简述：通过对全国油罐火灾案例的统计,分析并量化了不同罐型的火灾危险性、油罐火灾模式、起火原因。在此基础上研究了不同材料、液位高度、容量对油罐破坏形式的影响,并就油罐火灾的起火原因和火灾危险性影响因素进行探讨。
摘要:通过对全国油罐火灾案例的统计,分析并量化了不同罐型的火灾危险性、油罐火灾模式、起火原因。在此基础上研究了不同材料、液位高度、容量对油罐破坏形式的影响,并就油罐火灾的起火原因和火灾危险性影响因素进行探讨。
本文通过查阅文献、问卷调查以及实地调研等不同形式,收集汇总了全国油罐火灾案例139例[1-6]。结合每个案例的特点,利用统计分析的方法,总结出我国油罐火灾发生的规律及特点,进一步明确了油罐火灾发展过程的确定性。对消除火灾隐患,制定切实可行的安全措施和管理制度,提高灭火人员的扑救技术具有重要意义。
1油罐的安全性分析
1.1油罐的分类
油罐有多种类型,按油罐的建筑材料,可分为金属油罐和非金属油罐;按油罐的安装位置,可分为地面油罐、半地下油罐、地下油罐和洞库油罐;按油罐的结构形状,可分为立式油罐、卧式油罐和特殊形状油罐(球形罐、扁球形罐、水滴形罐)。立式油罐较为常见,根据其结构不同,又可分为锥顶罐、无力矩顶罐、拱顶罐、套顶罐、浮顶罐等。
1.2各类油罐的火灾危险性
根据我国油罐的常见类型,结合本课题的研究重点,对拱顶罐、浮顶罐、内浮顶罐、卧式罐和非金属罐五种类型的罐进行统计。通过对55例有明显罐型记载的火灾进行统计,得到不同罐型的火灾所占的比例,具体结果如表1所示。
由表1可以看到非金属罐火灾占全部油罐火灾的14.5%,应当引起足够的重视。非金属油罐多建于地下或半地下,出于结构强度方面的考虑,罐身较浅而端面面积较大,油罐周围一般不设防火堤,其容量由数百立方米到上万立方米不等,多数储存原油和重油。对于地下非金属罐,如果再考虑其他如防雷保护不及金属罐、油气在贴近地面处扩散,起火危险性和扑救难度都较大等因素,危险性更高,是一种安全度较低的罐。
表1显示出浮顶罐和内浮顶罐发生火灾的相对比例较小,分别为9.1%和3.6%,这主要是由于其内部结构决定的。由于浮顶和液面之间不存在空间,罐内不易积聚油气,且能缓解内压的增加,因此这类罐不易爆炸起火,具有良好的防火性能。统计结果表明,浮顶罐的火灾一般只发生在罐顶边缘密封处,其燃烧面积小,火势较弱,油罐被破坏情况很少。内浮顶罐在浮顶罐的基础上有一固定顶,兼有浮顶罐和拱顶罐的优点。一方面可以减少大小呼吸损耗,另一方面着火爆炸的危险性大大降低。
卧式罐通常容积较小,主要是作为加油站储油罐和槽车罐。从反馈回来的火灾资料看,卧式罐火灾约占全部火灾的56.4%。而以往的文献中往往忽略对卧式罐的统计,因此,消防部门应高度重视卧式罐火灾。对卧式油罐根据所储油品和起火原因进一步统计,其结果如表2和表3所示。从表中可以看到,卧式罐所储油品主要是汽油和柴油,约占总数的80.6%。而在起火原因中,明火和静电的比例约占总数的87.4%。发生的主要原因是由于人为操作失误、交通事故、电器短路或收发油时没有有效消除静电等。
2油罐的火灾模式
油罐火灾因油罐类型、起火原因或油品种类的不同,其火灾模式也各不相同。通过对油罐火灾案例的调查,总结出油罐发生火灾时,可能的火灾模式主要有以下几种。
2.1先爆炸,后燃烧
油罐发生火灾后,大多数情况是先爆炸,后燃烧,这种情况一般是罐内油蒸气浓度处在爆炸极限范围内,遇到火源,罐内先爆炸,罐顶炸飞,或罐顶部分塌落罐内,随后引起液面迅速稳定燃烧。
2.2先燃烧,后爆炸
油罐发生火灾后,在燃烧过程中发生的爆炸一般有三种情况:
(1)油罐在火焰或高温作用下,罐内的油蒸气压力急剧增加,当超过它所能承受的耐压强度时,会发生物理性爆炸。
(2)燃烧罐的邻近罐在受到热辐射作用时,罐内的油蒸气增加,并通过呼吸阀等部位向外扩散,与周围空气混合达到爆炸极限,遇燃烧罐的火焰,即发生爆炸。
(3)回火引起的爆炸。油罐发生火灾,罐盖未被破坏,当采取由罐底部倒流排油时,如排速过快,使罐内产生负压,发生回火现象,将导致油罐爆炸。
2.3爆炸后不再燃烧
