8.4 油罐区消防设施

8.4.1 石油是最重要的能源和化工原料，并已成为关系国计民生的重要战略物资，其火灾安全举世关注。据1982年2月我国有关单位调查统计，油罐年平均着火几率约为0.448‰，其中石油化工行业最高，为0.69‰。调查材料同时表明，油罐火灾比例储存油品的不同而异，以汽油等低闪点油罐及操作温度较高的重油储罐火灾为主。由于油品本身的易燃、火灾易蔓延及扑救难等特性，如果发生火灾不能及时有效扑救，特别是大储量油罐区往往后果惨重。这方面的案例很多，如1989年黄岛油库大火。除造成重大财产损失和生态灾难外，还因油罐沸溢导致了灭火人员的重大伤亡。
    油罐火的火焰温度通常在1000℃以上。油罐、尤其是地上钢罐着火后，受火焰直接作用，着火罐的罐壁温升很快，一般5min内可使油面以上的罐壁温度达到500℃，8～10min后，达到甚至超过700℃。若不对罐壁及时进行水冷却，油面以上的罐壁钢板将失去支撑能力；并且泡沫灭火时，因泡沫不易贴近炽热的罐壁而导致长时间的边缘火，影响灭火效果，甚至不能灭火。再者，发生或发展为全液面火灾的油罐，其一定距离内的相邻油罐受强烈热辐射，对流等的影响，罐内油品温度会明显升高。距着火油罐越近、风速越大，温升速度越快、温度越高，且非常明显。为防止相邻油罐被引燃，一定距离内的相邻油罐也需要冷却。
    综上所述，为防止油罐火灾进一步失控与及时灭火，除一些危险性较小的特定场所（详见第8.4.10条、第8.4.11条的规定）外，油罐区应设置灭火系统和消防冷却水系统。国内外的相关标准、规范也作了类似的规定。有关冷却范围及消防冷却水强度，本节另有规定。
    低倍数泡沫灭火系统用于扑救石油及其产品火灾，可追溯到20世纪初。1925年，厄克特发明干法化学泡沫后，出现了化学泡沫灭火装置，并逐步得到了广泛应用。1937年，萨莫研制出蛋白泡沫灭火剂后，空气泡沫灭火系统逐步取代化学泡沫灭火装置，且应用范围不断扩散。随着泡沫灭火剂和泡沫灭火设备及工艺不断发展完善，低倍数泡沫灭火系统作为成熟的灭火技术，在世界范围内，被广泛用于生产、加工、储存、运输和使用甲、乙、丙类液体的场所，并早已成为甲、乙丙类液体储罐区及石油化工装置区等场所的消防主力军。世界各国的相关工程标准、规范普遍推荐石油及其产品储罐设置低倍数泡沫灭火系统。
8.4.2 本条规定是在原规范1993年版的基础上，对设置固定式系统的条件进行了补充和细化，与现行国家标准《石油化工企业设计防火规范》、《石油库设计规范》的规定相类似。本条各款规定的依据或含义如下：
    1 单罐容量10000m³及以上的固定顶罐与单罐容量不小于50000m³及以上的浮顶罐发生火灾后，扑救其火灾所需的泡沫混合液流量较大，灭火难度也较大。而且其储罐区通常总容量较大，可接受的火灾风险相对较小，火灾一旦失控，造成的损失巨大。另外，这类储罐若设置半固定式系统，所需的泡沫消防车较多，协调、操作复杂，可靠性低，也不经济。
机动消防设施不能进行有效保护系指消防站距油罐区远或消防车配备不足等。地形复杂指建于山坡区，消防道路环行设置有困难的油罐区。
    2 容量小于200m³、罐壁高小于7m的储罐着火时，燃烧面积不大，7m罐壁高可以将泡沫勾管与消防拉梯二者配合使用进行扑救，操作亦比较简单，故可以采用移动式灭火系统。
