蘭天其，王靖元，張國強(qiáng)

(武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊　065000)

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浮頂結(jié)構(gòu)對內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)撲救的影響研究

蘭天其，王靖元，張國強(qiáng)

(武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊065000)

從內(nèi)浮頂油罐的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了固定泡沫滅火系統(tǒng)和移動泡沫滅火裝備滅火時(shí)泡沫覆蓋對浮頂結(jié)構(gòu)的影響，近似計(jì)算了泡沫溢出泡沫堰板的時(shí)間，以及泡沫重量達(dá)到浮頂結(jié)構(gòu)承重極限的時(shí)間，并以此作為浮頂結(jié)構(gòu)可能發(fā)生傾斜或下沉的粗略時(shí)間。指出了浮頂結(jié)構(gòu)傾斜和下沉對火災(zāi)撲救造成的難點(diǎn)，得出了針對性結(jié)論，強(qiáng)調(diào)火災(zāi)撲救中應(yīng)合理高效使用泡沫，避免浮頂結(jié)構(gòu)的傾斜和下沉。

內(nèi)浮頂油罐；浮頂結(jié)構(gòu)；火災(zāi)撲救；泡沫

0　引言

隨著石油經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油品消耗量的逐漸增加，油罐規(guī)模、數(shù)量不斷增大，油罐的消防安全問題尤顯重要。在油品存儲中，內(nèi)浮頂油罐因其損失少、防污染的特點(diǎn)被越來越多地應(yīng)用。內(nèi)浮頂油罐以其獨(dú)特的浮頂結(jié)構(gòu)通常造成液泛、溢油、傾斜等現(xiàn)象，在火災(zāi)撲救中常發(fā)生浮頂傾斜、下沉，造成燃燒死角難以撲滅，浮頂結(jié)構(gòu)對內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)撲救的影響成為公安消防部隊(duì)關(guān)注的問題。

目前國內(nèi)專家學(xué)者關(guān)于浮頂結(jié)構(gòu)對內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)撲救的影響進(jìn)行了一定的研究分析，孔昭瑞分析了內(nèi)浮頂油罐的優(yōu)越性，指出組裝式內(nèi)浮頂?shù)膽?yīng)用前景，比較了鋼制、鋁制和塑料內(nèi)浮頂?shù)男阅?，并提出了改進(jìn)建議[1]。陳勇等從防火的角度分析了內(nèi)浮頂浮盤的防火作用與缺點(diǎn)，及其在操作中存在的問題和對策[2]。郎需慶等分析了內(nèi)浮頂儲罐燃爆事故特點(diǎn)和撲救難點(diǎn)，以試驗(yàn)的方法研究了熱氣溶膠撲滅內(nèi)浮頂火災(zāi)的性能[3]。以上研究都專注于內(nèi)浮頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)、安全性，以及內(nèi)浮頂油罐的滅火技術(shù)，缺少關(guān)于浮頂結(jié)構(gòu)對內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)撲救影響的分析。因此，文本從內(nèi)浮頂結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對火災(zāi)撲救造成的影響，從而得出針對性結(jié)論，為消防部隊(duì)撲救內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)提供參考。

1　內(nèi)浮頂油罐結(jié)構(gòu)

與固定頂罐有所區(qū)別的是，內(nèi)浮頂是在固定頂罐內(nèi)部設(shè)置的隨液面升降而上下浮動的頂，從而有效地減少了儲液的蒸發(fā)損失和大氣污染，其經(jīng)濟(jì)效益更高，是存儲汽油以及揮發(fā)性石油化工產(chǎn)品的理想設(shè)備[4]。同樣是浮頂罐，與外浮頂油罐多為大型儲存原油為主不同的是，內(nèi)浮頂油罐以存儲成品油為主，且多為幾千立方米的中型油罐，其基本參數(shù)如表1所示[5]，在此歸為小型、中型、大型三類內(nèi)浮頂油罐。內(nèi)浮頂油罐結(jié)構(gòu)如圖1所示，其并不是固定頂罐與浮頂罐的簡單疊加，兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其浮頂結(jié)構(gòu)又有類別之分，部分罐體還設(shè)有氮?dú)饷芊庋b置等。

表1　內(nèi)浮頂油罐基本參數(shù)表

1-支柱；2-邊緣構(gòu)件；3-密封裝置；4-防旋轉(zhuǎn)裝置；5-浮盤；6-量油孔；7-靜電導(dǎo)出裝置；8-真空閥；9-鋪板；10-人孔；11-泡沫擋板；12-進(jìn)油擴(kuò)散管；13-罐壁通氣孔；14-罐頂量油孔；15-罐頂通氣孔；16-罐頂人孔

