浮顶结构对内浮顶油罐火灾扑救的影响研究

兰天其，王靖元，张国强

(武警学院 研究生队，河北 廊坊　065000)



浮顶结构对内浮顶油罐火灾扑救的影响研究

兰天其，王靖元，张国强

(武警学院 研究生队，河北 廊坊065000)

从内浮顶油罐的结构出发，分析了固定泡沫灭火系统和移动泡沫灭火装备灭火时泡沫覆盖对浮顶结构的影响，近似计算了泡沫溢出泡沫堰板的时间，以及泡沫重量达到浮顶结构承重极限的时间，并以此作为浮顶结构可能发生倾斜或下沉的粗略时间。指出了浮顶结构倾斜和下沉对火灾扑救造成的难点，得出了针对性结论，强调火灾扑救中应合理高效使用泡沫，避免浮顶结构的倾斜和下沉。

内浮顶油罐；浮顶结构；火灾扑救；泡沫

0　引言

随着石油经济的快速发展，油品消耗量的逐渐增加，油罐规模、数量不断增大，油罐的消防安全问题尤显重要。在油品存储中，内浮顶油罐因其损失少、防污染的特点被越来越多地应用。内浮顶油罐以其独特的浮顶结构通常造成液泛、溢油、倾斜等现象，在火灾扑救中常发生浮顶倾斜、下沉，造成燃烧死角难以扑灭，浮顶结构对内浮顶油罐火灾扑救的影响成为公安消防部队关注的问题。

目前国内专家学者关于浮顶结构对内浮顶油罐火灾扑救的影响进行了一定的研究分析，孔昭瑞分析了内浮顶油罐的优越性，指出组装式内浮顶的应用前景，比较了钢制、铝制和塑料内浮顶的性能，并提出了改进建议[1]。陈勇等从防火的角度分析了内浮顶浮盘的防火作用与缺点，及其在操作中存在的问题和对策[2]。郎需庆等分析了内浮顶储罐燃爆事故特点和扑救难点，以试验的方法研究了热气溶胶扑灭内浮顶火灾的性能[3]。以上研究都专注于内浮顶的结构、安全性，以及内浮顶油罐的灭火技术，缺少关于浮顶结构对内浮顶油罐火灾扑救影响的分析。因此，文本从内浮顶结构出发，分析其结构特点对火灾扑救造成的影响，从而得出针对性结论，为消防部队扑救内浮顶油罐火灾提供参考。

1　内浮顶油罐结构

与固定顶罐有所区别的是，内浮顶是在固定顶罐内部设置的随液面升降而上下浮动的顶，从而有效地减少了储液的蒸发损失和大气污染，其经济效益更高，是存储汽油以及挥发性石油化工产品的理想设备[4]。同样是浮顶罐，与外浮顶油罐多为大型储存原油为主不同的是，内浮顶油罐以存储成品油为主，且多为几千立方米的中型油罐，其基本参数如表1所示[5]，在此归为小型、中型、大型三类内浮顶油罐。内浮顶油罐结构如图1所示，其并不是固定顶罐与浮顶罐的简单叠加，兼有两者的优点。同时，其浮顶结构又有类别之分，部分罐体还设有氮气密封装置等。

表1　内浮顶油罐基本参数表

1-支柱；2-边缘构件；3-密封装置；4-防旋转装置；5-浮盘；6-量油孔；7-静电导出装置；8-真空阀；9-铺板；10-人孔；11-泡沫挡板；12-进油扩散管；13-罐壁通气孔；14-罐顶量油孔；15-罐顶通气孔；16-罐顶人孔

图1内浮顶油罐结构图

2　浮顶结构的泡沫覆盖分析

内浮顶油罐火灾发生时，主要有固定泡沫灭火系统或半固定泡沫灭火系统和移动泡沫灭火装备对油罐进行喷射泡沫灭火。在浮顶结构下沉前，泡沫主要喷射在浮顶结构上，泡沫的重量则主要由浮顶结构承重，从而影响着浮顶结构的状态。

2.1固定泡沫灭火系统的泡沫覆盖

内浮顶油罐火灾发生时，在浮顶尚未倾斜或下沉情况下，固定泡沫或半固定泡沫灭火装置完好，向浮顶喷射泡沫，如图2所示。大流量泡沫超过浮顶结构有限的承重能力将会导致浮顶倾斜、下沉，造成燃烧死角，给火灾扑救造成困难。为避免喷射泡沫灭火时，大流量泡沫超过浮顶承重能力，导致浮顶出现倾斜或下沉，指导泡沫的喷射量，下面举例计算内浮顶的承重能力。