    3 目前，在油田站场单罐容量大于200m³、小于10000m³范围内的固定顶罐中，5000～10000m³储罐较少，多为5000m³及以下的储罐；单罐容量小于50000m³的浮顶罐，多为20000m³、10000m³、5000m³的储罐。正常条件下，这些储罐采用半固定式系统是可行的。当然，这也不是绝对的。当储罐区总容量较大、人员和机动消防设施保障性差时，最好设置固定式系统。另外，对于原油储罐，尚需考虑其火灾特性。一般认为，原油储罐火灾持续30min后，可能形成了一定厚度的高温层。若待到此时才喷射泡沫，则可能发生溅溢事故，且火灾持续时间越长，这处可能性越大。为此，泡沫消防车等机动设施30min内不能供给泡沫的，最好设置固定式系统。再者，本规定含单罐容量大于或等于200m³的污油罐。
8.4.3 本条规定的依据和出发点如下：
    1 单罐容量不小于20000m³的固定顶油罐发生火灾后，如果错过初期最佳灭火时机，其灭火难度会大大增加，并且一般消防队可能难以扑灭其火灾。所以，为了尽快启动其泡沫灭火系统和消防冷却水系统灭火于初期，参照了国家标准《低倍数泡沫灭火系统设计规范》GB 50151-92（2000年版）“当储罐区固定式末灭火系统的泡沫混合液流量大于或等于100L/s时，系统的泵、比例混合装置及其管道上的控制阀、干管控制阀宜具备遥控操纵功能”的规定，作了如此规定。
    2 外浮顶油罐初期火灾多为密封的局部火灾，尤其低液面时难于及时发现。对于单罐容量等于或大于50000m³的储罐，若火灾蔓延则损失巨大。所以需要设自动报警系统，能尽快准确探知火情。为与现行国家标准《石油化工企业设计防火规范》、《石油库设计规范》的相关规定一致，对原规范1993年版的规定作了修改。
    3 单罐容量等于或大于100000m³的油罐区，其泡沫灭火系统和消防冷却水系统的管道一般较长。《低倍数泡沫灭火系统设计规范》规定了泡沫进入储罐的时间不应超过5min。若消防系统手操作，泡沫和水到达被保护储罐的时间较长，不利于灭火于初期，也难满足相关规范的规定。另外，此类油罐区不但单罐容量大，通常总容量巨大，可接受的火灾风险相对较小。本规范和《石油化工企业设计防火规范》、《石油库设计规范》一样，对浮顶油罐的防御标准为环形密封处的局部火灾，并可不冷却相邻储罐。若油罐高位着火并持续较长时间，相邻油罐将受到威胁，火灾一旦蔓延，后果难以估量。所以，在着火初期灭火非常重要。为此，参考上述两部规范作了如此规定，以在一定程度上降低火灾风险。
8.4.5 本条的规定并未改变原规范1993年版规定的实质内容，仅在编写格式和表述方式上作了变动。本条规定的出发点与8.4.2相同，需要补充说明如下：
    在对保温油罐的消防冷却水系统设置上，《石油库设计规范》及《石油化工企业设计防火规范》与本规范的规定有所不同。如《石油库设计规范》规定：“单罐容量不小于5000m³或罐壁高度不小于17m的油罐，应设置固定式消防冷却水系统；相邻保温油罐，可采用带架喷雾水枪或水炮的移动式消防冷却水系统”。又加《石油化工企业设计防火规范》规定：“罐壁高于17m或储罐容量大于等于10000m³的非保温罐应设置固定式消防冷却水系统”。根据实际火灾案例，油罐保温层的作用是有限的。如1989年8月12日发生在黄岛油库火灾，上午9时55分，5号20000m³的地下钢筋混凝土储罐遭雷击爆炸起火。12时零5分，顺风而来的大火不但将4号20000m³的地下钢筋混凝土储罐引爆，而且1号、2号、3号10000m³的地上钢制油罐也相继爆炸，几万吨原油横溢，形成了近两平方公里的火海，造成了重大人员伤亡和财产损失及环境污染，留下深刻的教训。为此，本规定将保温罐与非保温罐同等对待，这不但能最大限度地保障灭火人员的人身安全，防止相邻储罐被引燃，且经济合理，适合油气田的实际情况。
