大型低温储罐灾害事故处置研究

张雪峰 陈文博 孙烈武 金裕昊 李灯

0 引言

大型低温储罐是用于储存沸点在-165℃至0℃的碳氢化合物或氨，且设计压力不大于50kPa的钢制平底立式圆筒形地上储罐，也称全冷冻储罐。大型低温储罐通常由储罐内罐、外罐、绝热层、围堰等结构构成，为确保储罐始终处于低温状态下运行，配套设置蒸发气系统（Boil Off Gas 简称BOG系统）、交换系统、气化系统及储罐安全系统等[1]。储罐储存低温冷冻液体，典型产品包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯和丁二烯，亦包括液化天然气、液化石油气等，广泛应用于石油化工和能源储运行业。大型低温储罐设备设施一旦泄漏着火，火势蔓延迅速，而且还容易引起爆炸，给救援工作带来极大困难。近年来，大型低温储罐在生产、储存、检修过程中泄漏、燃烧和爆炸等灾害事故时有发生。2010年12月18日，浙江华辰能源有限公司（现更名为浙江物产化工港储有限公司）一座容积为2万立方米的低温丙烯储罐在进行物料置换时发生爆炸燃烧，浙江、上海两地调派61辆消防车、364名消防队员历时3个小时完成事故处置，成功保护了白沙湾油库原油罐区和丙烯球罐、低温丙烷储罐等，未造成人员伤亡[2]；2020年11月2日，中石化北海液化天然气有限责任公司（现更名为国家管网集团北海液化天然气有限责任公司）在实施二期工程项目富液装车分支管道甩头施工作业时，TK-02储罐（一座容积为16万立方米的低温液化天然气储罐）罐前二层平台液化天然气（LNG）外输出管线发生泄漏，约10秒钟后，泄漏物质起火燃烧，约7分钟后，有关阀门失电关闭，明火随后熄灭。事故造成7人死亡，2人重伤，直接经济损失达 2029.30万元[3]。

1 储罐概况及消防设施简述

1.1 储罐分类

大型低温储罐按结构可分为单容罐、双容罐、全容罐和薄膜罐[4,5]，如图1所示。

图1 单容罐、双容罐、全容罐和薄膜罐的结构示意图

单容罐：又称单防罐，带隔热层的单壁或由内罐和外罐组成，内罐储存低温冷冻液体，外罐主要作用是整体支撑和保护隔热层，能承受气体吹扫的压力，但不能储存内罐泄漏出的低温冷冻液体。

双容罐：又称双防罐，由内罐和外罐组成，内罐和外罐都适应储存低温冷冻液体，在正常操作条件下内罐储存低温冷冻液体，外罐能储存内罐泄漏出来的冷冻液体，但不能限制内罐泄漏的冷冻液体所产生的气体排放。

全容罐：又称全防罐，由内罐和外罐组成，内罐和外罐都适应储存低温冷冻液体，内外罐之间的距离为1-2米，罐顶由外罐支撑，在正常操作条件下内罐储存低温冷冻液体，外罐既能储存低温冷冻液体，又能限制内罐泄漏液体所产生的气体排放。

薄膜罐：金属薄膜内罐、绝热层及混凝土外罐共同形成的复合结构，金属薄膜内罐为非自支撑式结构，用于储存低温冷冻液体，其液相荷载和其他施加在金属薄膜上的荷载通过可承受荷载的绝热层全部传递到混凝土外罐上，其气相压力由储罐的顶部承受，该罐类型目前比较少见。

1.2 储运工艺简介

大型低温储罐的储运工艺系统主要由低温冷冻液体卸船（或乙烯裂解等石油化工装置）、输送、储罐储存、BOG处理、气化/外输、火炬放空系统等组成，也包括中央控制室、仪表控制、消防等辅助设施及公用工程系统。以乙烯低温储罐为例，从码头装卸臂或乙烯装置将乙烯输送至罐内储存，由于物料密度、组分、温度等差异，且低温冷冻液体沸点低、易气化，罐内乙烯以气液两相形式存在。其工艺核心就是对气液两相物料的处理，气相低温液化处理采用BOG处理系统（乙烯气压缩机、冷冻机组、再冷凝器及分液罐等）保证罐内压力平衡；液相气化处理通过气化系统为下游装置提供乙烯气体，或者通过输送系统外输。此外，储罐内气相空间超压，蒸发气压缩机不能平衡压力且超过安全阀设定值时，罐内多余蒸发气将通过安全阀泄放，进入火炬焚烧。乙烯低温储运系统的工艺流程如图2所示

