，儲罐消防和安全系統(tǒng)應(yīng)采用更高的設(shè)計標準，對安全等級亦提出了更高的要求。目前國內(nèi)大型油庫存在消防水供給強度低、消防設(shè)施維護檢測不及時、缺乏大功率移動式消防設(shè)備、應(yīng)急演練不到位等現(xiàn)象［4］。為從根源上防止儲罐惡性事故發(fā)生，實現(xiàn)儲罐“本質(zhì)安全”，針對儲罐消防和安全系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，介紹了國外標準先進的經(jīng)驗和推薦做法，對GB 50074—2014《石油庫設(shè)計規(guī)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(nèi)標準與國外標準存在較大的差異。
1） GB 50074—2014規(guī)定：“著火的固定頂儲罐和內(nèi)/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(nèi)浮頂罐的消防冷卻水最小供給時間不小于9h，其他儲罐不小于6h。
2） API RP 2001—2012《煉油廠消防規(guī)程》規(guī)定：“消防水罐的供給時間應(yīng)滿足4～6h”。按照煉油廠不同類型場所的危險程度，規(guī)定了相應(yīng)的消防水供給強度，其中消防冷卻水供給強度的數(shù)值遠高于國內(nèi)標準，見表1所列。
以大連“7.16”油庫火災(zāi)事故為例，對著火儲罐滅火的同時，冷卻臨近受到威脅的6座儲罐及輸油管道，滅火用時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間也均高于GB 50074—2014的規(guī)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(shè)置宜在規(guī)范規(guī)定的設(shè)計用量的2倍以上，以增加泡沫液的供給強度和供給時間，保證在火場斷電的情況下，消防水池和泡沫罐也能發(fā)揮作用。油庫設(shè)計時，可將鄰近的江河湖泊作為消防水源，保證火災(zāi)情況下消防水池可連續(xù)補水，同時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(guī)定：“著火的固定頂儲罐以及距離著火儲罐罐壁1.5倍直徑范圍內(nèi)的相鄰儲罐應(yīng)同時冷卻，當相鄰的儲罐超過3座時，按其中較大的3座相鄰儲罐計算冷卻水量；著火的內(nèi)/外浮頂罐應(yīng)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(zāi)燃燒過程的數(shù)值，結(jié)論是： 在無風或微風情況下，浮頂罐無須冷卻；在有風狀態(tài)下，應(yīng)冷卻位于下風向的相鄰油罐，消防水量應(yīng)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(zāi)時應(yīng)立刻外輸油品，并對其進行水噴淋，同時水噴淋冷卻鄰近罐。以大連“7.16”油庫火災(zāi)事故為例，在對著火儲罐滅火的同時，也冷卻了鄰近受到威脅的６座儲罐及輸油管道，該事故中著火浮頂罐可不冷卻的規(guī)定也與實際消防要求有差距［2］。此外儲罐滅火后，還應(yīng)向著火儲罐繼續(xù)噴射泡沫混合液，在避免油氣揮發(fā)的同時，冷卻罐壁，使著火儲罐降至室溫。
國外標準針對儲罐發(fā)生火災(zāi)時相鄰儲罐的冷卻比較謹慎，儲罐一般不設(shè)計專用的消防水冷卻系統(tǒng)。泡沫消防系統(tǒng)和消防水系統(tǒng)應(yīng)側(cè)重于撲滅著火儲罐，僅利用移動消防設(shè)施水冷卻暴露于全面積敞口火災(zāi)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(guī)定應(yīng)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液體的儲罐罐壁受熱，則應(yīng)立即冷卻該儲罐；通過頻繁地從遠處施放水流進行檢查，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(guī)范》則認為：“在儲罐發(fā)生火災(zāi)時，如用水冷卻臨近儲罐，可能會影響著火儲罐的滅火”。
針對著火儲罐的臨近儲罐冷卻問題，國內(nèi)外標準存在差異。國內(nèi)標準考慮浮頂罐本質(zhì)安全性高于固定頂儲罐，因此規(guī)定著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(nèi)多次儲罐火災(zāi)事故表明，由于儲罐集中布置、儲罐安全距離限制、浮盤多采用易熔材料制作等原因，因而應(yīng)該考慮臨近儲罐的冷卻問題［7］。由于國外儲罐安全距離較大，例如NFPA 30—2012規(guī)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(guī)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火儲罐，除非發(fā)生儲罐全面積敞口火災(zāi)，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，儲罐罐體可長時間承受的火焰輻射熱強度為24kW/m2，建議進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(jù)；根據(jù)油庫中儲罐數(shù)量、布置形式、儲罐罐壁間距離、浮盤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間。
