林純省 佟 倡 王 鑫 馬金鵬 馬偉平
(1. 中國航空油料有限責(zé)任公司溫州分公司,浙江 溫州 325000; 2. 遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順 113001;3. 中國石油天然氣管道局天津設(shè)計院,天津 300457;4. 中國石油管道大慶輸油氣分公司,黑龍江 大慶 163458;5. 中國石油管道研究中心,河北 廊坊 065000)
國外油庫防火堤設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)性探討
林純省1 佟 倡2 王 鑫3 馬金鵬4 馬偉平5
(1. 中國航空油料有限責(zé)任公司溫州分公司,浙江 溫州 325000; 2. 遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順 113001;3. 中國石油天然氣管道局天津設(shè)計院,天津 300457;4. 中國石油管道大慶輸油氣分公司,黑龍江 大慶 163458;5. 中國石油管道研究中心,河北 廊坊 065000)
防火堤是保障儲罐安全的重要設(shè)施,國內(nèi)儲罐防火堤容積、高度和強(qiáng)度等方面存在設(shè)計缺陷,提出了借鑒國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的理念,深入研究了美國和俄羅斯儲罐防火堤建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性,主要表現(xiàn)在:采用土質(zhì)防火堤,重視管道穿越防火堤密封處理以及防火堤防滲設(shè)計;基于油品泄漏沖擊載荷確定防火堤強(qiáng)度;防火堤有效容積、高度以及防火堤與儲罐安全距離要求均高于國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn);防火堤內(nèi)雨水和生產(chǎn)污水獨(dú)立排放;設(shè)置排流通道、中間防火堤(隔堤)和次級防火堤實施單個儲罐防護(hù)等。最后針對借鑒美國和俄羅斯儲罐防火堤建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)經(jīng)驗,提出了建議。
防火堤 標(biāo)準(zhǔn) 安全 容積 隔堤 強(qiáng)度
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(kuò)大和環(huán)境污染等問題。隨著我國石油戰(zhàn)略儲備實施和儲罐大型化發(fā)展趨勢,防火堤也應(yīng)進(jìn)一步提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和安全等級。近年來我國發(fā)生的多次儲罐油品泄漏、火災(zāi)爆炸事故表明,我國大部分已建油庫防火堤設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在安全隱患,主要表現(xiàn)的防火堤容積不足、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差等方面[1,2]。
近年來隨著我國中亞、中哈和中俄跨國管道建設(shè)運(yùn)營,國內(nèi)已開展美國、俄羅斯、加拿大等國外油氣管道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究,側(cè)重于管道干線運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)。通過借鑒美國API 650《焊接鋼制石油儲罐》、日本JIS B8501《焊接鋼制石油儲罐》等標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于單雙盤浮頂選用、罐壁厚度、抗風(fēng)圈設(shè)計和抗震設(shè)計等先進(jìn)理念。我國已掌握了15×104m3大型儲罐設(shè)計、建設(shè)技術(shù)。本文以油庫防火堤設(shè)計建設(shè)為例,重點(diǎn)研究了美國、俄羅斯的油庫防火堤標(biāo)準(zhǔn)與我國標(biāo)準(zhǔn)的重要技術(shù)性差異,對于提高我國防火堤標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)水平,以及保障油庫本質(zhì)安全具有重要意義。
美國防火堤標(biāo)準(zhǔn)主要有美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)API Std2610-2005《終端油庫和儲罐設(shè)計、施工、運(yùn)行、維護(hù)和檢驗》、API RP 12R1-1997《采油儲罐施工、維護(hù)、檢測、運(yùn)行和維修推薦作法》,以及美國國家消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA 30-2012《易燃和可燃液體規(guī)范》等。俄羅斯防火堤標(biāo)準(zhǔn)主要有СТ ГУ153-39-167-2006《干線原油管道工藝設(shè)計規(guī)范》、РД 13.100.00-КТН-196-2006《干線石油管道運(yùn)營安全規(guī)程》和РД 153-39.4-078-2001《干線石油管道和油庫運(yùn)行技術(shù)規(guī)程》、Правила-2004《儲罐技術(shù)運(yùn)營規(guī)程》等。