图2 乙烯低温储运系统的工艺流程图

1.3 消防设施简介

1.3.1 固定式消防冷却水系统

该消防设施由固定消防水池（罐）、消防水泵、消防给水管网及固定喷淋保护、分隔水幕、水炮等组成，用于人员保护、物料泄漏分隔稀释、设备设施冷却保护和初期气相火灾灭火等，如图3所示。

图3 固定式消防冷却水系统

1.3.2 固定式干粉灭火系统

该消防设施由干粉储存装置、驱动装置、管道、喷射装置、火灾报警及联动控制装置等组成，能自动或手动向被保护设备设施喷射干粉灭火剂，如图4所示。

图4 固定干粉灭火系统

1.3.3 高倍数泡沫灭火系统

该消防设施由泡沫消防水泵或泡沫混合液泵、泡沫比例混合装置、泡沫产生器、管道、导流沟和集液池等组成，用于降低低温液体泄漏后的蒸发速率，减轻泄漏物被点燃而发生火灾时热辐射的影响，如图5所示。

图5 高倍数泡沫灭火系统

2 危险性分析

2.1 物料参数

大型低温储罐储存的低温冷冻液体中，甲烷和液化烃都属于甲类和甲A类火灾危险性介质[5]，具有明显的火灾爆炸危险性，其中液化烃不仅容易造成窒息，而且也会引起急性中毒；氨属于乙类火灾危险性介质，不但易燃易爆，接触还会造成中毒和化学灼烧，储罐常见物料理化参数[6]见表1。

表1 大型低温储罐常见物料理化参数一览表

2.2 低温危险性

低温冷冻液体泄露到常温环境中，从周围环境中吸收大量的热，并迅速沸腾蒸发，周围空气中的水蒸气被冷凝成“雾团”，使温度急速下降，泄漏蒸发的气体会在近地面形成流动层，导致附近的工作人员被低温灼伤，同时会对设备设施造成冷收缩、脆裂等危害。

2.3 火灾危险性

甲烷和液化烃泄漏蒸发后，与空气混合扩散形成气云，仅需小于0.5毫焦（mJ）点火能，即静电火花的能量，就会引起燃烧或爆炸。火焰和热辐射长时间传热，导致储罐和其他设备设施压力急剧上升，如果降温冷却不及时，或泄压装置来不及工作，都有可能引发二次事故。

2.4 中毒窒息危险性

液化烃蒸气均有一定程度的毒性，属于窒息剂、麻醉剂等，人体吸入可导致急性中毒。当泄漏蒸气浓度逐渐升高，空气中氧气的含量逐渐降低，周边人员便会出现窒息、麻醉或急性中毒等事故。如果人处在氧气体积浓度小于10%环境中，会对人体造成严重的永久性伤害，甚至会导致窒息死亡。

2.5 快速相变危险性

低温冷冻液体泄漏且不能及时蒸发，汇集形成液池，遇到水等温度相对较高的物质会快速相变（RPT），立刻沸腾气化，形成蒸汽云，瞬间产生巨大超压，严重时导致蒸气爆炸（BLEVE），对周边储罐和设备设施造成物理伤害，且蒸气云团一旦被引燃，会产生爆燃和池火。

2.6 自聚危险性

丙烯、丁二烯等具有双键，在特定条件下易发生自聚反应，自聚会放出大量的热量，放出的热量不及时导除，易引起超压胀罐等事故；自聚生成的高聚物易造成管道、阀门等堵塞，从而造成泄漏、爆炸、火灾等事故。

2.7 低温液体翻滚危险性

装卸物料期间，新物料进入储罐后，与原有物料之间会发生传质和传热，产生对流和混合，短时间内产生大量蒸发气，该现象称为翻滚。如果新旧物料的温度、比重、成分等差异越大，翻滚越剧烈，会导致储罐内压力急剧上升，造成设备设施放空泄压、超压泄漏，甚至损害罐体等不利情况。