圖1內(nèi)浮頂油罐結(jié)構(gòu)圖

2　浮頂結(jié)構(gòu)的泡沫覆蓋分析

內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)發(fā)生時(shí)，主要有固定泡沫滅火系統(tǒng)或半固定泡沫滅火系統(tǒng)和移動泡沫滅火裝備對油罐進(jìn)行噴射泡沫滅火。在浮頂結(jié)構(gòu)下沉前，泡沫主要噴射在浮頂結(jié)構(gòu)上，泡沫的重量則主要由浮頂結(jié)構(gòu)承重，從而影響著浮頂結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。

2.1固定泡沫滅火系統(tǒng)的泡沫覆蓋

內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)發(fā)生時(shí)，在浮頂尚未傾斜或下沉情況下，固定泡沫或半固定泡沫滅火裝置完好，向浮頂噴射泡沫，如圖2所示。大流量泡沫超過浮頂結(jié)構(gòu)有限的承重能力將會導(dǎo)致浮頂傾斜、下沉，造成燃燒死角，給火災(zāi)撲救造成困難。為避免噴射泡沫滅火時(shí)，大流量泡沫超過浮頂承重能力，導(dǎo)致浮頂出現(xiàn)傾斜或下沉，指導(dǎo)泡沫的噴射量，下面舉例計(jì)算內(nèi)浮頂?shù)某兄啬芰Α?/p>

圖2　內(nèi)浮頂油罐固定泡沫滅火系統(tǒng)滅火示意圖

固定泡沫產(chǎn)生器啟用時(shí)，泡沫沿罐壁流向內(nèi)浮頂密封圈中，邊緣設(shè)有泡沫擋板，形成環(huán)形的泡沫覆蓋區(qū)，如圖3所示。固定泡沫滅火系統(tǒng)向罐內(nèi)噴射泡沫，最先流進(jìn)這個(gè)區(qū)域，進(jìn)而流向整個(gè)浮頂。由于淺盤式抗沉性差，不再繼續(xù)使用，在此選取關(guān)于單、雙盤式內(nèi)浮頂?shù)呐菽瓬缁鹣到y(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。泡沫堰板距離罐壁不應(yīng)小于0.55 m，高度不應(yīng)小于0.5 m，固定泡沫滅火設(shè)施的保護(hù)面積應(yīng)按罐壁與泡沫堰板間的環(huán)形面積確定[6]，對這些參數(shù)都取臨界值，其泡沫產(chǎn)生器的型號和個(gè)數(shù)以《鋼制立式圓筒形內(nèi)浮頂儲罐系列》為準(zhǔn)。根據(jù)公式推算，帶入表1中的內(nèi)浮頂油罐尺寸參數(shù)可得出內(nèi)浮頂油罐浮頂結(jié)構(gòu)的泡沫覆蓋估算結(jié)果，如表2所示。

圖3　內(nèi)浮頂泡沫覆蓋區(qū)

通過推算可知，在首次的泡沫連續(xù)供應(yīng)時(shí)間30 min的前幾分鐘，是否經(jīng)過充分發(fā)泡，泡沫都已經(jīng)溢出泡沫堰板，向整個(gè)浮頂進(jìn)行覆蓋。而且，容積越大的內(nèi)浮頂油罐，泡沫越早溢出泡沫堰板。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)浮力不應(yīng)小于其自重的兩倍[7]，以其兩倍自重為臨界，則能承受浮頂重量一倍的泡沫，由此可估算出浮頂發(fā)生傾斜或下沉的時(shí)間。內(nèi)浮頂結(jié)構(gòu)主要分為敞口隔艙式內(nèi)浮頂、單盤式內(nèi)浮頂、雙盤式內(nèi)浮頂、浮筒式內(nèi)浮頂四種，而且環(huán)形空間的密封也分為軟泡沫密封、充液管式密封、機(jī)械式密封等，這樣的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致其重量、浮力也不同。因此，為計(jì)算內(nèi)浮頂重量，采用粗略估算，均把浮頂結(jié)構(gòu)當(dāng)做規(guī)則圓盤處理，由公式m=ρV計(jì)算出內(nèi)浮頂?shù)馁|(zhì)量。鋼制浮盤，其密度取7.85 g·cm-3；鋁制浮盤，其密度取2.81 g·cm-3，由此估算內(nèi)浮頂?shù)闹亓?。泡沫重量以混合液?jì)算，其密度取1 g·cm-3，則浮頂結(jié)構(gòu)的泡沫承重如表3所示。由此得出，浮頂結(jié)構(gòu)由于泡沫的持續(xù)噴射而達(dá)到承重極限，導(dǎo)致傾斜或下沉的粗略時(shí)間。在泡沫連續(xù)供應(yīng)時(shí)間30 min的前幾分鐘內(nèi)，浮頂結(jié)構(gòu)就會有傾斜或下沉的可能。雖然這僅僅是粗略的估算，但是也反映出浮頂結(jié)構(gòu)在固定泡沫滅火系統(tǒng)的作用下，保持平穩(wěn)狀態(tài)的時(shí)間不長。

