国内外储罐消防和安全系统的技术现状

李文静 马志宇 孟虎林 马伟平

〔1 上海河图工程股份有限公司 上海 201203；2 中交煤气热力研究设计院有限公司 辽宁沈阳 110026；3 中国石油青海油田分公司管道输油处 青海 格尔木 816000；4 中国石油管道科技研究中心 河北 廊坊 065000〕

我国经济的快速发展使原油及石油产品需求量急剧增加，大型原油储备库容量可达700×104m3[1]。油库火灾爆炸事故会造成严重经济损失、人员伤亡和环境污染。例如大连“7.16”油库事故，财产损失近2亿元，上万吨原油流入渤海湾[2]。保障石油战略储备库安全至关重要。油库安全不仅要设计高标准的消防系统，更要具有储罐和工艺管道的可靠性，可燃气体泄漏探测系统的准确探测，防火堤内溢流液体的围控措施，以及配备大功率移动式灭火设备等诸多方面。因此，油库安全管理理念是：首先保证储罐和工艺管道的完整性，减少油气泄漏可能性；其次是防火堤内油气泄漏的探测技术和初期处置措施，及时发现火情，防止火灾扩大发展为储罐燃烧爆炸；研制扑救储罐全面积火灾的消防技术。

为从根本上防止储罐恶性事故，实现储罐“本质安全”，针对油库消防和安全系统的关键技术问题，包括三级防控系统、油品泄漏探测、液体溢流控制、可燃气体探测，以及新发展的液下泡沫灭火系统、自动泡沫灭火系统等，本文介绍了国内外有关技术的现状和工程应用情况；结合我国油库安全管理的实际情况，分析了国外先进技术的优缺点和适用性，以提高我国油库的本质安全和应急保障能力。

1 油库三级防控系统

2005年英国Buncefield油库火灾爆炸事故是欧洲最大的一次工业事故，损坏23座油罐，造成 43人受伤，经济损失达10亿英镑[3]。该事故最重要的经验教训是建立完整、可靠的储罐充装控制系统，使其具有较高的安全完整性等级，即有充分的独立性，确保能够及时、安全地关闭，防止储罐出现溢流。储罐充装控制系统应按照欧盟标准EN 61511-1-2004《第1部分：安全仪表系统的要求》进行设计、运行和维护，应满足以下基本要求：

(1)防止溢流系统应独立于储罐计量系统、油库监控系统和人员操作(人工检尺)等；

(2)防止溢流系统应制定定期的功能性试验计划，检测周期应区别于储罐设施；

(3)防止溢流系统应选用诊断能力增强型传感器；

(4)相对管道控制中心、输油站站控系统，油库应具有对储罐充装的优先控制权，可不依靠远程控制、第三方协助、远程通信联系情况下，停止油品输送。

英国Buncefield油库事故的另一个重要经验教训是消防用水和燃料流经油库的排水系统，并沿油库内的道路流淌，大量污染物流散至油库外，造成油品渗入地下污染水环境。为此提出了油库三级防控系统理念：一级防控系统指储存油品的储罐和工艺管道；二级防控系统包括预防储罐过量充装的高液位报警系统，以及储存事故状态下从储罐和工艺管道中泄漏油品的防火堤(围堤)，

防火堤还应储存灭火的消防水和泡沫化学物质等；三级防控系统指排水系统、围墙、道路、路缘石等暂时留存油品的设施，防止油品泄漏流至油库以外或者渗透地下，防止对地下水或地表水等的污染。

2 储罐泄漏探测技术

应用高效储罐泄漏检测技术及时发现泄漏，在储罐泄漏初期尚未扩散前采取有效措施十分重要[4]。考虑储罐运行状态和经济性因素，可使用一种或组合使用多种储罐泄漏检测技术。