油罐内油品的温度低于闪点,其蒸气浓度又处于爆炸浓度极限范围内;或油罐内虽无储油,但存在油蒸气和空气的混合气体,一旦遇到明火,就会发生爆炸,把罐顶或整个油罐破坏。但爆炸后不再继续燃烧。在油罐清洗、通风和动火补焊时应注意这种情况的发生。
2.4稳定燃烧
当罐内液面以上的气体空间油蒸气与空气混合浓度达不到爆炸极限时,遇明火或其他火源,燃烧仅在液面稳定进行。如果外界条件不能使罐内混合浓度达到爆炸极限范围,将会使油料烧完为止。
在收集到的火灾案例中,有62起案例可明显地按照上面的四种类型划分火灾模式。另外,根据所含油品的类型和油面位置两个因素,进一步分析了不同模式所占的比例,如表4所示。
由表4可以看到,62例火灾中,有43例是先爆炸后燃烧,占火灾总数的69%;先燃烧后爆炸6例,占火灾总数的10%;爆炸后不燃烧有4例,占火灾总数的6%;稳定燃烧9例,占火灾总数的15%。因此,预防油罐火灾的重点应放在抑制爆炸上。在先爆炸后燃烧火灾模式中上,有明显液位记载的案例有8例,其中低液位有6例,可见低液位油罐容易发生该火灾模式,重要是由于存在油气空间,油蒸气浓度容易处在爆炸极限范围内。而在爆炸后不再燃烧的火灾模式中,有明显记载的3个案例中的油罐全部是充满油蒸气的空罐。
3油罐火灾的起火原因
在收集到的案例中,101例有起火原因记载。起火原因主要有明火、雷击、自燃和静电等,其分析结果如表5所示。
从表5可以看出,由明火引起的油罐火灾居第一位,占53.5%。其主要原因是在使用电气、焊修储输油设备时,其动火管理不善或措施不力而引起。另一个重要原因是在油库禁区及油蒸气易积聚的场所携带和使用了火柴、打火机、灯火等违禁品或在上述场合吸烟等。雷击和静电作为点火源的主要原因是由于未设置排静电装置及防雷装置,或其安装不合要求,致使静电积聚放电或因雷击储油罐、透气管等设备,引燃油气混合物。这类点火源在油库着火爆炸事故中占总数的28%。超温自燃也是油罐着火的一个主要原因,约占火灾总数10.9%。其他点火源,占总数的7.9%,主要包括冲击摩擦产生火星和超压以及未查清的点火源等。
4油罐破坏情形的影响因素
油罐发生火灾时,常伴有爆炸,火势猛烈,使油罐遭到破坏或变形,可能导致油品外溢蔓流燃烧,据文献[7]介绍,油罐发生火灾后,罐顶破坏的约占着火油罐总数的75%,罐底破坏的约占4%,罐体无影响的约占21%。本文对90例罐底和罐顶破坏形式有准确记载的火灾案例进行统计,结果如表6所示。
从表6的分析结果可以看出,油罐的破坏形式以罐顶破坏为主,约占破坏总数的72.2%,这与油罐的设计思想相符,按照规范要求,在施工过程中将罐顶与罐壁的连接做成弱焊接,这就避免了罐体炸裂,油品流散,将火限制在罐内。而罐底破坏和罐壁破坏分别占总数的16.7%和11.1%,可见这两种类型的破坏在油罐火灾的破坏形式中所占比例不大。
4.1不同油罐材质对油罐破坏的影响
(1)金属罐。金属油罐主要用钢材制造。在储罐爆炸的情况下,金属罐盖全部被掀开的实例约占40%,多数情况是罐盖产生裂口。固定顶金属罐着火爆炸后,一般顶盖破坏占大多数,这就避免了罐体炸裂,油品流散。但由于罐内油气浓度、液位高低及油罐结构的强弱等各方面的差异,油罐的破坏不仅局限于罐顶破坏,有时在罐顶破坏的同时,还会有罐底或罐壁的破坏,油从罐内外泄,形成非限制火灾,给灭火带来困难,但这种情况一般较少,统计资料表明[8],对于金属罐,在罐顶破坏时,罐壁和罐底同时破坏的比例约占总数的15%左右。
(2)非金属罐。早期建造的大型油罐多为非金属油罐,有钢筋混凝土结构、砖石和钢筋混凝土混合结构。顶盖一般为预制钢筋混凝土板。这类油罐着火后,罐盖几乎100%受到破坏,罐顶爆裂后塌落罐内。地下或半地下罐在没有覆土的情况下,甚至罐壁也遭到破坏,造成油品流散的大面积燃烧。
非金属的一个很重要的火灾特点是相对燃烧面积大,即单位体积油品所拥有的燃烧面积大,约在(0.15～0.4)m2/m3之间,而标准金属罐的相对燃烧面积平均值约0.1m2/m3。这是因为非金属罐的建筑特点多采用地下式或半地下式,深度较小,一般在2m～6m之间,在增大容量的情况下,不得不增大储罐直径或边长,以至造成储罐液面大的不良条件。例如1989年黄岛油库大火中,首先发生爆炸的5号油罐,是半地下的非金属罐,长72m,宽48m,容积为23000m3。爆炸时罐顶被掀掉,形成了约3500m2的火场。另外由于罐身浅,容易在短期内发生沸溢喷溅,给扑救带来很大的困难。