    另外，本规范规定了半固定式系统，与《石油库设计规范》、《石油化工企业设计防火规范》是有别的，这体现了油气田的特点。不过，若油罐区设置了固定式泡沫灭火系统，还是设置固定式消防冷却水系统为宜。
8.4.6 对原规范1993年版第7.3.3条第二款第1项规定地上油罐的冷却范围作了补充。根椐调研，某些油气田中设有卧式油罐。所以，本次修订，补充了对地上卧式油罐冷却要求，并对编写格式和表述方式进行了修改。另外，本规定与现行国家标准《石油库设计规范》、《石油化工企业设计防火规范》及《建筑设计防火规范》的规定基本相同。
    1 本款规定是在综合试验和辐射热强度与距离（L/D）平方成反比的热力学理论及现实工程中油罐的布置情况的基础上做出的。
为给相关规范的制定提供依据，有关单位分别于1974年、1976年、1987年，在公安部天津消防科学研究所试验场进行了全敞口汽油储罐泡沫灭火及其热工测试试验。现将有关辐射热测试数据摘要汇总，见表6。不过，由于试验时对储罐进行了水冷却，且燃烧时间仅有2～3min左右，测得的数据可能偏小。即使这样，1974年的试验显示，距离5000m³低液面着火油罐1.5倍直径，测点高度等于着火储罐罐壁高度处的辐射热强度，平均值为2.17kW/㎡，四个方向平均最大值为2.39kW/m³，最大值为4.45kW/㎡；1976年的5000m³汽油储罐试验显示，液面高度为11.3m、测点高度等于着火储罐罐壁高度时，距离着火储罐罐壁1.5倍直径处四个方向辐射热强度平均值为3.07kW/㎡，平均最大值为4.94kW/㎡，最大值为5.82kW/㎡。尽管目前国内外标准、规范并未明确将辐射热强度的大小作为消防冷却的条件，但根据试验测试，热辐射强度达到4kW/㎡时，人员只能停留20s；12.5kW/㎡时，木材燃烧、塑料熔化；37.5kW/㎡时，设备完全损坏。可见辐射热强度达到4kW/㎡时，必须进行水冷却，否则，相邻储罐被引燃的可能性较大。
    试验证明，热辐射强度与油品种类有关，油品的轻组分愈多，其热辐射强度愈大。现将相关文献给出的汽油、煤油、柴油和原油的主要火灾特征参数摘录汇总成表7，供参考。由该表可见，主要火灾特征参数值，汽油最高、原油最低。汽油的质量燃烧速度约为原油的1.33倍；火焰高度约为原油的2.14倍；火焰表面的热辐射强度约为原油的1.62倍。所以，只要满足汽油储罐的安全要求，就能满足其他油品储罐的安全要求。     注：L——测点至试验油罐中心的距离；D——试验油罐直径；H——试验油罐高度。     注：1 当风速达到8～10m/s时，油品的燃烧速度可增加30～50％。
    敞口汽油储罐的平均火焰高度分别为2.12D、1.56D；日本试验；储罐越大，火焰高度越接近1.5D；德国试验；小罐3.0D、大罐1.7D。
    2 对于浮顶罐，发生全液面火灾的几率极小，更多的火灾表现为密封处的局部火灾，所以本规范与《石油库设计规范》及《石油化工企业设计防火规范》一样，设防基点均为浮顶罐环形密封处的局部火灾。环形密封处的局部火灾的火势较小，如某石化总厂发生的两起浮顶罐火灾，其中10000m³轻柴油浮顶罐着火，15min后扑灭，而密封圈只着了3处，最大处仅为7m长，相邻油罐无需冷却。
    3 卧式油罐的容量相对较小，并且不乏长径比超过2倍的，为尽可能做到安全、合理，故将冷却范围与其直径和长度一并考虑。