2.1 常规储罐泄漏检测方法

常规储罐泄漏检测方法有人工检尺测量和无损检测方法，人工检尺方法受人员操作、油品温度和液面动态变化影响，精度低、误差大，只能检测油品泄漏，发现微小渗漏困难。无损检测方法适用于停运储罐或者计划修理储罐，在进行储罐清洗和通风处理后，在满足可燃气体浓度检测和人员安全的条件下，可开罐进入无损检测。

2.2 罐区地下水监测井

该方法优点是可探测游离态或未溶解于水的油品，缺点是发生泄漏区域内的监测井可能成为油气流动扩散通道，数据精确度受土壤现场条件、间距、屏蔽和地下水位影响的限制，监测井需定期维护等。

2.3 储罐基础泄漏检测方法

在新建储罐基础下设计基础检漏层方法，适用于检测长期积累的微小渗漏和较大的泄漏。缺点是对微小渗漏发现不及时，储罐的长期运行可能导致检漏层堵塞或者损坏，已经漏油可能延滞干扰以后探测的准确性，导致无法及时发现渗漏。近年来应用了储罐基础内钻孔监测油气体积浓度的新方法，能够快速地判定储罐是否渗漏，也可以应用于设计基础检漏层的储罐，缺点是只能大致判断储罐底板泄漏位置和泄漏，不能完全准确地定位。

2.4 罐底预防泄漏系统

美国石油学会API推荐在储罐底板下安装预防泄漏系统PRB。PRB可以是罐底板内涂层，或者在罐底板下安装泄漏报警管件系统，或者是采用双层罐底板等。例如在罐底板下安装泄漏报警管件系统，油品泄漏通过管件系统报警显示。该方法优点是对于新建储罐安装费用低，可暂时收集泄漏油品；缺点是土壤和地下水状况可能会影响系统可靠性，应定期维护保持泄漏报警管件系统的完整性。

2.5 储罐泄漏检测新技术

近年来新发展的储罐泄漏检测技术包括声发射法、感应电缆法和电阻探漏法等。声发射法在噪声水平较高时信号变化起伏大，罐底淤泥和水层可能影响结果的准确度，不能真实反映罐底腐蚀泄漏情况。声发射检测设备价格昂贵、操作复杂，人员需经过专业培训。在罐底部铺设感应电缆实时监测泄漏，例如美国Tyco Thermal Control公司研发的TraceTek漏油感应电缆，还发展了罐基础预埋检测元件法及导电性粉体元件监测法、电场感应技术和光导纤维监测法等。

2.6 储罐泄漏初期处置措施

美国国家消防协会标准NFPA 329-2005《易燃气体和液体泄漏处理推荐做法》规定了储罐油品泄漏初期处置措施，包括：

(1)发现泄漏迹象。通过外观检查地表水和土壤可见油气，设备监控、盘库计量和储罐底板出现渗水等。

(2)确定泄漏区域危险性等级。易燃或可燃液体、气体从地表水或从土壤中渗出，在汇流点聚集形成高浓度可燃气体。如地表水形成油膜或气泡，火灾危险性较小；如水体油膜宽度超过6 m，火灾危险性较高。

(3)气体检测和人员疏散。可燃气体浓度高于最低燃烧下限(LFL)的50 %，禁止人员进入可燃液体、气体泄漏扩散区域，采取自然通风措施并疏散受影响区域的公众。可燃气体浓度低于LFL的50 %，才能进入查找泄漏源，人员应佩戴自持式呼吸器进入。

(4)消除点火源。消除泄漏源30 m之内的点火源。

(5)查找泄漏源。建议在发现油气迹象的100 m范围内查找泄漏源。

3 储罐溢流控制

油品溢流形成流淌火灾是储罐之间火灾蔓延的主要途径，是储罐消防控制的重要内容。储罐泄漏探测系统设计原则应保证在泄漏初期探测到油气并采取关断、隔离和疏散等措施，防止储罐发生全面积敞口火灾或者流淌火灾。美国标准NFPA 30-2012《易燃和可燃液体规范》规定了地上储罐溢流控制措施，推荐采用远距离蓄液、防火堤蓄液和双层密封罐三种形式，重点是防火堤围控措施，即在防火堤内规划溢流液体安全流通通道，防止易燃或可燃液体进入天然水道、公共污水道或公共排水系统，包括以下基本要求：