3儲罐隔堤設(shè)計
儲罐的布置原則：在保證操作方便和安全的前提下，應(yīng)減少儲罐間距、節(jié)約土地、減少投資。在儲罐四周，應(yīng)設(shè)置隔堤，當儲罐發(fā)生少量泄漏或者火災(zāi)初期，隔堤可有效分隔和限制著火儲罐，避免油品泄漏范圍擴大，減少事故損失［8］。
3.1國內(nèi)標準
1） GB 50074—2014要求隔堤應(yīng)采用阻燃材料建造的實體墻，隔堤高度宜為0.5～0.8m，隔堤內(nèi)沸溢性液體儲罐的數(shù)量不應(yīng)多于2座，隔堤內(nèi)非沸溢性液體儲罐的數(shù)量不應(yīng)超過下列規(guī)定：
a) 單罐容量不小于5×104m3，1個隔堤內(nèi)儲罐數(shù)量不應(yīng)多于1座。
b) 單罐容量不小于2×104m3且小于5×104m3，1個隔堤內(nèi)儲罐數(shù)量不應(yīng)多于2座。
c) 單罐容量不小于5×103m3且小于2×104m3，1個隔堤內(nèi)儲罐數(shù)量不應(yīng)多于4座。
d) 單罐容量小于5×103m3，1個隔堤內(nèi)儲罐數(shù)量不應(yīng)多于6座。
2） 國內(nèi)油庫在同一個儲罐組內(nèi)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個儲罐發(fā)生火災(zāi)時，兩側(cè)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(zāi)，可能會威脅隔堤內(nèi)其他儲罐。
3.2 國外標準
1） NFPA 30—2012規(guī)定每個防火堤內(nèi)如有2座或者2座以上儲罐，應(yīng)設(shè)置隔堤，隔堤設(shè)計原則如下：
a) 隔堤應(yīng)考慮單個儲罐的容量大小，儲罐盡可能位于隔堤中間區(qū)域，以便充分利用有效空間，隔堤高度應(yīng)小于0.45m。
b) 防火堤內(nèi)如果有2個或者2個以上儲罐，且每個儲罐直徑均超過45m，則應(yīng)在相鄰儲罐之間采用隔堤，隔堤應(yīng)至少容納儲罐容量的10%。
2） 俄羅斯РД 15339.4078—2001《干線石油管道、油庫和儲罐的運行技術(shù)規(guī)程》和Правила—2004《儲罐技術(shù)運行規(guī)程》規(guī)定單個儲罐的容積大于2×104m3應(yīng)設(shè)隔堤，或者2個容積均大于1×104m3的儲罐應(yīng)設(shè)隔堤，隔堤高度不低于1.3m。
美國和俄羅斯標準通過設(shè)置隔堤，可實現(xiàn)1×104m3及以上單個儲罐的安全防護。建議GB50074—2014在修訂時考慮儲罐隔堤的設(shè)置原則，即1×104m3及以上單個儲罐均應(yīng)設(shè)置隔堤，隔堤內(nèi)存液容量最低不能小于儲罐容量的10%。
4 防火堤設(shè)計
防火堤是保障大型油庫安全性和可靠性的重要設(shè)施，可有效防止油品泄漏、火災(zāi)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(zāi)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(nèi)外普遍公認的防火堤應(yīng)滿足以下設(shè)計要求：
1） 防火堤結(jié)構(gòu)。相對鋼筋混凝土堤或磚石（漿砌石）結(jié)構(gòu)，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(yīng)能承受液體靜壓力，還應(yīng)考慮儲罐瞬間破裂時罐內(nèi)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，穿越處應(yīng)用耐高溫材料做密封填充。
4） 防火堤容量。防火堤應(yīng)容納罐組內(nèi)1個最大儲罐的容量和補救該儲罐火災(zāi)所需的消防水量，以及降雨安全余量，即防火堤容量應(yīng)為最大儲罐容量的110%，而GB 50074—2014規(guī)定防火堤有效容量不應(yīng)小于罐組內(nèi)1個最大儲罐的容量。
5 備用消防泵的驅(qū)動方式
大連油庫“7.16”事故初期火災(zāi)并不大，但站場供電電纜遭到了破壞，導(dǎo)致無備用電源的消防系統(tǒng)癱瘓，造成火災(zāi)進一步擴大。GB 50074—2014規(guī)定石油庫的消防水泵有2個獨立電源供電時，主泵應(yīng)采用電動泵，備用泵可采用電動泵或柴油機泵；只有1個電源供電時，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(nèi)油庫目前的做法：在滿足雙電源的情況下，消防工作泵、備用泵的驅(qū)動方式均選擇電機驅(qū)動；在不具備雙電源的情況下，工作泵、備用泵均選擇柴油機驅(qū)動。由于國內(nèi)油庫消防泵一般為雙路交流供電，一旦站場停電，消防泵將無法啟動。