我國防火堤有GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》、GB 50351-2005《儲罐區(qū)防火堤設(shè)計規(guī)范》、GB 50074-2002《石油庫設(shè)計規(guī)范》和GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》等。
影響防火堤結(jié)構(gòu)完整性的因素主要是油庫工藝管網(wǎng)穿越防火堤,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了穿越密封工藝條件,例如API 2610管道穿越防火堤應(yīng)使用耐高溫或材料密封。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50183和GB 50351規(guī)定儲罐防火堤應(yīng)密實、密合,并保證其堅固、不滲漏;在穿越防火堤處,管道、線纜應(yīng)采用非燃燒材料封實;嚴(yán)禁在防火堤上開孔留洞。
國內(nèi)部分混凝土基的防火堤存在老化裂縫、管道穿越防火堤未密封加固處理等問題。國外也有防火堤裂縫造成重大事故的經(jīng)驗教訓(xùn),例如2005年英國Buncefeld油庫火災(zāi)爆炸事故中,由于防火堤存在裂縫,大量油品和消防泡沫液從裂縫溢流至Ver河,造成嚴(yán)重環(huán)境污染問題[1]。建議新建儲罐施工過程中應(yīng)重視管道穿越防火堤和伸縮縫的密封處理。
目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)針對防火堤機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計依據(jù)主要考慮防火堤應(yīng)能承受所容納油品產(chǎn)生的靜水壓力,較少涉及油品泄漏條件下的側(cè)向沖擊強(qiáng)度對防火堤的影響。國內(nèi)外油庫事故證明,大型儲罐如發(fā)生罐體破裂性油品泄漏,油品傾瀉產(chǎn)生的動能會對防火堤產(chǎn)生很大沖擊力,例如文獻(xiàn)[5]介紹了10000m3儲罐破裂的相關(guān)數(shù)據(jù),罐內(nèi)油品高度為12m,在罐壁1.5m處產(chǎn)生3m裂縫,泄漏發(fā)生8.5s后,傾斜而下溢油在防火堤內(nèi)側(cè)流速達(dá)14.33m/s,防火堤內(nèi)油品深度為1.4m,計算得到由于流動產(chǎn)生的沖擊力為流體靜水壓力的7.5倍。
建議新建防火堤強(qiáng)度設(shè)計時,除考慮承受油品的靜壓力之外,還應(yīng)考慮儲罐瞬間破裂時防火堤承受罐內(nèi)液體的沖擊壓力,此外俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078-2001規(guī)定建儲罐應(yīng)適當(dāng)減少防火堤坡度或在防火堤兩側(cè)堆土,以增加防火堤承受沖擊的能力,具有借鑒意義。
國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)NFPA 30、GB 50183和GB 50351均規(guī)定防火堤建筑材質(zhì)首選土堤,其次是鋼筋混凝土,不推薦使用磚石(漿砌石)結(jié)構(gòu)。實際應(yīng)用情況中,美國和俄羅斯油庫普遍采用梯形結(jié)構(gòu)的土質(zhì)防火堤,抗燃燒性能好,缺點(diǎn)是占地多、投資大,例如2m高土堤,防火堤基底寬度約6~7m。國內(nèi)受制于土地規(guī)劃和投資成本等因素,儲罐防火堤普遍采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或磚石砌筑,內(nèi)側(cè)噴涂防火涂料,防火堤寬度在2~3m。文獻(xiàn)[6]研究表明混凝土在300℃火焰條件下時強(qiáng)度開始下降,500℃火焰條件下強(qiáng)度降低50%,800℃火焰條件下強(qiáng)度幾乎全部喪失。原油或成品油火災(zāi)可能形成高于1000℃~1500℃的火焰,因此如果發(fā)生儲罐油品泄漏火災(zāi),及時規(guī)模較小,也可能在局部位置造成防火堤碎裂或坍塌失效問題。
建議新建儲罐在滿足投資成本情況下盡可能選擇土質(zhì)防火堤,儲存存在沸溢可能性原油、低閃點(diǎn)成品油等危險液體儲罐盡可能選擇土質(zhì)防火堤;對于已建儲罐采用混凝土結(jié)構(gòu)的防火堤,進(jìn)行防火涂料功能性試驗,應(yīng)選用非膨脹型防火涂料,性能參數(shù)應(yīng)滿足安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GA 98-2005《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》的規(guī)定,耐火極限應(yīng)大于2h,與混凝土粘接強(qiáng)度大于0.05MPa。