2.2移動泡沫滅火裝備的泡沫覆蓋

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，固定泡沫產(chǎn)生器或因爆炸受損失效，則只能依靠移動泡沫滅火裝備。針對內(nèi)浮頂油罐存儲以甲乙類液體為主的特點(diǎn)，移動泡沫滅火裝備的泡沫供給強(qiáng)度取1 L·m-2·s-1，發(fā)泡倍數(shù)取6.25[7]。由此可估算出，在對密封圈環(huán)形火災(zāi)撲救時(shí)，其對浮頂結(jié)構(gòu)的泡沫覆蓋及承重如表4所示。由此可見，空氣泡沫在80 s后就溢出泡沫堰板，即使泡沫未經(jīng)充分發(fā)泡，最遲也500 s后溢出泡沫堰板，向整個(gè)浮頂結(jié)構(gòu)蔓延。以1 L·m-2·s-1的供給強(qiáng)度向內(nèi)浮頂噴射泡沫的情況下，浮頂結(jié)構(gòu)達(dá)到承重極限的時(shí)間比固定泡沫滅火系統(tǒng)要久一些，但根據(jù)罐型大小，都在泡沫連續(xù)供應(yīng)時(shí)間30 min的前幾分鐘或十幾分鐘內(nèi)。況且，在目前主要利用舉高噴射車、登高平臺車等大功率裝備撲滅油罐火災(zāi)的形勢下，以大流量泡沫槍炮的噴射和水流對浮頂結(jié)構(gòu)的持續(xù)沖擊作用，浮頂結(jié)構(gòu)也會在較短時(shí)間內(nèi)傾斜或下沉。因此，滅火時(shí)應(yīng)合理控制泡沫的噴射，提高泡沫的使用效能，最好能避免浮頂結(jié)構(gòu)的傾斜或下沉。

表2　固定泡沫滅火系統(tǒng)對浮頂結(jié)構(gòu)的泡沫覆蓋估算表

表3　固定泡沫滅火系統(tǒng)對浮頂結(jié)構(gòu)的泡沫承重估算表

表4　移動泡沫滅火裝備對浮頂結(jié)構(gòu)的泡沫覆蓋及承重估算表

3　浮頂結(jié)構(gòu)傾斜和下沉對火災(zāi)撲救的影響

內(nèi)浮頂油罐的浮頂結(jié)構(gòu)因爆炸或泡沫噴射作用容易破壞其平穩(wěn)狀態(tài)，而造成傾斜或下沉，形成燃燒死角和全液面燃燒，都將增加火災(zāi)撲救的難度。

3.1傾斜對火災(zāi)撲救的影響

浮頂結(jié)構(gòu)傾斜分為整體傾斜和斷折傾斜，如圖4、圖5所示。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，罐體受熱變形，浮頂結(jié)構(gòu)的傾斜狀態(tài)難以修正，不能試圖讓浮頂結(jié)構(gòu)恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。而且，雖然有浮頂結(jié)構(gòu)的遮擋，但火勢已經(jīng)蔓延到浮頂結(jié)構(gòu)下面的整個(gè)油面上，形成了全液面燃燒，滅火泡沫用量則要以全液面計(jì)算。這種狀態(tài)油品火災(zāi)，由于浮頂結(jié)構(gòu)形成的遮蔽空間很好地保護(hù)了燃燒，而且泡沫滅火劑難以進(jìn)入，成為內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)撲救的難點(diǎn)，特別是浮頂結(jié)構(gòu)斷折傾斜形成的隱蔽空間燃燒。同時(shí)也存在油罐爆炸造成罐頂炸裂的殘骸塌陷到浮頂結(jié)構(gòu)上形成的隱蔽空間燃燒，這些火點(diǎn)僅靠地面上的滅火力量難以形成有針對性的攻擊，勢必要居高臨下向隱蔽火點(diǎn)噴射泡沫。即使死角燃燒得以撲滅，但此處的泡沫層由于泡沫難以進(jìn)入而較其他的地方更薄，更容易復(fù)燃。