8.4.7 本条规定了油罐消防冷却水供给范围和供给强度，其依据如下：
    1 地上立式油罐消防冷却水最小供给强度的依据。
     （1）半固定、移动式冷却水供给强度。
    半固定、移动式冷却方式多是采用直流水枪进行冷却的。受风向、消防队员操作水平的影响，冷却水不可能完全喷到罐壁上，故比固定式冷却水供给强度要大。1962年公安、石油、商业三部在公安部天津消防研究所进行泡沫灭火试验时，对400m³固定顶油罐的冷却水量进行测定，当冷却水量为0.635L/s•m时，未发现罐壁有冷却不到的空白点；当冷却水量为0.478L/s•m时，发现罐壁有冷却不到的空白点，水量不足。可见，着火固定顶油罐的冷却水量不应小于0.6L/s•m。根据水枪移动速度经验，ф16mm水枪能满足这一最小冷却水量的要求；若达到同一射高，ф19mm水枪耗水量在0.8L/s•m以上。为此，根据试验数据及水枪的耗水量，按水枪口径的不同分别规定了最小冷却水供给强度。
    浮顶、内浮顶储罐着火时，通常火势不大，且不是罐壁四周都着火，故冷却水供给强度小些。
    相邻不保温、保温油罐的冷却水供给强度是根据测定的热辐射强度进行推算确定的。
    单纯从被保护油罐冷却水用量的角度，按单位罐壁表面积表示冷却水供给强度较为合理。但由于在操作上水枪移动范围是有限度的，即水枪保护的罐壁周长有一定限度，所以将原规范1993年版规定的冷却水供给强度单位，由L/min•㎡变为L/s•m。当然，对于小储罐，按此冷却水供给强度单位，冷却水流到下部罐壁处的水量会多些。
    （2）固定式冷却水供给强度。
    1966年公安、石油、商业三部在公安部天津消防研究所进行泡沫灭火试验时，对100m³敞口汽油储罐采用固定式冷却，测得冷却水强度最低为0.49L/s•m，最高为0.82L/s•m。1000m³油罐采用固定式冷却，测得冷却水强度为1.2～1.5L/s•m。上述试验，冷却效果较好，试验油罐温度控制在200～325℃之间，仅发现罐壁部分出现焦黑，罐体未发生变形。当时认为：固定式冷却水供给强度可采用0.5L/s•m，并且由于设计时不能确定哪是着火罐、哪是相邻罐，国家标准《建筑设计防火规范》GBJ 16与《石油库设计规范》GBJ 74最先规定着火罐和相邻罐固定式冷却水最小供给强度同为0.5L/s•m。此后，国内石油库工程项目基本都采用了这一参数。并且《建筑防火规范》至今仍未对这一参数进行修改。
    随着储罐容量、高度的不断增大，以单位周长表示的0.5L/s•m冷却水供给强度对于高度大的储罐偏小；为使消防冷却水在罐壁上分布均匀，罐壁设加强圈、抗风圈的储罐需要分几圈设消防冷却水环管供水；国际上已通行采用“单位面积法”来表示冷却水供给强度。所以，现行国家标准《石油库设计规范》和《石油化工企业设计防火规范》将以单位周长表示的冷却水供给强度，按罐壁高13m的5000m³固定顶储罐换算成单位罐壁表面积表示的冷却水供给强度，即0.5L/s•m×60÷13m≈2.3L/min•㎡，适当调整取2.5L/min?m。故规定固定顶储罐、浅盘式或浮盘由易熔材料制作的内浮顶储罐的着火冷却水供给强度为2.5L/min•㎡。浮顶、内浮顶储罐着火时，通常火势不大，且不是罐壁四周都着火，故冷却水供给强度小些。本规范也是这种思路。