(1)距离储罐15 m范围内，防火堤地面设置不小于1 %的坡度；

(2)防火堤蓄液区的容量应不小于最大储罐的容积；

(3)防火堤外侧基础距地界线不应小于3 m；

(4)防火堤平均内部高度限制在其内部地面1.8 m之内；

(5)每个防火堤区(有两个以上储罐)应用排液通道或者应用中间防火堤隔离，防止因溢流而危及防火堤内的相邻储罐；每个超过1 590 m3原油储罐应画出一个次级防火堤区；任何类型储罐储存不稳定液体时，每个储罐应有次级防火堤；Ⓒ同一防火堤中如有两个以上储存I级液体的储罐且每个储罐直径超过45 m，应在临近储罐之间采用中间防火堤，防火堤应至少容纳储罐容量的10 %；设置排液通道和中间防火堤应考虑单个储罐容量大小，位于储罐之间，以便充分利用空间。中间防火堤高度不应小于45 cm。

4 储罐可燃气体探测系统

储罐产生油品泄漏，在防火堤内可能形成高浓度易燃蒸气，应在罐区安装油气泄漏检测系统。可燃气体探测报警系统是保证油气管道站场设备和人员安全的重要设施。国内已有可燃气体探测报警系统的设计、 产品参数、 施工安装调试以及检定校准等标准， 但气体探测器选型、设置和运行维护标准还不完善。文献[5]以美国标准 ISA-60079-29-2(12.13.02)-2012《爆炸性气体环境 第 29-2 部分: 气体探测器-易燃气体和氧气探测器的选型、安装、使用和维护》为例，介绍了美国油气管道站场可燃气体探测报警系统在产品选型、传感器冗余设计、设置场所、报警设定值、运行维护和使用方法培训方面的先进经验和推荐做法。例如远程控制可燃气体探测报警系统的传感器采用双重或三重冗余设计，低温、强腐蚀性和潮湿环境下气体探测器防护措施，以及故障时应采取的替代措施等。

5 储罐固定式灭火系统

5.1 罐壁式泡沫灭火系统

国内储罐大部分采用罐壁式泡沫灭火系统，应用中存在以下问题：

(1)泡沫喷射口沿罐周等角均布，如风力较大，虽设有泡沫导流板，泡沫仍易被风吹散，造成大量泡沫损失。

(2)针对1.5×104m3大型浮顶储罐，泡沫在环形空间汇集至少需要9 min，特别是密封圈着火点不正对泡沫喷射口正下方时，很可能错过最佳的灭火时机。原因是泡沫沿罐壁流至浮盘泡沫堰板与罐壁之间的环形空间，在形成一定厚度泡沫带淹没密封圈后，泡沫再从密封圈顶部裂口溢流进入密封圈内部实施灭火。

(3)雷电引起的密封圈火灾可能伴随大雨，喷射泡沫会被雨水稀释，影响灭火效果。

5.2 浮盘边缘式泡沫系统

浮盘边缘式泡沫系统尚未在我国普遍应用。泡沫喷射口设置在泡沫堰板与二次密封支撑板之间的开放空间，喷出泡沫直接覆盖在油面实施灭火，避免外界风力和雨水对泡沫的影响，但仍不能完全解决泡沫只有完全淹没金属支撑板后才能进入密封圈内部灭火的问题。只有在储罐检修期间才能对泡沫管线进行维修，泡沫管线耐腐蚀、耐高温、耐高压等性能要求高，造价高，从而限制了应用范围。