圖4　浮頂結(jié)構(gòu)整體傾斜示意圖

圖5　浮頂結(jié)構(gòu)斷折傾斜示意圖

3.2下沉對火災(zāi)撲救的影響

在火災(zāi)過程中，浮頂結(jié)構(gòu)難免下沉，從而形成全液面敞開燃燒，如圖6、圖7所示。浮頂結(jié)構(gòu)下沉，燃燒液面全在整個(gè)浮頂結(jié)構(gòu)的上面，消除了浮頂結(jié)構(gòu)形成隱蔽空間火點(diǎn)的可能，避免了浮頂結(jié)構(gòu)對火災(zāi)撲救的影響。然而，油罐一旦爆炸造成罐頂炸裂的殘骸下沉，就會存在因殘骸鋼板形成的隱蔽空間火點(diǎn)。這樣形成的單純隱蔽空間火點(diǎn)比浮頂結(jié)構(gòu)形成的空間火點(diǎn)小，相比之下更容易撲滅?？梢酝ㄟ^大流量泡沫的整體覆蓋，利用泡沫的流動性進(jìn)行滅火，也可采取登高方法對隱蔽火點(diǎn)噴射泡沫滅火。

圖6　浮頂結(jié)構(gòu)整體下沉示意圖

圖7　浮頂結(jié)構(gòu)斷折下沉示意圖

4　結(jié)論

通過研究內(nèi)浮頂油罐結(jié)構(gòu)，對浮頂結(jié)構(gòu)的泡沫覆蓋進(jìn)行了粗略的定量分析，以及浮頂結(jié)構(gòu)在火災(zāi)撲救中傾斜和下沉的分析，得出浮頂結(jié)構(gòu)對內(nèi)浮頂油罐火災(zāi)撲救影響的結(jié)論如下：(1)內(nèi)浮頂油罐固定泡沫滅火系統(tǒng)啟動時(shí)，1 min左右空氣泡沫溢出泡沫堰板，開始向整個(gè)浮頂結(jié)構(gòu)蔓延；移動泡沫滅火裝備則在80 s后，空氣泡沫溢出泡沫堰板。(2)在浮頂結(jié)構(gòu)達(dá)到承重極限的時(shí)間上，固定泡沫滅火系統(tǒng)比移動泡沫滅火裝備要短一些，而且根據(jù)內(nèi)浮頂油罐容積大小的不同，浮頂結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)都在泡沫連續(xù)供應(yīng)時(shí)間30 min的前幾分鐘或十幾分鐘內(nèi)。因此，從設(shè)計(jì)上增加浮頂結(jié)構(gòu)的承重能力，對火災(zāi)撲救很有必要；同時(shí)，在浮頂結(jié)構(gòu)上設(shè)置排液裝置，及時(shí)排除浮頂結(jié)構(gòu)上的積水，對避免浮頂結(jié)構(gòu)沉陷很有幫助；火災(zāi)撲救中，應(yīng)合理控制泡沫的噴射，提高泡沫的使用效能，最好能夠避免浮頂結(jié)構(gòu)的傾斜和下沉。(3)

內(nèi)浮頂油罐的浮頂結(jié)構(gòu)平穩(wěn)時(shí)，燃燒面積以密封圈環(huán)形面積計(jì)算；浮頂結(jié)構(gòu)傾斜或下沉?xí)r，燃燒面積以全液面計(jì)算，形成的隱蔽空間火點(diǎn)主要以登高的方式針對火點(diǎn)噴射泡沫。(4)注意隱蔽空間火點(diǎn)撲滅后，由于泡沫層較其他地方薄，容易發(fā)生復(fù)燃，應(yīng)持續(xù)噴射泡沫覆蓋，增加泡沫層厚度。

[1] 孔昭瑞.組裝式油罐內(nèi)浮頂?shù)奶攸c(diǎn)及效果[J].油氣儲運(yùn),1993,12(5):1-6.

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[4] SH 3046—1992,石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] HG 21502.2—92,鋼制立式圓筒形內(nèi)浮頂儲罐系列[S].

[6] GB 50151—2010,泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[9] 賈如磊，龔輝.油庫工藝與設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

(責(zé)任編輯、校對馬龍)

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

蘭天其(1991—)，男，重慶銅梁人，消防指揮專業(yè)在讀碩士研究生； 王靖元(1990—)，男，貴州六盤水人，消防指揮專業(yè)在讀碩士研究生； 張國強(qiáng)(1994—)，男，山東聊城人，消防指揮專業(yè)在讀碩士研究生。

D631.6

A

1008-2077(2016)02-0019-05