張日鵬

(1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院,山東 青島 266071； 2.化學(xué)品安全控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

隨著全球石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，煉廠和石油庫等場所的儲(chǔ)罐數(shù)量和容積急劇增加，隨之帶來的儲(chǔ)罐區(qū)安全問題也日益嚴(yán)重。通過分析國內(nèi)外的儲(chǔ)罐安全事故可以得出：儲(chǔ)罐火災(zāi)事故在其中占很大比重。由于儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)罐的油品大多具有易燃易爆和易揮發(fā)的特性，因此儲(chǔ)罐火災(zāi)事故極易造成和巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失。2005年12月11日，英國邦斯菲爾德油罐發(fā)生火災(zāi)事故，事故共持續(xù)近60 h，燒毀大型油罐20余座，導(dǎo)致43人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失2.5億英鎊[1-4]。

長期以來，國內(nèi)外專家學(xué)者多通過小尺寸儲(chǔ)罐火災(zāi)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬對(duì)儲(chǔ)罐火災(zāi)特性進(jìn)行研究，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，很少進(jìn)行大型儲(chǔ)罐火災(zāi)特性實(shí)驗(yàn)研究。

小尺寸儲(chǔ)罐池火實(shí)驗(yàn)，火災(zāi)蔓延很快，整個(gè)過程極為短暫，難以具體展開分析。而大型儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，池火的蔓延是需要一段時(shí)間，如果能夠及時(shí)監(jiān)測到火災(zāi)發(fā)生并及時(shí)做出正確反應(yīng)，則有可能在火災(zāi)蔓延為全表面火災(zāi)之前，遏制火災(zāi)的發(fā)生。

筆者對(duì)22.74 m儲(chǔ)罐、11.5 m液池和20.3 m液池進(jìn)行多組池火實(shí)驗(yàn)，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出池火燃燒初始階段的蔓延規(guī)律、池火火焰脈動(dòng)與火焰高度等池火燃燒特性，為儲(chǔ)罐區(qū)消防設(shè)計(jì)以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)的消防戰(zhàn)術(shù)制定提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)采用的裝置主要為5000 m3儲(chǔ)罐、直徑11.5 m液池、直徑20.3 m液池。5000 m3儲(chǔ)罐的直徑為22.74 m，高度為14.8 m，儲(chǔ)罐底部為水墊層；直徑11.5 m液池，高度為0.5 m，底部為水墊層；直徑20.3 m液池，高度為0.5 m，底部為水墊層。儲(chǔ)罐和液池底部設(shè)計(jì)為水墊層，除了可以減少油品的用量，還可以保證在整個(gè)燃燒過程中，油品能夠在水平面上均勻分布。

5000 m3儲(chǔ)罐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在水墊層表面先加20 m3柴油，為了便于引燃，在柴油上部加2.2 m3汽油，汽油液面距罐壁頂部為2 m。11.5 m液池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在水墊層表面先加柴油1600 L，為了便于引燃，在柴油上部加汽油200L，汽油液面距罐壁頂部的距離大約為0.1 m；直徑20.3 m液池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，液池內(nèi)先添加17 m3柴油，然后添加1 m3汽油，液面距液池壁頂部大約0.1 m。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用高清攝像機(jī)從地面、側(cè)向高處以及空中多個(gè)方位和角度對(duì)池火燃燒過程進(jìn)行錄像。 選取其中四次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，其中5000 m3儲(chǔ)罐實(shí)驗(yàn)1次，稱為實(shí)驗(yàn)1，實(shí)驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場風(fēng)速為3.5 m/s，風(fēng)向?yàn)楸逼?3°，氣溫23.7℃，濕度54%。11.5 m液池實(shí)驗(yàn)2次，第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)向?yàn)楸逼?4°，風(fēng)速為0.1 m/s，溫度為27.9℃，濕度為34%，稱該次實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)2；11.5 m液池第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)，風(fēng)向?yàn)楸逼珫|30°，風(fēng)速為1.5 m/s，溫度為24.8℃，濕度為37%，稱該次實(shí)驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)3；20.3 m液池進(jìn)行1次實(shí)驗(yàn)，稱為實(shí)驗(yàn)4，現(xiàn)場風(fēng)速為3.3 m/s，風(fēng)向?yàn)楸逼珫|40°，氣溫6.2℃，濕度79%。

