储罐消防和安全系统设计标准探讨
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王秀丽1，林国龙2，李雪坡3，信婧敏4，刘艺5
（1中国石油天然气股份有限公司西南管道兰成渝输油分公司；2中石油燃料油有限责任公司宁波大榭仓储分公司；3中国石油管道局工程有限公司；4 中国石油管道局工程有限公司；5中国石油华北油田公司工程技术研究院）
摘要：随着中国油库建设规模的不断扩大，为保障石油战略储备库的安全，对储罐消防和安全系统应采用更高等级的设计标准。为防范储罐安全事故，实现储罐“本质安全”，选取了消防水供给强度、储罐冷却、防火堤、消防泵动力源、控制阀位置、事故排水系统和防渗等关键技术，并就此介绍了国外标准的先进经验和推荐做法。结合实际案例，对GB 50074—2014《石油库设计规范》中相关内容提出了建议，对于提高国内油库的安全可靠性和应急保障能力具有指导意义。
关键词：储罐 消防系统 防火堤 消防泵 控制阀
目前，中国大型原油战略储备库容量已达7×106 m3，单个储罐最大容量达2×105 m3，如何保障储备库的安全至关重要［1］。储罐一旦发生火灾爆炸事故，会造成严重经济损失、人员伤亡和环境污染，例如大连“7.16”油库火灾爆炸事故，上万吨原油流入大海，经济损失近2亿元［2］。新版《安全生产法》和《环境保护法》相继颁布实施，加大了石油行业重大安全事故的问责追究力度［3］。
随着国内油库建设规模的不断扩大，运行的安全风险也在增大，储罐消防和安全系统应采用更高的设计标准，对安全等级亦提出了更高的要求。目前国内大型油库存在消防水供给强度低、消防设施维护检测不及时、缺乏大功率移动式消防设备、应急演练不到位等现象［4］。为从根源上防止储罐恶性事故发生，实现储罐“本质安全”，针对储罐消防和安全系统的关键技术问题，介绍了国外标准先进的经验和推荐做法，对GB 50074—2014《石油库设计规范》提出了一些建议。
1 消防冷却水供给强度
对于消防冷却水供给强度，目前国内标准与国外标准存在较大的差异。
1） GB 50074—2014规定：“着火的固定顶储罐和内/外浮顶罐的固定式冷却水供给强度分别为不小于2.5L/（min·m2）和2.0L/（min·m2），相邻储罐冷却水供给强度为不小于2.0L/（min·m2）；直径大于20m的固定顶储罐和内浮顶罐的消防冷却水最小供给时间不小于9h，其他储罐不小于6h。
2） API RP 2001—2012《炼油厂消防规程》规定：“消防水罐的供给时间应满足4～6h”。按照炼油厂不同类型场所的危险程度，规定了相应的消防水供给强度，其中消防冷却水供给强度的数值远高于国内标准，见表1所列。
以大连“7.16”油库火灾事故为例，对着火储罐灭火的同时，冷却临近受到威胁的6座储罐及输油管道，灭火用时15h，使用泡沫1.3 kt，用水约60 kt，计算该事故中的消防冷却水供给强度为4.3L/（min·m2），泡沫液供给强度和供给时间也均高于GB 50074—2014的规定［2］。因此，建议在条件允许的情况下，消防水池和泡沫罐的容积设置宜在规范规定的设计用量的2倍以上，以增加泡沫液的供给强度和供给时间，保证在火场断电的情况下，消防水池和泡沫罐也能发挥作用。油库设计时，可将邻近的江河湖泊作为消防水源，保证火灾情况下消防水池可连续补水，同时也可以降低建造消防水池的成本。
2 储罐冷却
针对临近储罐的冷却，GB 50074—2014规定：“着火的固定顶储罐以及距离着火储罐罐壁1.5倍直径范围内的相邻储罐应同时冷却，当相邻的储罐超过3座时，按其中较大的3座相邻储罐计算冷却水量；着火的内/外浮顶罐应冷却，其相邻储罐可不冷却”。
文献［5］基于大涡模拟的FDS模型，模拟了大型油罐火灾燃烧过程的数值，结论是： 在无风或微风情况下，浮顶罐无须冷却；在有风状态下，应冷却位于下风向的相邻油罐，消防水量应包括冷却水量，并重新核算。加拿大Enbridge公司则认为，储油罐发生火灾时应立刻外输油品，并对其进行水喷淋，同时水喷淋冷却邻近罐。以大连“7.16”油库火灾事故为例，在对着火储罐灭火的同时，也冷却了邻近受到威胁的６座储罐及输油管道，该事故中着火浮顶罐可不冷却的规定也与实际消防要求有差距［2］。此外储罐灭火后，还应向着火储罐继续喷射泡沫混合液，在避免油气挥发的同时，冷却罐壁，使着火储罐降至室温。
国外标准针对储罐发生火灾时相邻储罐的冷却比较谨慎，储罐一般不设计专用的消防水冷却系统。泡沫消防系统和消防水系统应侧重于扑灭着火储罐，仅利用移动消防设施水冷却暴露于全面积敞口火灾热辐射中的相邻储罐［6］。