图2　内浮顶油罐固定泡沫灭火系统灭火示意图

固定泡沫产生器启用时，泡沫沿罐壁流向内浮顶密封圈中，边缘设有泡沫挡板，形成环形的泡沫覆盖区，如图3所示。固定泡沫灭火系统向罐内喷射泡沫，最先流进这个区域，进而流向整个浮顶。由于浅盘式抗沉性差，不再继续使用，在此选取关于单、双盘式内浮顶的泡沫灭火系统设计规范的相关规定。泡沫堰板距离罐壁不应小于0.55 m，高度不应小于0.5 m，固定泡沫灭火设施的保护面积应按罐壁与泡沫堰板间的环形面积确定[6]，对这些参数都取临界值，其泡沫产生器的型号和个数以《钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列》为准。根据公式推算，带入表1中的内浮顶油罐尺寸参数可得出内浮顶油罐浮顶结构的泡沫覆盖估算结果，如表2所示。

图3　内浮顶泡沫覆盖区

通过推算可知，在首次的泡沫连续供应时间30 min的前几分钟，是否经过充分发泡，泡沫都已经溢出泡沫堰板，向整个浮顶进行覆盖。而且，容积越大的内浮顶油罐，泡沫越早溢出泡沫堰板。根据设计标准，内浮顶的设计浮力不应小于其自重的两倍[7]，以其两倍自重为临界，则能承受浮顶重量一倍的泡沫，由此可估算出浮顶发生倾斜或下沉的时间。内浮顶结构主要分为敞口隔舱式内浮顶、单盘式内浮顶、双盘式内浮顶、浮筒式内浮顶四种，而且环形空间的密封也分为软泡沫密封、充液管式密封、机械式密封等，这样的结构差异导致其重量、浮力也不同。因此，为计算内浮顶重量，采用粗略估算，均把浮顶结构当做规则圆盘处理，由公式m=ρV计算出内浮顶的质量。钢制浮盘，其密度取7.85 g·cm-3；铝制浮盘，其密度取2.81 g·cm-3，由此估算内浮顶的重量。泡沫重量以混合液计算，其密度取1 g·cm-3，则浮顶结构的泡沫承重如表3所示。由此得出，浮顶结构由于泡沫的持续喷射而达到承重极限，导致倾斜或下沉的粗略时间。在泡沫连续供应时间30 min的前几分钟内，浮顶结构就会有倾斜或下沉的可能。虽然这仅仅是粗略的估算，但是也反映出浮顶结构在固定泡沫灭火系统的作用下，保持平稳状态的时间不长。

2.2移动泡沫灭火装备的泡沫覆盖

火灾发生时，固定泡沫产生器或因爆炸受损失效，则只能依靠移动泡沫灭火装备。针对内浮顶油罐存储以甲乙类液体为主的特点，移动泡沫灭火装备的泡沫供给强度取1 L·m-2·s-1，发泡倍数取6.25[7]。由此可估算出，在对密封圈环形火灾扑救时，其对浮顶结构的泡沫覆盖及承重如表4所示。由此可见，空气泡沫在80 s后就溢出泡沫堰板，即使泡沫未经充分发泡，最迟也500 s后溢出泡沫堰板，向整个浮顶结构蔓延。以1 L·m-2·s-1的供给强度向内浮顶喷射泡沫的情况下，浮顶结构达到承重极限的时间比固定泡沫灭火系统要久一些，但根据罐型大小，都在泡沫连续供应时间30 min的前几分钟或十几分钟内。况且，在目前主要利用举高喷射车、登高平台车等大功率装备扑灭油罐火灾的形势下，以大流量泡沫枪炮的喷射和水流对浮顶结构的持续冲击作用，浮顶结构也会在较短时间内倾斜或下沉。因此，灭火时应合理控制泡沫的喷射，提高泡沫的使用效能，最好能避免浮顶结构的倾斜或下沉。

表2　固定泡沫灭火系统对浮顶结构的泡沫覆盖估算表

表3　固定泡沫灭火系统对浮顶结构的泡沫承重估算表

表4　移动泡沫灭火装备对浮顶结构的泡沫覆盖及承重估算表

3　浮顶结构倾斜和下沉对火灾扑救的影响

内浮顶油罐的浮顶结构因爆炸或泡沫喷射作用容易破坏其平稳状态，而造成倾斜或下沉，形成燃烧死角和全液面燃烧，都将增加火灾扑救的难度。

3.1倾斜对火灾扑救的影响

浮顶结构倾斜分为整体倾斜和断折倾斜，如图4、图5所示。发生火灾时，罐体受热变形，浮顶结构的倾斜状态难以修正，不能试图让浮顶结构恢复平稳状态。而且，虽然有浮顶结构的遮挡，但火势已经蔓延到浮顶结构下面的整个油面上，形成了全液面燃烧，灭火泡沫用量则要以全液面计算。这种状态油品火灾，由于浮顶结构形成的遮蔽空间很好地保护了燃烧，而且泡沫灭火剂难以进入，成为内浮顶油罐火灾扑救的难点，特别是浮顶结构断折倾斜形成的隐蔽空间燃烧。同时也存在油罐爆炸造成罐顶炸裂的残骸塌陷到浮顶结构上形成的隐蔽空间燃烧，这些火点仅靠地面上的灭火力量难以形成有针对性的攻击，势必要居高临下向隐蔽火点喷射泡沫。即使死角燃烧得以扑灭，但此处的泡沫层由于泡沫难以进入而较其他的地方更薄，更容易复燃。