由于實(shí)驗(yàn)4視頻拍攝不全，只用來分析池火蔓延規(guī)律。

2 儲(chǔ)罐池火蔓延規(guī)律

儲(chǔ)罐池火燃燒包括油品蒸發(fā)和蒸氣燃燒兩部分，油品蒸發(fā)是前提，直接燃燒的是油蒸氣，因此，油蒸氣與空氣的混合方式以及混合比例,決定了蔓延的方向和速率；風(fēng)會(huì)使火焰傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致下風(fēng)向接受更多的熱量，從而加速油品蒸發(fā)和燃燒。因此，火災(zāi)發(fā)生前的油品蒸氣與空氣的混合情況以及風(fēng)速風(fēng)向都會(huì)決定火災(zāi)初始階段的蔓延速率和方向[5-7]。

對(duì)實(shí)驗(yàn)1池火前24s的錄像，利用軟件逐秒進(jìn)行提取，其中，5s之后的航拍圖受濃煙的影響，部分可見火焰被遮擋，不能計(jì)算火災(zāi)面積和蔓延速率，儲(chǔ)罐表面首次全部充滿可見火焰發(fā)生在第24s，實(shí)驗(yàn)1前1～5s的池火蔓延過程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)1前5s池火蔓延過程

Fig.1 1～5s pool fire spread process of experiment 1

圖2 實(shí)驗(yàn)1火焰蔓延速率與時(shí)間的關(guān)系

對(duì)圖1中的火焰蔓延過程圖進(jìn)行處理，得出池火火焰蔓延速率與時(shí)間的關(guān)系，如圖2所示。

從圖1可以看出，池火開始階段，火焰朝著上風(fēng)向蔓延，分析其原因，實(shí)驗(yàn)風(fēng)速為3.5 m/s，雖然風(fēng)速較大，但罐壁頂部距油品液面的距離為2 m，初始階段火焰高度較低，火焰受風(fēng)的影響很小，因此火焰的蔓延方向也基本不受風(fēng)的影響。同時(shí)，點(diǎn)火處上風(fēng)向的罐壁是離點(diǎn)火處最近的罐壁，而由于罐壁的遮擋作用，罐壁旁邊的油蒸氣濃度高于儲(chǔ)罐中心開闊處的油蒸氣濃度，因此，初始階段池火朝上風(fēng)向蔓延，并且逐漸蔓延至上風(fēng)向半側(cè)罐壁。

對(duì)實(shí)驗(yàn)1池火6～24s的錄像，選取其中第7s、12s、17s和22s進(jìn)行展示，如圖3所示。

從圖2可以看出，在前4s內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，火焰蔓延速率呈線性增加，第4s時(shí)火焰蔓延速率達(dá)到最大值，為44.3 m2/s；第5s時(shí)，火焰蔓延速率大幅下降；結(jié)合圖1可知，第5s時(shí)火災(zāi)蔓延到罐壁，受空間的限制，蔓延速率出現(xiàn)大幅下降；池火發(fā)生5s后，火焰蔓延的面積已經(jīng)接近儲(chǔ)罐全表面的一半。

從圖3可以看出，池火首先向上風(fēng)向蔓延，直至上風(fēng)向半側(cè)罐壁均發(fā)生燃燒，此時(shí)池火火焰已高于罐壁，火焰在風(fēng)的作用下朝下風(fēng)向傾斜，池火向下風(fēng)向蔓延。這是因?yàn)轱L(fēng)會(huì)使火焰向下風(fēng)向傾斜,下風(fēng)向未燃油品相比上風(fēng)向未燃油品會(huì)接收到更多的熱量，因此下風(fēng)向未燃油品更容易蒸發(fā)并與空氣預(yù)混達(dá)到最優(yōu)的混合比例，池火火焰也會(huì)沿著下風(fēng)向蔓延。

圖3 實(shí)驗(yàn)1第7/12/17/22s池火蔓延過程

Fig.3 7/12/17/22s pool fire spread process of experiment 1

對(duì)實(shí)驗(yàn)2池火前8s的錄像，利用軟件逐秒進(jìn)行提取，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)2的1-8s液池池火蔓延過程

對(duì)圖4中的火焰蔓延過程圖進(jìn)行處理，可以得出池火火焰蔓延速率與時(shí)間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)2火焰蔓延速率與時(shí)間關(guān)系