2.8 外部灾害事件危险性

储罐的地基不均匀下沉、周边山体滑坡，地震、海啸和军事打击等特殊事件的发生，往往引发灾难性的后果，在采用工艺措施将事故控制在一定范围后，前沿处置人员应立即紧急撤离，同时根据事故影响范围划分重危区、轻危区和安全区，转移危险区的人民群众，做好避险工作[7]。

3 处置要点

3.1 信息收集

3.1.1 接处警

发生灾情后，指挥中心和指挥员应及时核实地点、部位、泄漏/燃烧物、扩散/燃烧范围、危险程度等要素，根据灾害事故特点和发展趋势，优化完善力量编程。重点调集高倍数泡沫以及相应的泡沫发生器、防冻服、纯棉内衣、皮质手套、空气呼吸器等处置低温沸腾液体事故所需的器材到场。

3.1.2 途中询情

行进途中应保持与指挥中心、事故单位通讯联系；及时掌握灾情动态信息，并根据事故单位地理位置、气象条件及初步掌握的现场情况进行路线调整，合理设定集结区；通过观察放空火炬和紧急放空阀排放等情况，确定集结区距离。

3.1.3 信息核实

核查周边罐区和生产装置的类型、介质、液位、工艺等基本情况；分析各类罐型和装置的设防底线，根据承受不同辐射热强度的影响，确定各罐区和装置的危险性；了解周边罐体受威胁程度，查明该罐上下游关联装置设备的工艺状况，及时采取相应的工艺处置和战术预防措施。

3.2 侦察研判

3.2.1 了解工况和灾情

主要了解事故单位是在停产检修，还是在正常生产时（进料、出料或超压状况）发生事故；储存介质、液位、温度、压力、工艺流程和BOG系统制冷情况；发生事故的部位和灾害形式（少量气相泄漏、少量液相泄漏、大量气相泄漏、大量液相泄漏、燃烧、爆炸）。

3.2.2 确认关键信息

首先要确认BOG系统、紧急停车系统（ESD系统）、安全仪表系统（SIS系统）、紧急放空阀、火炬等安全系统是否能正常动作以及开启运作情况；是否有备用制冷系统，工艺中是否有冷源再利用情况（如低温乙烯与低温丙烯换热、给冷库提供冷源等）[8]。其次调集事故单位的平面图、工艺流程图、所有罐的结构图和施工图、进出料化验单等信息，核对事故单位各部位的危险性（综合罐区更应确认清楚各储罐的罐型、介质、液位、设防底线等情况，随时注意低温、泄漏扩散、燃烧、爆炸、有毒、腐蚀等危险因素）。最后确定急需采取的工艺处置措施以及单位内氮气储备、消防水储量、泡沫种类和储量等情况。

3.3 处置措施

对于大型低温储罐灾害事故处置要始终坚持工艺优先、消防协同；先控制、后消灭的处置理念。

3.3.1 安全警戒

接近事故现场时，观察火炬的火焰高度和燃烧状态可以判断储罐压力和灾害现场的危险性。罐内压力越高，火炬火焰高度越高，危险性越大。危险性从大至小依次顺序为：紧急放空阀开启直排大气；火炬燃烧伴有火雨（伴有液相燃烧）；火炬燃烧火焰高；火炬燃烧火焰低。危险性越大警戒范围越广，小量泄漏一般从上风向或侧风向行进至距事故点300-500米处集结，紧急放空阀开启直排大气出现白雾时，应在上风或侧上风方向3000米以外集结[7]。

3.3.2 工艺处置

由于设备设施缺陷、人的不安全行为或外部条件影响，导致物料暴露到外部环境中，发生泄漏、燃烧和爆炸等灾害事故。因此，科学开展关阀断料是工艺处置的第一步，也是重要一步。在关阀断料处置过程中，要确保系统压力、温度等工况参数在可控条件内，为此，通过集散控制系统（DCS系统）掌握和监测储罐系统的温度、压力情况，及周边储罐和装置是否处于安全可控状态。禁止盲目进入事故区域，待开展现场环境评估，明确安全撤退路线后[9]，组织精干人员和企业技术人员进入现场确认工艺处置效果，研判会商，制定下一步处置措施。