    相邻储罐的冷却水供给强度至今国内未开展过试验，国家标准《石油库设计规范》和《石油化工企业设计防火规范》对此参数的修改是根据测定的热辐射强度进行推算确定的。思路是：甲、乙类固定顶储罐的间距为0.6D，接近0.5D。假设消防冷却水系统的水温为20℃，冷却过程中一半冷却水达到100℃并汽化吸收的热量为1465kJ/L，要带走表8.4.1所示距着火油罐罐壁0.5D处绝对最大值为23.8kW/㎡辐射热，所需的冷却水供给强度约为1.0L/min•㎡。《石油库设计规范》和《石油化工企业设计防火规范》曾一度规定相邻储罐固定式冷却水供给强度为1.0L/min•㎡。后因要满足这一参数，喷头的工作压力需降至着火罐冷却水喷头工作压力的1/6.25，在操作上难以实现。于是，《石油化工企业设计防火规范》1999年修订版率先修改，不管是固定顶储罐还是浮顶储罐，其冷却强度均调整为2.0L/min•㎡。全面修订的《石油库设计规范》GB 50074-2002予以修改。由于是相同问题，所以本规范也采纳了这一做法。
    冷却水强度的调节设施在设计中应予考虑。比较简易的方法是在罐的供水总管的防火堤外控制阀后装设压力表，系统调试标定时辅以超声波流量计，调节阀门开启度，分别标出着火罐及邻罐冷却时压力表的刻度，做出永久标记，以确保火灾时调节阀门达到设计的冷却水供水强度。
    值得说明的是，100m³试验罐高5.4m，若将1966年国内试验时测得的最低冷却水强度0.49L/s•m一值进行换算，结果应大致为6.0L/min•㎡；相邻储罐消防冷却水供给强度的推算思路也不一定成立；与国外相关标准规范的规定相比（见表8），我国规范规定的消防冷却水供给强度偏低。然而，设置消防冷却水系统的储罐区大都设置了泡沫灭火系统，及时供给泡沫可快速灭火，并且着火储罐不一定为辐射热强度大的汽油、不一定处于中低液位、不一定形成全敞口。所以，本规范规定的冷却水供给强度是能发挥一定作用的。     2 地上卧式罐。
    地上卧式罐的火灾多发生在顶部人孔处。考虑到卧式罐爆炸着火时，部分油品溅出形成小范围地面火，故冷却范围最初是按储罐表面积计算的。但由于人孔处的燃烧面积较小，地面局部火焰主要作用在储罐底部，只要消防冷却水供给强度足够，水从储罐上部喷洒后基本能流到罐底部，从而冷却整个储罐，所以将冷却范围调整为储罐的投影面积。
    参考国内相关试验，冷却水供给强度，着火罐不小于6.0L/min•㎡、相邻罐不小于3.0L/min•㎡，应能保证着火罐不变形、不破裂。
    3 对于相邻储罐
    靠近着火罐的一侧接收的辐射热最大，且越靠近罐顶，辐射热越大。所以冷却的重点是靠近着火罐一侧的罐壁，冷却面积可按实际需要冷却部位的面积计算。但现实中冷却面积很难准确计算，并且相邻关系需考虑罐组内所有储罐。为了安全，规定设置固定式消防冷却水系统时，冷却面积不得小于罐壁表面积的1/2。为实现相邻罐的半壁冷却，设计时，可将固定冷却环管等分成2段或4段，着火时由阀门控制冷却范围，着火油罐开启整圈喷淋管，而相邻油罐仅开启靠近着火油罐的半圈。这样虽然增加了阀门，但水量可减少。
    工程设计时，通常是根据设计参数选择设备等，但所选设备的参数不一定与设计参数吻合，为了稳妥，需要根据所选设备校核冷却水供给强度。
8.4.8 从收集的油罐火灾案例来看，燃烧时间最长的最发生在1954年10月东北某炼油厂一座300m³（直径7m）轻柴油固定顶储罐火灾，燃烧了6h。另外是20世纪70年代发生在东北另一家炼油厂50003（直径23m）轻柴油固定顶储罐火灾，因三个泡沫产生器立管，使泡沫系统不能工作。又因罐顶未全部掀开，车载泡沫炮也无法将泡沫打进，泡沫钩管又无法挂，历时4.5h，罐内油品全部烧光。其他火灾的持续时间均小于4h。地上卧式油罐火灾的火势较小，扑救较容易。本着安全又经济的原则，规定直径大于20m的地上固定顶油罐和浅盘式或浮盘为易熔材料制作的内浮顶油罐消防冷却水供给时间不应小于6h，其他立式油罐消防冷却水供给时间不应小于4h，地上卧式油罐消防冷却水供给时间不应小于1h。