1） API RP 2021—2001（R2006）《常压储罐消防管理》中规定应谨慎使用消防水量，如果火焰直接冲击暴露的罐体，或者储存易燃和低闪点液体的储罐罐壁受热，则应立即冷却该储罐；通过频繁地从远处施放水流进行检查，以是否产生蒸汽作为施放冷却水的标准。
2） NFPA 30—2012《易燃和可燃液体规范》则认为：“在储罐发生火灾时，如用水冷却临近储罐，可能会影响着火储罐的灭火”。
针对着火储罐的临近储罐冷却问题，国内外标准存在差异。国内标准考虑浮顶罐本质安全性高于固定顶储罐，因此规定着火储罐的临近储罐中浮顶罐不需冷却、固定顶储罐需要冷却。国内多次储罐火灾事故表明，由于储罐集中布置、储罐安全距离限制、浮盘多采用易熔材料制作等原因，因而应该考虑临近储罐的冷却问题［7］。由于国外储罐安全距离较大，例如NFPA 30—2012规定浮顶罐的安全距离为0.5D，D为相邻储罐中较大储罐的直径，单位为米；而GB 50074—2014规定为0.4D。因此，国外储罐间的热辐射影响相对较小，消防水主要用于集中扑救着火储罐，除非发生储罐全面积敞口火灾，火焰直接冲击临近储罐罐体表面，或强热辐射条件下才冷却临近储罐。国外资料和相关研究表明，储罐罐体可长时间承受的火焰辐射热强度为24kW/m2，建议进一步研究临近储罐需要冷却的临界火焰辐射热强度，作为是否冷却储罐的依据；根据油库中储罐数量、布置形式、储罐罐壁间距离、浮盘材料以及水源供给状况，确定临近储罐是否需要冷却，并核算冷却水供给强度和供给时间。
3储罐隔堤设计
储罐的布置原则：在保证操作方便和安全的前提下，应减少储罐间距、节约土地、减少投资。在储罐四周，应设置隔堤，当储罐发生少量泄漏或者火灾初期，隔堤可有效分隔和限制着火储罐，避免油品泄漏范围扩大，减少事故损失［8］。
3.1国内标准
1） GB 50074—2014要求隔堤应采用阻燃材料建造的实体墙，隔堤高度宜为0.5～0.8m，隔堤内沸溢性液体储罐的数量不应多于2座，隔堤内非沸溢性液体储罐的数量不应超过下列规定：
a) 单罐容量不小于5×104m3，1个隔堤内储罐数量不应多于1座。
b) 单罐容量不小于2×104m3且小于5×104m3，1个隔堤内储罐数量不应多于2座。
c) 单罐容量不小于5×103m3且小于2×104m3，1个隔堤内储罐数量不应多于4座。
d) 单罐容量小于5×103m3，1个隔堤内储罐数量不应多于6座。
2） 国内油库在同一个储罐组内最多可布置6座5×103m3的储罐，该布置方式使消防员扑救的面积有限，处于中间的2个储罐发生火灾时，两侧相邻的储罐均受热辐射的影响，如发生储罐泄漏形成流淌火灾，可能会威胁隔堤内其他储罐。
3.2 国外标准
1） NFPA 30—2012规定每个防火堤内如有2座或者2座以上储罐，应设置隔堤，隔堤设计原则如下：
a) 隔堤应考虑单个储罐的容量大小，储罐尽可能位于隔堤中间区域，以便充分利用有效空间，隔堤高度应小于0.45m。
b) 防火堤内如果有2个或者2个以上储罐，且每个储罐直径均超过45m，则应在相邻储罐之间采用隔堤，隔堤应至少容纳储罐容量的10%。
2） 俄罗斯РД 15339.4078—2001《干线石油管道、油库和储罐的运行技术规程》和Правила—2004《储罐技术运行规程》规定单个储罐的容积大于2×104m3应设隔堤，或者2个容积均大于1×104m3的储罐应设隔堤，隔堤高度不低于1.3m。
美国和俄罗斯标准通过设置隔堤，可实现1×104m3及以上单个储罐的安全防护。建议GB50074—2014在修订时考虑储罐隔堤的设置原则，即1×104m3及以上单个储罐均应设置隔堤，隔堤内存液容量最低不能小于储罐容量的10%。
4 防火堤设计
防火堤是保障大型油库安全性和可靠性的重要设施，可有效防止油品泄漏、火灾扩大和环境污染等［9］。2005年英国Buncefield油库事故中，混凝土防火堤受到火灾损坏，消防水和油品从防火堤的破裂处流出，造成了重大环境污染［10］。国内外普遍公认的防火堤应满足以下设计要求：
1） 防火堤结构。相对钢筋混凝土堤或砖石（浆砌石）结构，优先采用密封性、抗燃烧性能较好的土堤。
2） 防火堤强度。防火堤应能承受液体静压力，还应考虑储罐瞬间破裂时罐内液体的冲击载荷。
3） 防火堤完整性。重视管道穿越防火堤和伸缩缝的密封处理，尽量避免管道穿越防火堤；管道穿越防火堤时，穿越处应用耐高温材料做密封填充。