防火堤有效容積是影響防火堤安全性和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù),也是影響油庫投資成本的決定因素??紤]浮頂罐油氣空間較小,發(fā)生儲罐全面積敞口火災(zāi)的可能性小,安全性高,國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50183和GB 50351規(guī)定固定頂儲罐防火堤有效容積不應(yīng)小于油罐組內(nèi)一個最大油罐的容積;對于浮頂罐或內(nèi)浮頂罐,防火堤有效容積不應(yīng)小于油罐組內(nèi)一個最大油罐容積的一半。國外標(biāo)準(zhǔn)防火堤容積不區(qū)分固定頂儲罐和浮頂罐,均按照最大儲罐容積設(shè)計防火堤容積,并附加安全余量,儲罐區(qū)安全設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)更高,例如美國標(biāo)準(zhǔn)API 2610規(guī)定防火堤容積應(yīng)為防火堤內(nèi)最大儲罐容積,并考慮消防水和降雨余量;API RP 12R1規(guī)定防火堤容積至少為最大儲罐容積加上雨水余量(取值罐體積10%)。
建議新建儲罐在滿足投資成本的條件下,將固定頂和浮頂罐的防火堤容積統(tǒng)一規(guī)定為“有效容積不小于罐組內(nèi)最大儲罐的公稱容積,并能儲存進(jìn)入系統(tǒng)的雨水及消防水量”;對于已建儲罐存在防火堤容積不足的情形,考慮設(shè)置事故應(yīng)急池,制定儲罐泄漏應(yīng)急處置預(yù)案等;
針對防火堤高度,美國標(biāo)準(zhǔn)API 2610規(guī)定防火堤高度是相對外側(cè)消防道路地面以上2.2m;NFPA規(guī)定防火堤最低高度為0.9m,防火堤內(nèi)側(cè)高度應(yīng)高于內(nèi)部地面1.8m。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078-2001規(guī)定儲罐容量小于10000m3,防火堤高度不低于1m;儲罐容量大于10000m3,防火堤高度不低于1.5m。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50183規(guī)定防火堤實際高度以防火堤內(nèi)側(cè)地坪基準(zhǔn)不應(yīng)低于1m,以防火堤外側(cè)道路路面基準(zhǔn)不宜高于2.2m。
針對防火堤外側(cè)高度,國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的差異主要體現(xiàn)在防火堤高度的參照基準(zhǔn),防火堤內(nèi)側(cè)高度影響防火堤容量,防火堤外部高度影響人員操作和消防設(shè)備使用的便捷性。防火堤外側(cè)高度國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)基本一致,針對防火堤內(nèi)側(cè)高度,國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求較低,僅高于內(nèi)側(cè)地面1m,國外標(biāo)準(zhǔn)要求高于內(nèi)側(cè)地面1.5~1.8m,由于該設(shè)計參數(shù)要求較低,可能造成防火堤容積不滿足規(guī)范要求[7]。
隨著油庫工藝操作自動化程度提高,以及大型消防設(shè)備應(yīng)用,防火堤外側(cè)高度對儲罐操作和消防影響較小,建議新建儲罐以防火堤內(nèi)側(cè)地面依據(jù)計算防火堤高度。建議防火堤高度可適當(dāng)提高,以增大防火堤有效容積。
針對防火堤內(nèi)排水管道系統(tǒng),國內(nèi)油庫設(shè)計存在的主要問題是儲罐污水管道與防火堤雨水溝渠連接,如果雨水溝渠設(shè)計輸量有限,國內(nèi)罐區(qū)防火堤大部分為安裝防滲膜,有可能導(dǎo)致含油生產(chǎn)污水直接排入地表水導(dǎo)致環(huán)境污染問題[8]。
美國標(biāo)準(zhǔn)API 2610規(guī)定油庫防火堤內(nèi)應(yīng)設(shè)計污油隔離裝置,用于分離污油和雨水,例如設(shè)計路緣石或者配管系統(tǒng),將雨水和含油污水隔離。NFPA 30規(guī)定防火堤內(nèi)的排水管道不能進(jìn)入自然水體和公共排水管道系統(tǒng)。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078-2001規(guī)定儲罐污油不允許進(jìn)入雨水管道系統(tǒng),生產(chǎn)污水管道系統(tǒng)的操作閥門應(yīng)設(shè)置防火堤外側(cè)。СТ ГУ153-39-167-2006規(guī)定應(yīng)獨(dú)立設(shè)置生產(chǎn)污水和雨水管道系統(tǒng),生產(chǎn)污水系統(tǒng)應(yīng)埋地封閉重力自流敷設(shè)方式(防火堤內(nèi)的地下污油罐)。РД 13.100.00-КТН-196-2006規(guī)定應(yīng)設(shè)置專門的儲罐污水井和雨水排放閥門。