    另外，油罐消防冷却水供给时间应从开始对油罐喷水算起，直至不会发生复燃为止，其与灭火时间有直接关系。为此，在保障消防冷却水供给强度与供给时间的同时，保障灭火系统的合理可靠尤为重要。
8.4.9 本条规定了油罐固定式消防冷却水系统的设置，其依据如下：
    1 最初，是通过在消防冷却水环管上钻孔的方式向被保护储罐罐壁喷放冷却水的。实践证明，因现场加工误差较大，消防冷却水供给强度难以控制，并且冷却效果也不理想，所以不推荐这种方式。设置冷却喷头，冷却水供给强度便于控制，冷却效果也较理想。
喷头的喷水方向与罐壁保持30°～60°的夹角，是为了减小水流对罐壁的冲击力，减少反弹水量，以便有效却罐壁。
    2 消防冷却水环管通常设在靠近储罐上沿处。若油罐设有抗风圈或加强圈，并且没有设置导流设施时，上部喷放的冷却水难以有效冷却油罐抗风圈或加强圈下面的罐壁。所以需在其抗风圈或加强圈下面设冷却喷水圈管。设置多圈冷却水环管时，需按各环管实际保护的储罐罐壁面积分配冷却水量。
    3 本规定是为了保证各管段间相互独立，及安全、方便地操作。
    4 本规定是参照现行国家标准《低倍数泡沫灭火系统设计规范》相关规定做出的。旨在保障冷∮ф却水立管牢固地固定在罐壁上；冷却水管道便于清除锈渣。
    5 便于系统运行后排出积水。
    6 防止水中杂物损坏水泵及堵塞喷头等系统部件。
8.4.10 烟雾灭火系统是我国自主研究开发的一项主要用于甲、乙、丙类液体固定顶和内浮顶储罐的自动灭火技术。在其30多年的使用过程中，有多起成功灭火的案例，也有失败的教训。业内普遍认为它不如低倍数泡沫灭火系统可靠。另外，至今所进行的7次原油固定顶储罐灭火试验所用原油为密度0.9129g/cm³、初馏点84℃、190℃以下馏出体积量5％的大港油田原油；2002年4月在大庆油田进行的3000m³原油罐低压烟雾灭火试验，其原油190℃以下组分也不超过12％。为此，将烟雾灭火系统应用场所限定在偏远缺水处的四、五级站场，并且将凝析原油储罐排除。本规定与原规范1993年版规定的不同处，就是增加了油罐区总容量和凝析油限制。
    对于偏远缺水处的四、五级站场，考虑到其规模较小、取水困难，交通闭塞、供电质量差、且油田产量低等，若设置泡沫灭火系统和防冷却水系统或消防站，不少油田难以承受其高昂的开发成本。然而，多数站场远离居民区、且转油站的储罐只有事故时才储油，即使发生火灾不能及时扑灭，造成的危害和损失也较小。所以从全局的角度，设置烟雾灭火系统是可行的。
8.4.11 目前，在石油天然气站场中，总容量不大于200m³、且单罐容量不大于100m³的立式油罐区很少，主要分布在长庆油田，且为转油站的事故油罐。这类站场规模较小，且储罐事故时才储油，即使发生火灾也基本不会造成大的危害和损失，所以规定可不设灭火系统和消防冷却水系统。
    目前，我国油气田单井拉油的井场卧式油罐区中，多数总容量不超过200m³，少数总容量达到500m³，但单罐容量不超过100m³。这类站场的卧式油罐区多为临时性的，且火灾案例极少，设灭火系统和消防冷却水系统往往难以操作。所以，规定可不设灭火系统和消防冷却水系统。