從圖4可以看出，液池池火的點(diǎn)火處靠近罐壁，池火朝著液池中的白色區(qū)域蔓延，并迅速蔓延到整個(gè)白色區(qū)域，然后以白色區(qū)域?yàn)橹行?，向四周未燃油品區(qū)域緩慢均勻蔓延(靠近罐壁方向受罐壁限制未有蔓延)；分析其原因，實(shí)驗(yàn)2進(jìn)行時(shí)，點(diǎn)火發(fā)生在加入汽油之后很長一段時(shí)間，而實(shí)驗(yàn)2進(jìn)行時(shí)的溫度為27.9℃，濕度為34%，所以點(diǎn)火時(shí)液池表面大部分汽油經(jīng)過了長時(shí)間的揮發(fā)，已經(jīng)所剩無幾，液池中的白色區(qū)域是薄層間斷的消防泡沫，薄層間斷的消防泡沫減緩了汽油的揮發(fā)(實(shí)驗(yàn)4中厚層連續(xù)消防泡沫則會(huì)完全阻止汽油的揮發(fā))，所以火焰首先向該區(qū)域迅速蔓延?；鹧嬖诎咨珔^(qū)域以外均勻蔓延,主要是因?yàn)榘咨珔^(qū)域以外的池火燃燒為柴油燃燒，由于實(shí)驗(yàn)2進(jìn)行時(shí)的風(fēng)速為0.1m/s，風(fēng)速極小，可以歸屬為無風(fēng)情況，同時(shí)柴油的初沸點(diǎn)較高，所以可以認(rèn)為白色區(qū)域以外的柴油蒸氣濃度極低并且均勻分布，所以火焰向各個(gè)方向均勻蔓延。

從圖5可以看出，蔓延速率隨時(shí)間的變化規(guī)律總體上呈現(xiàn)為先增加然后減小的趨勢(第6s除外)，前4s，隨著時(shí)間的增加，火焰蔓延速率逐漸增加，在第4s時(shí)達(dá)到最大值為11.3 m2/s；然后火焰蔓延速率逐漸下降，其原因?yàn)槠驼魵庵饾u較少，柴油燃燒越來越占主要地位,而柴油的初沸點(diǎn)要遠(yuǎn)高于汽油的初沸點(diǎn)，同等情況下，柴油的蔓延速率低于汽油的蔓延速率。分析圖3及錄像可以得出第6s蔓延速率急劇下降的原因：第5s蔓延到液池左側(cè)的部分池火在第6s出現(xiàn)了熄滅，導(dǎo)致總體的蔓延速率下降，部分火焰熄滅的原因是該處油蒸氣濃度低，火焰蔓延速率過快，瞬間燃燒產(chǎn)生的熱量不足以維持燃燒的繼續(xù)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)3池火前8s的錄像，利用軟件逐秒進(jìn)行提取，如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)3的1～8s液池池火蔓延過程

Fig.6 1～8s pool fire spread process of experiment 3

對(duì)圖6中的火焰蔓延過程圖進(jìn)行處理，可以得出池火火焰蔓延速率與時(shí)間的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)3火焰蔓延速率與時(shí)間關(guān)系

從圖6可以看出，點(diǎn)火處靠近罐壁，火焰首先從點(diǎn)火處沿著罐壁朝上風(fēng)向蔓延，直至蔓延到四分之一罐壁，然后在沿著罐壁蔓延的同時(shí)，向下風(fēng)向蔓延。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是：實(shí)驗(yàn)3進(jìn)行時(shí)風(fēng)速為1.5 m/s，風(fēng)的作用使液池表面的油蒸氣濃度降低，而上風(fēng)向罐壁處受0.1m高罐壁的保護(hù)作用，汽油蒸氣濃度較高，因此，初期的火焰沿著罐壁向上風(fēng)向蔓延；隨后在風(fēng)的作用下，火焰向下風(fēng)向蔓延。

從圖7可以看出，隨著時(shí)間的增加，火焰蔓延速率整體呈現(xiàn)增加的趨勢，并且在5s以后，火焰蔓延速率隨時(shí)間的增加速率逐漸變大，這主要是由于風(fēng)的作用，使下風(fēng)向的油品接受到越來越多的熱量，并且加速蒸發(fā)和燃燒。