美國和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)通過污油隔離、配管系統(tǒng)、污油罐和污水井等,可實現(xiàn)雨水和生產(chǎn)污水獨(dú)立排放。建議已建儲罐防火堤內(nèi)設(shè)置污水處理裝置,新建儲罐防火堤的雨水排放系統(tǒng)和污水排放系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立分開并設(shè)置切換閥,實現(xiàn)分類排放、分級控制。
國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50074規(guī)定油庫防火堤內(nèi)宜設(shè)防滲措施。但該條款屬于非強(qiáng)制性要求,因此國內(nèi)油庫設(shè)計很少進(jìn)行防火堤地面防滲設(shè)計。一旦發(fā)生儲罐油品泄漏,可能導(dǎo)致地下水體污染[9]。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)Правила-2004規(guī)定應(yīng)在防火堤地表以下至少1m處進(jìn)行防滲設(shè)計,具體做法是在合成防滲膜上鋪一層至少150mm厚的碎石塊,或者采用厚度為100mm的混凝土。建議新建儲罐參考該做法。
油庫設(shè)置隔堤的目的是儲罐組發(fā)生初期火災(zāi)時,對著火儲罐進(jìn)行有效分隔和限制,避免油品泄漏范圍擴(kuò)大,減少事故損失。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB 50074規(guī)定儲罐容量超過 2×104m3,1個隔堤內(nèi)儲罐不應(yīng)多于 2座;儲罐容量小于 2×104m3,1個隔堤內(nèi)可以設(shè)置 4座或者 6 座儲罐。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)存在的問題是隔堤內(nèi)仍可設(shè)置多個儲罐,無論采取2×2或者2×3儲罐布置方式,如發(fā)生儲罐泄漏形成流淌火災(zāi),均可能威脅隔堤內(nèi)其他儲罐[10]。
美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 30規(guī)定防火堤內(nèi)如有兩個或者兩個以上儲罐,應(yīng)設(shè)置中間防火堤(隔堤)進(jìn)行隔離。為防止油品溢流危及相鄰儲罐,以下情形下也應(yīng)設(shè)置中間防火堤(intermediate dike):
(1)設(shè)置中間防火堤應(yīng)考慮單個儲罐容量,中間防火堤設(shè)置在儲罐中部,中間防火堤高度應(yīng)小于0.45m;
(2)防火堤內(nèi)如果有兩個或者兩個以上儲罐,且單個儲罐直徑均超過45m(以較小值為準(zhǔn)),應(yīng)在相鄰儲罐設(shè)置中間防火堤,防火堤應(yīng)至少容納較小儲罐容量的10%;
(3)單個超過380m3的儲罐應(yīng)設(shè)計一個次級防火堤區(qū)(subdivision)。
美國標(biāo)準(zhǔn)通過設(shè)置排流通道、中間防火堤(隔堤)和次級防火堤,可實現(xiàn)對單個儲罐安全防護(hù)。建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)儲罐隔堤設(shè)置原則,10000m3以上儲罐均應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的隔堤,參照國外標(biāo)準(zhǔn),隔堤容量最低不能小于儲罐容量的10%。
目前國內(nèi)外針對油庫是否設(shè)置事故存液池還存在爭議,部分學(xué)者認(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)儲罐設(shè)施、液位監(jiān)測裝置和工藝管道系統(tǒng)的可靠性,作為儲罐安全防護(hù)的第一級,油庫內(nèi)設(shè)置油品匯流管道系統(tǒng)作為儲罐安全防護(hù)的第二級;事故應(yīng)急池為第三級。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)РД 153-39.4-078-2001規(guī)定距離油庫邊界200m內(nèi)如存在居民區(qū)、企業(yè)、鐵路或者河流等,應(yīng)設(shè)置應(yīng)急儲存設(shè)施,避免儲罐事故時油品溢流到上述區(qū)域。針對設(shè)置事故應(yīng)急池不應(yīng)以偏概全、一概而論,對于環(huán)境敏感區(qū)或者高后果去可設(shè)計事故應(yīng)急池,或者設(shè)計圍堰、攔油墻等其他替代。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全距離可作為設(shè)置事故應(yīng)急池的參考依據(jù)。
