密封圈火灾模拟在外浮顶储罐登顶灭火救援中的应用

由于石油战略储备及商业储备的需要，浮顶储罐大型化成为今后的发展趋势，许多大型石油储罐区也应运而生。我国最大浮顶储罐容量已达2×105m3，库区区域总容量已达或超过千万立方米。美国石油协会（API）对1951-1995年之间发生的81起直径超过30m大型浮顶储罐火灾事故进行了统计，其中密封圈火灾占统计事故的72.8%[1]。由国际资源保护组织（RPI）负责，BP、Shell等16家石油公司组织开展的LASTFIRE项目，针对直径在40m以上的大型浮顶储罐火灾风险进行了研究，调研的62例初始火灾事故中，密封圈火灾高达88.7%[1,2]。统计结果表明，密封圈火灾是大型浮顶储罐最主要的火灾模式。

《石油储罐火灾扑救行动指南》（GA/T1275-2015）中明确提出：对于密封圈火灾或罐顶沟槽存在隐蔽火时，可适情利用罐梯或消防梯，在水枪掩护下，实施登顶作战，向着火部位喷射泡沫或干粉灭火；对近距离火灾扑救人员或登顶作战人员，应实施水枪掩护，并适时组织人员替换[3]。可见，登顶灭火方法对于密封圈火灾是非常行之有效的。

2 外浮顶储罐火灾案例统计分析

2.1 外浮顶储罐火灾事故统计

通过多种渠道收集了近年来发生的比较典型的外浮顶储罐火灾事故案例，并对其进行了分析[4]。

表1 外浮顶储罐火灾事故案例统计

图1 火灾模式统计分析

表2 登顶灭火事故统计

2.2 外浮顶储罐火灾事故分析

22起火灾事故案例，密封圈火灾有6起，占火灾案例总数的27.3%，从灭火方式分析，该6起事故案例在灭火扑救过程中皆采取了登顶灭火方法，且都是在燃烧油罐的火灾初起阶段开展的，灭火直接有效。

3 外浮顶储罐火灾救援方法介绍

外浮顶储罐密封圈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，储罐被破坏情况很少，发生火灾时，一般情况下只在罐壁与泡沫堰板之间的环形面积内燃烧，最初火灾只局限在环形面积的局部，随着燃烧时间的增加，火势不断发展蔓延，才可能导致整个环形面积内起火燃烧。针对密封圈局部火灾，通常采取的灭火方案是：集中兵力，启动固定灭火设施或者直接采用登顶灭火战术登罐灭火。若短时间内火势未能得到控制，则需要采用移动灭火战术，迅速扑灭火灾。

3.1 固定灭火

外浮顶储罐设有固定泡沫灭火系统，是扑救油类火灾的主要灭火系统，在石油石化企业应用广泛。固定式泡沫灭火系统是由固定消防泵站、泡沫比例混合器、泡沫液储存设备、泡沫产生装置和固定管道及系统组件组成的灭火系统，一旦保护对象着火，能自动或手动供给泡沫及时扑救火灾。按泡沫发泡倍数分为低倍数、中倍数和高倍数泡沫灭火系统，石油天然气生产企业采用低倍数泡沫灭火系统较多，普遍用于油库、石油炼制及石油化工企业等。

3.2 移动灭火

随着时间推移，若局部密封圈火灾火势逐步扩大，则需要迅速借助移动灭火装备扑救着火油罐，并对周边邻近油罐进行冷却保护。大型油品罐区火灾的扑救多是以移动消防装备为主导的，最主要的就是消防车。消防车是装备各种消防器材、消防器具的各类消防车辆的总称，是目前消防队伍与火灾作斗争的主要工具，是最基本的移动式消防装备。主要分为灭火类消防车、专勤消防车、后援消防车、举高类消防车、机场消防车。

3.3 登顶灭火

在储罐火灾应急救援行动中，登顶灭火也是作为一种有效的灭火方式被消防人员采用及经常演练的。登罐强攻，枪炮结合，利用手提式干粉灭火器或覆盖物，从上风方向接近火点，严密盖住火焰，喷射干粉窒息灭火，对初起火灾效果最佳。该种灭火方法充分利用外浮顶储罐的特点，抓住火灾初起阶段燃烧面积小、温度不高、火势较弱的有利时机，在条件允许的情况下登罐强攻[5~7]。

登顶灭火方法对于扑灭密封圈火灾虽然非常有效，但开展救援的时机和条件却有着严格的要求：

表3 不同热辐射通量所造成的伤害和损失

（1）登顶灭火战术方法多用于密封圈火灾，而引发密封圈火灾最常见的原因是雷击起火，因此雷雨天气下不能开展登顶灭火，以防人员遭雷击。

（2）外浮顶储罐多采用罐壁式泡沫灭火系统，其主要缺点是浮盘低液位时，由于风速紊流等作用而使大部分泡沫不能到达密封圈区域内，泡沫汇集时间长，易被吹散稀释，推荐采用登顶灭火。

（3）当密封圈火灾发生在局部时，可采用登顶灭火；随着时间推移，火势蔓延，密封圈大部或整个密封圈开始燃烧时，不推荐采用登顶灭火。

（4）登顶灭火过程中，应注意风速、风向的影响，并根据天气条件及时做出调整；登顶灭火人员要考虑热辐射的影响，同时应避免过量喷射泡沫，防止浮盘倾斜或沉没。

登顶灭火作为一种有效扑灭密封圈火灾的重要技术手段，能够防止火灾发展、火势蔓延，是值得消防救援人员采用的主动式储罐火灾扑救方法。但实际救援过程中，登顶灭火虽然要考虑风向、液位、风速等条件，考虑火灾热辐射对人体的危害，但具体的限值是多少，影响有多大是不明确的。通过计算机模拟技术模拟密封圈火灾，能够深入研究不同因素对人员登顶灭火的影响。