图4　浮顶结构整体倾斜示意图

图5　浮顶结构断折倾斜示意图

3.2下沉对火灾扑救的影响

在火灾过程中，浮顶结构难免下沉，从而形成全液面敞开燃烧，如图6、图7所示。浮顶结构下沉，燃烧液面全在整个浮顶结构的上面，消除了浮顶结构形成隐蔽空间火点的可能，避免了浮顶结构对火灾扑救的影响。然而，油罐一旦爆炸造成罐顶炸裂的残骸下沉，就会存在因残骸钢板形成的隐蔽空间火点。这样形成的单纯隐蔽空间火点比浮顶结构形成的空间火点小，相比之下更容易扑灭。可以通过大流量泡沫的整体覆盖，利用泡沫的流动性进行灭火，也可采取登高方法对隐蔽火点喷射泡沫灭火。

图6　浮顶结构整体下沉示意图

图7　浮顶结构断折下沉示意图

4　结论

通过研究内浮顶油罐结构，对浮顶结构的泡沫覆盖进行了粗略的定量分析，以及浮顶结构在火灾扑救中倾斜和下沉的分析，得出浮顶结构对内浮顶油罐火灾扑救影响的结论如下：(1)内浮顶油罐固定泡沫灭火系统启动时，1 min左右空气泡沫溢出泡沫堰板，开始向整个浮顶结构蔓延；移动泡沫灭火装备则在80 s后，空气泡沫溢出泡沫堰板。(2)在浮顶结构达到承重极限的时间上，固定泡沫灭火系统比移动泡沫灭火装备要短一些，而且根据内浮顶油罐容积大小的不同，浮顶结构的失稳都在泡沫连续供应时间30 min的前几分钟或十几分钟内。因此，从设计上增加浮顶结构的承重能力，对火灾扑救很有必要；同时，在浮顶结构上设置排液装置，及时排除浮顶结构上的积水，对避免浮顶结构沉陷很有帮助；火灾扑救中，应合理控制泡沫的喷射，提高泡沫的使用效能，最好能够避免浮顶结构的倾斜和下沉。(3)

内浮顶油罐的浮顶结构平稳时，燃烧面积以密封圈环形面积计算；浮顶结构倾斜或下沉时，燃烧面积以全液面计算，形成的隐蔽空间火点主要以登高的方式针对火点喷射泡沫。(4)注意隐蔽空间火点扑灭后，由于泡沫层较其他地方薄，容易发生复燃，应持续喷射泡沫覆盖，增加泡沫层厚度。

[1] 孔昭瑞.组装式油罐内浮顶的特点及效果[J].油气储运,1993,12(5):1-6.

[2] 陈勇，林刚.内浮顶储罐浮盘的消防安全要求[J].水上消防,2004，(1):35-37.

[3] 郎需庆，张卫华，牟善军，等.热气溶胶灭火装置扑救内浮顶储罐火灾的小尺度灭火试验研究[J].消防技术与产品信息,2012,(10):38-40.

[4] SH 3046—1992,石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范[S].

[5] HG 21502.2—92,钢制立式圆筒形内浮顶储罐系列[S].

[6] GB 50151—2010,泡沫灭火系统设计规范[S].

[7] GB 50341—2003,立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].

[8] 李本利.火场供水[M].北京：中国人民公安大学出版社,2007.

[9] 贾如磊，龚辉.油库工艺与设备[M].北京：化学工业出版社,2012.

(责任编辑、校对马龙)

A Research of a Floating Roof Structure on Firefighting of an Internal Floating Roof Tank

LAN Tianqi, WANG Jingyuan, ZHANG Guoqiang

(TeamofGraduateStudent,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

Based on the structure of an internal floating roof tank, this paper analyzes the effect from the fixed foam extinguishing system and the mobile foam fire-fighting equipment during firefighting on a floating roof structure. The time that the foam overflows a weir plate and the time that the increasing foam reaches a load-bearing of a floating roof structure were calculated approximately. The later is regarded roughly as the time that a floating roof structure falls in possibly. The difficulties of firefighting caused by falling-in of a floating roof structure were pointed out. Some pertinent results were obtained. A reasonable and efficient foam application during firefighting should be emphasized. It is best desired to avoid falling-in of a floating roof structure.

internal floating roof tank; floating roof structure; firefighting; foam

2015-12-28

兰天其(1991—)，男，重庆铜梁人，消防指挥专业在读硕士研究生； 王靖元(1990—)，男，贵州六盘水人，消防指挥专业在读硕士研究生； 张国强(1994—)，男，山东聊城人，消防指挥专业在读硕士研究生。

D631.6

A

1008-2077(2016)02-0019-05