綜上可以得出，對(duì)于這類液面有高罐壁遮擋，火災(zāi)之前罐內(nèi)油品存在蒸發(fā)的儲(chǔ)罐池火，池火初始蔓延速率和方向由初始油氣濃度決定；一般來說，池火會(huì)首先向鄰近的高濃度的區(qū)域蔓延，當(dāng)風(fēng)使下風(fēng)向液面油氣濃度大于火災(zāi)周邊初始油氣濃度時(shí)，火焰向下風(fēng)向蔓延。

在同一油品液面發(fā)生的池火初期，隨著時(shí)間的增加，火焰的蔓延速率逐漸增加，直至火焰蔓延到罐壁，受空間的限制，蔓延速率下降;風(fēng)使火焰蔓延速率的增加速率變大;同等情況下，柴油的蔓延速率小于汽油的蔓延速率。

實(shí)驗(yàn)4采用的是直徑20.3m液池，液池高度為0.5m，液池底部為水墊層，為保證池火蔓延方向不受初始油氣濃度的影響，液池表面均勻噴有泡沫；實(shí)驗(yàn)時(shí)，液池內(nèi)先添加17m3柴油，然后添加1m3汽油，液面距液池壁頂部大約0.1m；實(shí)驗(yàn)時(shí)現(xiàn)場風(fēng)速為3.3m/s，風(fēng)向?yàn)楸逼珫|40°，氣溫6.2℃，濕度79%；實(shí)驗(yàn)過程中，利用高清攝像機(jī)從高處進(jìn)行錄像。對(duì)實(shí)驗(yàn)前210s的錄像，利用軟件逐秒進(jìn)行提取，每隔30s取一張進(jìn)行展示，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)4池火蔓延過程圖

Fig.8 pool fire spread process of experiment 4

從圖8可以看出，由于厚層連續(xù)泡沫在油品表面覆蓋，油品蒸發(fā)速率很慢，因此池火蔓延速率很慢，在210s才蔓延到整個(gè)液池表面；池火的蔓延方向?yàn)橄嘛L(fēng)向，主要是因?yàn)榕菽偷蜏刈柚沽擞推返恼舭l(fā)，點(diǎn)火之前液池表面不存在油品蒸氣；火災(zāi)發(fā)生后，由于液面距液池壁頂部距離較小，風(fēng)的作用導(dǎo)致火焰朝下風(fēng)向傾斜，從而下風(fēng)向油品接受的熱量要多于上風(fēng)向，下風(fēng)向油品會(huì)更快的蒸發(fā)和燃燒。

從圖8可以看出，池火的蔓延速率先逐漸增大然后減小，主要是因?yàn)槌鼗鹣蛑苓吅拖嘛L(fēng)向傳遞熱量，導(dǎo)致周邊和下風(fēng)向燃燒，從而火災(zāi)范圍擴(kuò)大，池火與未燃油品的接觸范圍也擴(kuò)大，從而導(dǎo)致更多的油品受熱、蒸發(fā)和燃燒，因此火焰蔓延速率逐漸增大；在火焰蔓延一定時(shí)間后，部分區(qū)域火焰接觸到液池壁，燃燒空間受限，從而導(dǎo)致蔓延速率下降[8-10]。

可以得出，對(duì)于該類油品表面沒有初始油氣濃度分布的池火災(zāi)，比如油罐全表面火災(zāi)撲滅之后的復(fù)燃火災(zāi)，而且液面距罐頂?shù)木嚯x不是很高的情況下，池火的蔓延受風(fēng)的影響較大，池火會(huì)向下風(fēng)向蔓延，蔓延速率會(huì)先增大后減小。

通過分析不同類型的儲(chǔ)罐池火蔓延方向和蔓延速率，對(duì)火災(zāi)初期的消防泡沫噴射具有重要的指導(dǎo)意義，在火災(zāi)最可能蔓延的方向噴射消防泡沫，可以阻止火災(zāi)蔓延。

3 火焰高度與火焰脈動(dòng)

對(duì)前3次實(shí)驗(yàn)錄制的錄像視頻，截取池火穩(wěn)定燃燒后12s左右進(jìn)行分析，每秒選取5幀，讀出每幀的火焰高度，作出火焰高度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖，如圖9～11所示，圖9～11分別為實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3的火焰高度隨時(shí)間變化關(guān)系圖。