3.3.3 冷却保护

当储罐泄漏着火、火势呈蔓延趋势时，采取开启固定消防冷却水系统，加强罐区及周边冷却保护；罐体超压时开启紧急放空阀泄压，如遇火源猛烈燃烧，立即启动固定干粉灭火系统灭火，防止火势扩散。对于周边储存易燃易爆物质的储罐要加强氮气注入，检查氮封压力，确保本质安全；对于邻近的生产装置要采取紧急停车和注氮保护措施，及时切断与事故部位关联的物料进出阀门。

3.3.4 高倍数泡沫覆盖

对于泄漏的低温液体要及时开启固定或移动式高倍数系统进行覆盖，减缓低温液体气化速度，为下一步处置争取时间。释放高倍数泡沫时要提前验证泡沫，防止低温液体与水直接接触，加速气化。使用高倍数泡沫系统覆盖时要密切关注泡沫量，防止将水打入集液池加速气化；使用移动式高倍数泡沫产生器出泡沫覆盖导流沟和集液池时，输液距离不得大于150米，防止泡沫混合液分层，影响泡沫效果。

3.3.5 设置观察哨

内观察哨实时监视事故储罐的DCS系统运行情况包括温度、压力、液位、可燃气体报警等参数，及事故部位SIS系统和ESD系统工作状况；外观察哨要携带可燃、有毒气体检测仪器，找一处安全的高点，观察风向变化，监视事故部位和灾情态势。内外观察哨是现场指挥部的眼睛，一旦发生异常变化，应立即上报指挥部。

4 注意事项

一是根据现场道路、风向、地形地物等条件，将冷却与灭火的阵地设置在便于自我保护和安全撤离的部位及方向，严禁车辆抵近停靠，深入一线人员要精干，减少无关人员，由指挥部统一组织实施，并根据灾情态势变化动态调整。

二是做好个人防护，一线队员必须穿着纯棉防静电内衣，佩戴防护镜、阻燃头套、皮质手套、空气呼吸器、防冻服等防护装具。指挥员要掌握危化品理化特性，根据灾情发展，做好防爆炸、防中毒、防腐蚀等个人防护措施。

三是做好防爆工作，禁绝事故现场区域内的一切火源是成功处置泄漏事故的关键。低温液体泄漏时，应及时关闭储罐区的雨水排放阀，防止泄漏低温液体外排；气相泄漏，应及时关阀止漏，喷射雾状水对云团稀释驱散。

四是关阀断料等工艺措施必须由企业技术人员操作或指导下操作，处置过程中严禁随意关闭管线阀门，特别对于两低温阀门中间段管线部位未设置安全放空阀的，严禁同时关闭两组阀门，造成管线憋压破裂，导致物料泄漏。

五是要根据灾情类型和发生部位视情采取消防处置措施，不同固定消防设施的设防目的和保护区域不同。严禁采用直流水冲击低温液体和沸腾蒸气，严禁踩踏储罐和装置区内阀门和低温管线，严禁对低温设备及结霜部位喷水。

六是低温液体泄漏并发生火灾，可使用高倍数泡沫或干粉灭火剂扑救。释放高倍数泡沫处置事故过程中，应设专人观察高倍数泡沫原液剩余量，避免水与低温液体直接接触而快速气化，发生快速相变和蒸气云爆炸等意外事故。

七是要将政府有关部门、社会联动单位、专家、企业负责人和技术人员等纳入现场指挥部，依据现场检测数据、气象条件及最不利结果等开展评估研判，科学划定警戒区和疏散范围。一旦灾情升级，预警相关部门和单位，调集力量。

5 结语

本文从两起大型低温储罐灾害事故案例分析着手，简述了大型低温储罐的分类、储运工艺和消防设施，研究分析了大型低温储罐灾害事故的危险性，归纳了大型低温储罐灾害事故的处置要点和注意事项，为消防救援力量科学、安全、高效地开展此类事故的应急救援提供理论参考。