4 密封圈火灾模拟

4.1 火灾模拟研究思路

通过利用计算机模拟技术，利用1：1的三维建模和真实的数据导入，模拟密封圈火灾场景，通过对结果分析，研究液位、风速对密封圈火灾的影响，从而为消防人员灭火作战行动从理论和数据上提供参考依据。

当发生密封圈火灾时，扶梯和着火点的相对位置十分关键，当需要消防人员进行登顶灭火时，如果燃烧的火焰已经蔓延到扶梯的正下方，长时间的燃烧会对扶梯、罐壁和人员造成伤害，此时消防人员很难爬上扶梯进行登顶灭火。因此对火灾蔓延情况需要实时掌握，只有当火焰还未蔓延至扶梯前，消防人员赶到才有登顶灭火的机会。本模拟进行最不利条件下的模拟，即受雷击着火，密封圈全部遭到破坏，火焰蔓延足够长时间后可以燃烧至整个密封圈的情况。

消防人员登顶灭火所需要考虑的除了火焰蔓延速度，最主要的就是热辐射对人体的伤害。国外学者通过大量事故案例分析和实验数据，得出了阈值模型，根据阈值模型，结合模拟得出的热辐射强度可以确定消防员救援的安全区域。

本次模拟中原油的相关数据采用美国国家标准委员会的数据[8]。

表4 原油基本性质（参考美国国家标准委员会）

4.2 液位对密封圈火灾的影响

根据实际生产条件，浮盘高度会随着油量的多少而上下浮动，当发生密封圈火灾时可以是在任何液位，对比不同液位的密封圈火灾，通过模拟无风条件下、不同液位的密封圈火灾，研究液位高低对火灾的影响。

根据蔓延的角度来表现密封圈火灾的蔓延情况，可以看出不同液位下密封圈火灾蔓延的速度是不相同的，为进一步探寻蔓延速度规律，根据已有的数据做出不同液位下蔓延角度随时间的曲线图，如图所示。

图2 60s、120s、180s时火焰在储罐低、中、高液位的蔓延

密封圈火灾模拟是在不考虑密封挡板的敞开环境中进行的，与实际的火灾场景存在差异，计算得出的火焰蔓延至扶梯正下方的时间要低于实际蔓延时间。计算机模拟结果只能为消防员应急救援提供参考。

图3 不同液位下火焰蔓延角度-时间图

低液位的储罐密封圈火灾，在距着火点1m位置处的热辐射通量平均为20.3kW/㎡；中液位下的热辐射通量平均为14.4kW/㎡；高液位下的热辐射通量平均为9.8kW/㎡。三种不同液位下的热辐射通量进行对比，液位越低，同一位置处的热辐射通量值就越高，液位与热辐射通量成反比关系。

图4 不同液位下距着火点1m处的热辐射通量图

4.3 风速对密封圈火灾的影响

当发生密封圈火灾时，外界的环境风速可能会对密封圈火灾蔓延产生一定影响。本模拟是在中液位下通过设置四种不同的环境风速，模拟不同风速条件下的密封圈火灾，研究风速对火灾的影响。

为进一步研究风速对火焰蔓延速度的影响，根据已有的数据做出不同风速下蔓延角度随时间的曲线图，如图所示。

图5 60s、120s、180s时火焰在无风、3m/s、5m/s和8m/s风速下的蔓延

表5 不同液位储罐密封圈着火点扶梯夹角与火焰到达时间关系表

0m/s风速下的储罐密封圈火灾，在距着火点1m位置处的热辐射通量平均为14.4kW/㎡；3m/s风速下的热辐射通量平均为13.6kW/㎡；5m/s风速下的热辐射通量平均为14.3kW/㎡；8m/s风速下的热辐射通量平均为16.0kW/㎡。四种不同风速下的热辐射通量进行对比，随着风速逐渐增大，风速与热辐射通量成正比关系[9,10]。

表6 不同风速着火点扶梯夹角与火焰到达时间关系表

图6 不同风速下火焰蔓延角度-时间图

图7 不同风速下距着火点1m处的热辐射通量图

表7 登顶灭火作战行动可参考数据表

4.4 模拟结论

通过对上述模拟结果进行分析，可能总结得出以下结论：

（1）相同条件下的不同液位：油品的火焰蔓延速度与储罐液位成正比，登顶救援时人体接受的热辐射情况与储罐液位成反比；液位越高，火焰蔓延整个密封圈所需时间越短。

（2）相同条件下的不同风速：＜5m/s时，油品的火焰蔓延速度与风速成正比；＞5m/s时，油品的火焰蔓延速度与风速成反比。登顶救援时人体接受的热辐射情况与风速基本成正比。风速越高，火焰蔓延整个密封圈所需时间越短。

5 结语

消防员登顶灭火，所考虑的关键因素是热辐射对人体的伤害以及火灾蔓延时间。开展的密封圈火灾模拟虽未能完全参照实际，但通过模拟分析，总结归纳出的登顶灭火条件，也能为消防官兵开展灭火行动提供可参考的理论数据和技术支撑。