5.3 液下泡沫灭火系统

储罐泡沫灭火系统在扑救油罐高液位密封圈火灾时效果显著，储罐低液位时，上部喷射的泡沫下降过程中易被火焰吹开而很难落入密封圈或液面上。储罐液上喷射泡沫灭火设施不能有效扑救在浮顶下降、倾斜及全面池火时浮顶油罐火灾。液下喷射泡沫灭火系统是在可燃液体下部注入泡沫，泡沫受浮力作用上升到液体表面并扩散，形成泡沫层的灭火系统，液下灭火设施宜应用于扑救拱顶油罐火灾。荷兰和伊朗国家石油规范规定原油固定顶储罐应设置由泡沫消防水泵、 泡沫比例混合装置、 高背压泡沫产生器等组成的液下喷射泡沫灭火系统[6]。

该灭火方式具有以下优点：

(1)泡沫管线和泡沫喷射口安装在储罐底部，储罐火灾状态下不易受到储罐燃烧爆炸而被损坏。

(2)泡沫从中央上浮至燃烧油品液面，可有效冷却油品，并形成隔绝空气的泡沫毯。

(3)从底部上升的泡沫液直接达到燃烧油品顶部的速度更快，受高温和辐射热破坏影响小，可以避免从罐顶往下喷射时遇到强热气流的阻扰，灭火效率高。

(4)规避因罐顶掀翻而导致顶部灭火失灵。

(5)可以利用油罐进出油管道作为泡沫管线，因此还可节省投资。

该灭火方式需解决的主要问题是防止泡沫夹带过多油品成为可燃泡沫而失去灭火能力，只能选择同时具有疏水性和疏油性的氟蛋白泡沫，泡沫发泡倍数控制在3倍较为适宜。还应确保入口处高于罐底任何可能存在的水位0.3 m，否则进入水层的泡沫液会失效。此外，泡沫喷射口的止回阀容易密封不严，可能导致罐内油品渗漏问题。伊朗M油田储罐在止回阀后设置超压爆破片，可有效防止油品泄漏。液下泡沫灭火系统见图1。

注：1A级液体包括那些燃点在华氏73°F，摄氏22.8℃以下，并且沸点在华氏100°F，摄氏37.8℃以下。

图1液下泡沫灭火系统示意图

6 储罐自动泡沫灭火系统

储罐固定式消防系统主要问题是需配备供水管网、泵、泡沫发生器、消防车辆和监视系统，技术设备繁琐，多系统相互影响可靠性；准备时间长(有时长达几个小时)；灭火时间很长(有时长达几天)；需配备消防人员等。近年来国外研发了CFITM、TANK GUARD、SEF等设置在浮盘边缘的独立的灭火单元，以希腊FoamFatale TM技术进行说明。希腊FoamFatale TM技术最显著的优点是无需消防水、电力和其他设备(泵、比例混合器、抽吸装置)，探测到火灾信号后5～10s内自动启动；灭火速度极快(最长2 min)；灭火过程无需人员参与；空气污染小；对罐体和管内油品影响小；维护简便成本低，可靠性高。

FoamFatale TM研究认为，泡沫供给强度如达到现有标准规范中规定值的2～3倍，能够大大提高灭火机率。FoamFatale TM泡沫供给强度高达20～30L/(min·m2)。与传统的泡沫供给系统不同，泡沫不是在火灾事故现场配置，而是预先配置好，储存在压力容器中。为保证高强度泡沫流量，该系统设计了分布式线性喷射口(CLN)，泡沫管道沿罐周安装在靠近罐壁的位置，喷射口平均分布在泡沫管道上。发生火灾后，温度传感器探测火灾信号，启动控制阀。自膨胀泡沫在管道内完成膨胀，通过喷射口向罐体中心射出，泡沫在极短时间内扩散完毕，在罐内液体表面形成泡沫覆盖层，隔绝氧气，实施灭火，同时冷却罐体表面温度。