4.2液位的影响
表7是对41起不同液位的油罐火灾案例统计。
由表7可以看出,油罐发生火灾时,易造成损坏的是空罐或半空罐。若油罐内储油量较多,如在半罐以上时,气体空间的油气浓度较大,超过爆炸上限,遇火源时油罐不会爆炸,只能连续燃烧,油罐的破坏一般是罐顶与罐壁接触处沿罐周裂口,比较容易扑救。如高液位的油罐火灾共18起,顶部部分破坏的占10起,占总数的56%。相应空罐或只有少量油的低液位油罐,油蒸气浓度易达到爆炸极限,遇火即引起爆炸,容易造成罐顶掀掉、或罐壁裂口,或整个油罐拔起。
4.3油罐容量的影响
对于有明确容量记载的油罐火灾,本文收集到的共有36例,具体情况如表8所示:
表8的火灾案例中,容量不大于1000m3的小罐火灾共有21例,其中罐顶全掀的是12例,占总数的57%;而对于容量1000m3～5000m3的油罐火灾8例,只有两例是顶部全掀,4例是部分掀开,占总数的50%;对于容积大于5000m3的油罐火灾共7例,但是全掀的却有3例,原因是这三个罐全是非金属罐,这与我们前面介绍的非金属罐着火后,罐盖几乎100%受到破坏的结论相一致。而对于顶部部分掀开的3个大罐中,全是金属罐。由此可以看出,对于小容量油罐,当发生油罐爆炸时,大部分是顶盖全掀或被抛到空中,油料外流燃烧,形成大面积燃烧。而大型金属罐发生火灾时,多在罐顶与罐壁的弱焊接处局部掀开一条口子,全掀的几率较小,且直径越大几率越小。
5火灾危险性影响因素分析
纵观整个油罐火灾的案例统计,收发作业、雷雨天气及人员操作失误是油罐火灾发生的重要因素,针对这三种情况,具体分析如下:
5.1收发油料时的火灾危险性
油罐在收发油品作业时,油罐的呼吸称作“大呼吸”。收发作业的结果,空间油气浓度变化是相当大的。收油时,罐呼出量很大,有些现场经验表明[9],在温度20℃,常压条件下每进1m3汽油时,便有1kg汽油蒸气排入大气。如2001年9月1日,沈阳大龙洋石油有限公司在倒油过程中,油罐内汽油外溢,大量的挥发气体流到160m外的汽车库内,当司机发动汽车时,火花引燃油挥发气体,导致油罐爆炸起火。而在发油时,因为油料输出时油位下降,罐中气体空间增大,罐内气体压力小于大气压力。大量空气补充进入罐内,当达到爆炸极限时,遇火就发生爆炸。同时,油料输出使罐内形成负压,在罐外燃烧的火焰会轻易被吸入罐内,使罐内油蒸气爆炸。因此,收发油作业时,严格控制点火源,避免静电产生,是防止火灾发生的根本所在。
5.2雷雨天气时输油作业的危险性
在收集到的案例中,起火原因是雷击的共有13起,其中6个非金属罐,1个浮顶罐,6个罐型不详。可见,在油罐的雷击事故中,雷击事故较多的是非金属油罐,而固定顶钢油罐、浮顶油罐,雷击事故少。
因此,非金属罐应加强其避雷和导电的预防措施。在雷雨天应停用非金属罐,收油和发油作业只能使用金属浮顶罐;如使用金属拱顶罐,则只能收油而不宜发油。再就是将其呼吸口引得远些(比如高出罐顶3m以上,离开罐的爆炸危险区)。
5.3人员的不安全因素
众多油罐火灾事故表明,人的不安全因素是导致油罐发生火灾事故的直接原因。文献[10]曾对337例油罐火灾着火爆炸性质进行过统计分析,具体结果如表9所示。
从分析结果看,油库60%以上的火灾爆炸事故皆属于责任事故。
6结论
综合以上分析,可得出以下结论:
(1)不同罐型,其安全性是不一样的。浮顶罐、内浮顶罐的安全度较高,是储存油料较为理想的设备。
(2)油罐不同破坏形式受多种因素的影响,主要是油罐材料、液位、油罐容量。在发生火灾后,这些因素致使油罐破坏的形式也不同。因此,在设计安装油罐时,要考虑这些因素,避免罐体破坏,这样既可将燃烧控制在罐内,又可使固定灭火设施免遭破坏,使灭火更加迅速、有效。
(3)起火原因主要是由于不符和规程的人为因素引起的,如违章的焊接,动用明火等。因此,在库区一定要严格执行各种规章制度。
由于本文收集资料的局限性以及统计的不完全性,可能总结的某些规律与事实有一定差异,另外,有些案例的记载还不是十分详细,有望在今后的工作中进一步完善。