4） 防火堤容量。防火堤应容纳罐组内1个最大储罐的容量和补救该储罐火灾所需的消防水量，以及降雨安全余量，即防火堤容量应为最大储罐容量的110%，而GB 50074—2014规定防火堤有效容量不应小于罐组内1个最大储罐的容量。
5 备用消防泵的驱动方式
大连油库“7.16”事故初期火灾并不大，但站场供电电缆遭到了破坏，导致无备用电源的消防系统瘫痪，造成火灾进一步扩大。GB 50074—2014规定石油库的消防水泵有2个独立电源供电时，主泵应采用电动泵，备用泵可采用电动泵或柴油机泵；只有1个电源供电时，主泵和备用泵均全部采用柴油机泵，或者备用泵必须采用柴油机泵。
国内油库目前的做法：在满足双电源的情况下，消防工作泵、备用泵的驱动方式均选择电机驱动；在不具备双电源的情况下，工作泵、备用泵均选择柴油机驱动。由于国内油库消防泵一般为双路交流供电，一旦站场停电，消防泵将无法启动。
国外使用柴油或丙烷为燃料的发电机快速启动消防泵，规定柴油机油料储备量应满足消防泵连续运转时间不低于6h的条件，确保发生火灾和电力中断的情况下可驱动消防泵。
建议GB 50074—2014中消防泵的设置修订为“消防泵房应设置柴油发电机，固定式消防系统的备用消防泵应采用柴油机驱动方式”。
6 控制阀设置位置
大连油库“7.16”火灾事故状态下储罐控制阀失电，无法切断油源，最终导致了灾难性后果。针对储罐控制阀的安装位置，国内标准中没有明确规定，国内油库的设计形式也不一致，大部分设置在防火堤内且为手动阀门，例如郑州站储罐控制阀安装在防火堤之外，而垂杨站储罐控制阀安装在防火堤之内，均存在着安全隐患［11］。
调研了加拿大Enbridge管道公司，储罐控制阀一般设置在防火堤之外且为电动阀。因此，建议GB 50074—2014中控制阀的设置修订为“新建储罐控制阀应安装在防火堤外；已安装在防火堤内部的控制阀，电气控制箱应改造设置在防火堤之外，具备在防火堤外操作的功能，连接缆线应选用耐火耐高温铠装电缆”。
7 储罐事故排水系统
针对储罐事故排水系统，GB 50074—2014规定油库含油与不含油污水应分流排放，含油污水采用管道排放，雨水可采用明沟排放。GB 50074—2014中提到的“分流制”一词比较含糊，标准执行中容易造成混淆和偏差［12］。国内储罐事故排水系统通常直接和罐区明沟连接，生产污水和雨水同时排放，如排污系统堵塞或者明沟排污能力有限可能导致污水排入地表水。API 2610—2005《转运油库和储罐设计、施工、操作、维护和检验》规定储罐区应设计污油封拦系统隔离污油和雨水，例如路缘石或者配管系统。俄罗斯СТГУ15339167—2006《干线原油管道工艺设计规范》规定应分别设计生产污水和雨水管道系统，生产污水系统应采用埋地封闭自流式敷设方式，例如连接地下污油罐。РД 13.100.00КТН196—2006《干线石油管道运营的安全性准则》规定应设计专门的储罐污水井和雨水排放阀室。
建议GB 50074—2014中排水系统条文修订为“新建储罐应分别设计雨水和含油污水排放系统；已建储罐排污水系统改造为连接污水处理装置，或者雨水和污水排放系统应独立设置切换阀，实现分类排放、分级控制。同时做好罐区和管涵的防渗工作，并将库区电缆沟、管涵等用沙填满，以防事故时油品随地沟漫流或渗入地下”。
8 防火堤防渗设计
GB 50074—2014仅规定了储存对水和土壤有污染的液体覆土卧式储罐，应按照国家法规采取防渗漏措施，并具备检漏功能；对其他类型的储罐是否进行防渗设计未明确规定。GB 50351—2014《储罐区防火堤设计规范》规定防火堤排水沟应采用防渗漏措施，当油罐泄漏物有可能污染地下水或附近环境时，堤内地面应采取防渗漏措施。GB 50351—2014未强制要求进行储罐防渗设计，也未给出防渗设计要求和具体形式。由于GB 50074—2014和GB 50351—2014对储罐防渗属于非强制性要求，国内储罐一般只做罐的基础防渗检测，较少进行罐区地面的防渗设计，一旦发生储罐泄漏，可能导致环境和水体污染［13］。俄罗斯Правила—2004规定在地表以下至少1m地基处，在合成防渗膜上面填充一层最少150mm厚的碎石，或者填充100mm厚的混凝土。建议GB 50351—2014研究在新建储罐防火堤内应用俄罗斯防渗设计的可行性。
9 结束语
随着国内油库建设规模的不断扩大，提高储罐消防和安全系统设计标准成为必然。结合国内油库安全管理的现状，并借鉴国外标准先进经验，笔者针对GB 50351—2014需要修订的条款在文中提出了具体建议，希望对提高国内油库的安全性和应急保障能力有所借鉴。