圖9 實(shí)驗(yàn)1火焰高度隨時(shí)間變化關(guān)系

圖10 實(shí)驗(yàn)2火焰高度隨時(shí)間變化關(guān)系

圖11 實(shí)驗(yàn)3火焰高度隨時(shí)間變化關(guān)系

分析實(shí)驗(yàn)2錄像視頻可以看出，在火焰不傾斜時(shí)，僅在火焰上部產(chǎn)生大量黑煙，黑煙的運(yùn)動(dòng)方向與火焰的運(yùn)動(dòng)方向基本一致，因此火焰的可視高度以及脈動(dòng)頻率不受黑煙影響，兩次火焰達(dá)到最高高度時(shí)的時(shí)間差即為脈動(dòng)周期。

分析實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3錄像可以看出，實(shí)驗(yàn)時(shí)風(fēng)速較大，火焰受風(fēng)速影響，傾斜角度較大，燃燒產(chǎn)生的黑煙在風(fēng)的作用下運(yùn)動(dòng)不規(guī)律，有時(shí)候會(huì)突然升高或者降低，進(jìn)而使可見火焰的高度突然降低或升高。按照火焰脈動(dòng)的形成機(jī)理，可以用在某一位置脈動(dòng)從形成到消失的時(shí)間來計(jì)算脈動(dòng)周期，進(jìn)而求出脈動(dòng)頻率，計(jì)算脈動(dòng)頻率時(shí)，這些不規(guī)律的火焰高度(圖9和圖11中圓色點(diǎn)所示)應(yīng)該忽略[11]。

從圖9～11可得，實(shí)驗(yàn)1火焰脈動(dòng)頻率為0.48Hz，實(shí)驗(yàn)2池火火焰脈動(dòng)頻率為0.67Hz，實(shí)驗(yàn)3池火脈動(dòng)頻率為0.64Hz。

可以得出，風(fēng)對(duì)火焰脈動(dòng)頻率的影響不大；隨著儲(chǔ)罐直徑的增加，火焰脈動(dòng)頻率減小。

按照Zukoski提出的火焰高度的定義[12-14]，由圖9～11進(jìn)一步分析，可以得出間歇率I(H)與火焰高度之間的關(guān)系圖，如圖12～14所示，圖12～14分別為實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3的火焰平均高度定義圖。

由圖12～14可得，實(shí)驗(yàn)1火焰平均高度為28.3m，實(shí)驗(yàn)2的平均火焰高度為21.7m，實(shí)驗(yàn)3平均火焰高度為17.7m。

可以得出，在儲(chǔ)罐直徑不變的情況下，有風(fēng)時(shí)火焰長度要小于無風(fēng)時(shí)火焰長度，這也與Thomas[15]的研究結(jié)果相一致。

圖12 實(shí)驗(yàn)1火焰平均高度定義圖

圖13 實(shí)驗(yàn)2火焰平均高度定義圖

圖14 實(shí)驗(yàn)3火焰平均高度定義圖

4 結(jié)論

(1)對(duì)于液面有罐壁遮擋，火災(zāi)之前罐內(nèi)油品存在蒸發(fā)的儲(chǔ)罐池火，池火初始蔓延速率和方向由初始油氣濃度決定；一般來說，池火會(huì)首先向鄰近的高濃度的區(qū)域蔓延，當(dāng)風(fēng)使下風(fēng)向液面油氣濃度大于火焰周邊初始油氣濃度時(shí)，火焰向下風(fēng)向蔓延。

(2)在同一油品液面發(fā)生的池火初期，隨著時(shí)間的增加，火焰的蔓延速率逐漸增加，直至火焰蔓延到罐壁，受空間的限制，蔓延速率下降；風(fēng)使火焰蔓延速率的增加速率變大;同等情況下，柴油的蔓延速率小于汽油的蔓延速率。

(3)對(duì)于油品表面覆蓋有厚層連續(xù)泡沫的池火災(zāi)，比如油罐全表面火災(zāi)撲滅之后的復(fù)燃火災(zāi)，而且液面距罐頂?shù)木嚯x不是很高的情況下，池火的蔓延受風(fēng)的影響較大，池火會(huì)向下風(fēng)向蔓延，蔓延速率會(huì)先增大后減小。

(4)風(fēng)對(duì)火焰脈動(dòng)頻率的影響不大；隨著儲(chǔ)罐直徑的增加，火焰脈動(dòng)頻率減小。

(5)在儲(chǔ)罐直徑不變的情況下，有風(fēng)時(shí)火焰長度要小于無風(fēng)時(shí)火焰長度。

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