7 储罐移动式灭火技术

储罐火灾事故统计表明，密封圈雷击着火是浮顶罐最常见的火灾类型，API统计1951—1995年81起直径超过30 m的大型浮顶储罐火灾事故中，密封圈火灾占72.8%(其它是空隙火灾、液面火灾和储罐地面火灾等)[7]。国外有浮顶下沉伴随火灾的发生，最终形成储罐全面积敞口火灾的案例。例如1981年美国某石油公司炼油厂一个10×104m3原油浮顶罐发生了浮顶沉没，导致火灾失控。储罐全面积敞口火灾难于扑救，特别是原油储罐会发生沸溢，扑救时间短则数小时，长则达几天时间。固定式消防系统设计原则是扑救密封圈火灾，根本无法满足扑救全面积火灾要求。

7.1 国内油库移动式消防设备

我国大型储罐均设置固定式消防系统，较少配置大功率移动式消防设备，例如国内一级石油库一般配备1～3辆消防车，很少配备专门的举高喷射消防车。GB 50074—2014《石油库设计规范》规定石油库储罐区消防用水量应为扑救最大的储罐火灾配置泡沫用水量和冷却储罐所需最大用水量的总和。存在的问题是未涵盖移动消防用水量。据统计，由于消防设施运行状态不充分导致火灾扩大的情况占半数以上，消防车用于少量的流散火灾以及泡沫灭火的补充是很有必要的。建议GB 50074增加移动消防用水量条款，一方面保障消防车等移动灭火设备的供水量，另一方面可以更好地确保固定式灭火系统的灭火效率。

7.2 国外储罐移动式消防设备

国外有应用移动式大流量泡沫炮成功扑救大型储罐全面积火灾事故的案例，例如美国使用巨型泡沫炮成功扑救直径60.96 m的油罐火灾，射程152 m，流量达250L/s；沙特阿莫科公司推荐扑救直径60～100 m浮顶罐火灾，使用流量260～930L/s消防炮。移动式消防设备泡沫供给强度明显高于固定式消防系统，例如美国消防协会标准NFPA 11—2016规定固定式泡沫灭火系统的泡沫混合液的供给强度是4L/(min·m2)，持续供给时间是55 min。针对原油储罐全面积火灾，采用泡沫炮灭火，泡沫混合液供给强度是6.5 L/(min·m2)，持续供给时间是65 min。为弥补泡沫液损失量，泡沫炮实际泡沫供给强度往往需提高至10 L/(min·m2)以上。

8 结语和建议

为提高我国大型油库的安全性和可靠性，应充分借鉴国外油库消防技术的先进经验，建议储罐消防和安全系统在以下几个方面加以改进：

(1)新建油库在设计阶段大力推广应用“三级防控系统”的设计理念，确保事故状态下油品不泄漏至油库外区域造成环境污染。

(2)在分析比选储罐泄漏检测技术优缺点的基础上，考虑储罐运行状况和成本，可使用一种或组合使用多种储罐泄漏检测技术。

(3)考虑储罐容量大小、储存液体危险性等因素，防火堤内规划溢流液体安全流通通道，或者应用中间防火堤隔离，防止因溢流而危及防火堤内的相邻储罐。

(4)借鉴美国消防协会标准先进经验和推荐做法，完善国内气体探测器选型、设置和运行维护标准。

(5)浮盘边缘式泡沫灭火系统相对于罐壁式泡沫灭火系统更适用于扑救大型储罐的密封圈火灾，但应致力于提高该灭火系统设施的可靠性和稳定性。

(6)固定顶储罐选择液下喷射泡沫灭火系统应考虑泡沫液类型、泡沫发泡倍数、泡沫管线防渗漏措施等。

(7)国外新型灭火系统启动快、 灭火效率高，适用于扑救浮顶罐密封圈初期火灾。

(8)建议国内油库配备大功率移动式消防设备，用以扑救储罐全面积火灾。