國外使用柴油或丙烷為燃料的發(fā)電機快速啟動消防泵，規(guī)定柴油機油料儲備量應(yīng)滿足消防泵連續(xù)運轉(zhuǎn)時間不低于6h的條件，確保發(fā)生火災(zāi)和電力中斷的情況下可驅(qū)動消防泵。
建議GB 50074—2014中消防泵的設(shè)置修訂為“消防泵房應(yīng)設(shè)置柴油發(fā)電機，固定式消防系統(tǒng)的備用消防泵應(yīng)采用柴油機驅(qū)動方式”。
6 控制閥設(shè)置位置
大連油庫“7.16”火災(zāi)事故狀態(tài)下儲罐控制閥失電，無法切斷油源，最終導(dǎo)致了災(zāi)難性后果。針對儲罐控制閥的安裝位置，國內(nèi)標準中沒有明確規(guī)定，國內(nèi)油庫的設(shè)計形式也不一致，大部分設(shè)置在防火堤內(nèi)且為手動閥門，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(nèi)，均存在著安全隱患［11］。
調(diào)研了加拿大Enbridge管道公司，儲罐控制閥一般設(shè)置在防火堤之外且為電動閥。因此，建議GB 50074—2014中控制閥的設(shè)置修訂為“新建儲罐控制閥應(yīng)安裝在防火堤外；已安裝在防火堤內(nèi)部的控制閥，電氣控制箱應(yīng)改造設(shè)置在防火堤之外，具備在防火堤外操作的功能，連接纜線應(yīng)選用耐火耐高溫鎧裝電纜”。
7 儲罐事故排水系統(tǒng)
針對儲罐事故排水系統(tǒng)，GB 50074—2014規(guī)定油庫含油與不含油污水應(yīng)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(zhí)行中容易造成混淆和偏差［12］。國內(nèi)儲罐事故排水系統(tǒng)通常直接和罐區(qū)明溝連接，生產(chǎn)污水和雨水同時排放，如排污系統(tǒng)堵塞或者明溝排污能力有限可能導(dǎo)致污水排入地表水。API 2610—2005《轉(zhuǎn)運油庫和儲罐設(shè)計、施工、操作、維護和檢驗》規(guī)定儲罐區(qū)應(yīng)設(shè)計污油封攔系統(tǒng)隔離污油和雨水，例如路緣石或者配管系統(tǒng)。俄羅斯СТГУ15339167—2006《干線原油管道工藝設(shè)計規(guī)范》規(guī)定應(yīng)分別設(shè)計生產(chǎn)污水和雨水管道系統(tǒng)，生產(chǎn)污水系統(tǒng)應(yīng)采用埋地封閉自流式敷設(shè)方式，例如連接地下污油罐。РД 13.100.00КТН196—2006《干線石油管道運營的安全性準則》規(guī)定應(yīng)設(shè)計專門的儲罐污水井和雨水排放閥室。
建議GB 50074—2014中排水系統(tǒng)條文修訂為“新建儲罐應(yīng)分別設(shè)計雨水和含油污水排放系統(tǒng)；已建儲罐排污水系統(tǒng)改造為連接污水處理裝置，或者雨水和污水排放系統(tǒng)應(yīng)獨立設(shè)置切換閥，實現(xiàn)分類排放、分級控制。同時做好罐區(qū)和管涵的防滲工作，并將庫區(qū)電纜溝、管涵等用沙填滿，以防事故時油品隨地溝漫流或滲入地下”。
8 防火堤防滲設(shè)計
GB 50074—2014僅規(guī)定了儲存對水和土壤有污染的液體覆土臥式儲罐，應(yīng)按照國家法規(guī)采取防滲漏措施，并具備檢漏功能；對其他類型的儲罐是否進行防滲設(shè)計未明確規(guī)定。GB 50351—2014《儲罐區(qū)防火堤設(shè)計規(guī)范》規(guī)定防火堤排水溝應(yīng)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，堤內(nèi)地面應(yīng)采取防滲漏措施。GB 50351—2014未強制要求進行儲罐防滲設(shè)計，也未給出防滲設(shè)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(nèi)儲罐一般只做罐的基礎(chǔ)防滲檢測，較少進行罐區(qū)地面的防滲設(shè)計，一旦發(fā)生儲罐泄漏，可能導(dǎo)致環(huán)境和水體污染［13］。俄羅斯Правила—2004規(guī)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(nèi)應(yīng)用俄羅斯防滲設(shè)計的可行性。
9 結(jié)束語
隨著國內(nèi)油庫建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，提高儲罐消防和安全系統(tǒng)設(shè)計標準成為必然。結(jié)合國內(nèi)油庫安全管理的現(xiàn)狀，并借鑒國外標準先進經(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(nèi)油庫的安全性和應(yīng)急保障能力有所借鑒。