綜上所述,國外油庫防火堤設(shè)計和運(yùn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性主要表現(xiàn)在以下幾個方面,建議國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)借鑒,以提高我國儲罐安全防護(hù)水平。
(1)普遍采用土質(zhì)防火堤,抗高溫燃燒性能好,重視管道穿越防火堤密封處理工藝,重視防火堤防滲設(shè)計;
(2)防火堤強(qiáng)度設(shè)計除承受液體靜水壓力,還應(yīng)承受油品泄漏造成的沖擊速度載荷;
(3)防火堤有效容積是最大儲罐容量的100%~110%,且考慮消防水、雨水的安全量;
(4)以防火堤內(nèi)側(cè)地面為依據(jù)計算防火堤高度,防火堤高度至少應(yīng)為1.5~1.8m;
(5)設(shè)置污油封攔系統(tǒng)、配管系統(tǒng)、污油罐和污水井等多種形式,防火堤內(nèi)雨水和生產(chǎn)污水獨(dú)立排放;
(6)設(shè)置排流通道、中間防火堤(隔堤)和次級防火堤等,實施單個儲罐防護(hù),避免著火儲罐對相鄰儲罐影響;
(7)油庫設(shè)計事故存液池原則依據(jù)。
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The Advancement Discussion on Foreign Tank Fire Dike Design Standards
LIN Chun-sheng1TONG Chang2WANG Xin3MA Jin-peng4MA Wei-ping5
(1. China National Aviation Fuel Wenzhou Branch., Wenzhou 325000, China; 2. LIAONING SHIHUA UNIVERSITY, Fushun 113001, China; 3. China Petroleum Pipeline Bureau Tianjin Design Institute, Tianjin 300457, China; 4. PetroChina Pipeline Daqing Oil & Gas Transportation Sub-Company Daqing 163458, China; 5. PetroChina Pipeline R&D Center, Langfang 065000, China )
The fre dike was the important facilities for guarantee the tank safety. Because of design defects lying in domestic tank fre dike volume and hight and strength, the idea of referring the advancement of foreign standard was raised. The advancement of American and Russia tank fre dike construction standard were studied in detail, including adopted soil fre dike, and strictly seal measures for pipeline crossing and anti-leakage engineering, and determination fire dike strength based on oil leakage impact load, and the more strict requirements of fire dike volume and hight and safe distance between tank and fire dike, and independent fire dike rain water and industrial waste water drainage systems, and set discharge channel and intermediate dike and subdivision for individual tank protection. Finally, the suggestion of adopting American and Russia tank fre dike construction standard was made.
fre dike; standard; safety; volume; isolating-dike; strength
TE 88
A
10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2016.11.03.04
林純?。?987-),男,浙江溫州人,助理工程師,本科,現(xiàn)主要從事石油化工安全管理工作。