化工储罐火灾爆炸研究及应急救援方法研究

韩晓波

摘要

由于近年来国内化工原料需求量的逐年增加，我国目前化工原料储备库的建设进入了高速发展阶段。当储罐发生火灾后，为缩短应急救援的时间，减少事故所造成的损失，本文探讨了基于GIS的应急救援系统以及最短应急路径的选择。在考虑到浮顶化工储罐雷击着火后，其着火的面积和燃烧的形式不同，确定不同的扑救方法。

关键词：化工储罐，道化学危险指数，池火灾，雷击，蒸气云爆炸，有毒物质扩散

作为化工储存和转发过程中的重要一环，化工储罐在化工行业发挥着越来越重要的作用。化工储备库的建成，虽然给国家化工战略储备提供了便利，但同时也给安全运行埋下巨大隐患。化工罐如果一旦发生发生火灾爆炸事故，不但会影响企业的正常运行产，更会造成人员伤亡、财产损失和环境污染的严重危害。因此，为了预防此类火灾爆炸事故，减少人员伤亡、财产损失和环境污染，开展安全风险的研究有着十分重要的意义。

1 研究背景

随着近些年来全球对化工需求量的增长，以及为了应对化工行业中出现的事故，辨识危险及有害因素，预测发生事故概率和严重程度，化工风险评价技术也逐步发展起来。美国道化学公司首先在1964年，根据化工行业生产的特点，开发出了的“火灾、爆炸危险指数评价法”用于化工装置和化工园区的评价^[2]；随后英国帝国化学公司蒙德（Mond）研究部，在借鉴道化学公司评价方法的基础上，引入了危险化学品毒性的概念，并结合风险补偿系数，提出了蒙德化学评价法。1974年，美国原子能委员会利用安全评价法对核电站可能发生的事故进行评价，提出了著名的“核电站风险报告”，并且被后来所发生的事故所证实；1976年，日本在化工产品的制造和储存过程中，率先使用“化工厂安全评价六阶段法”，并将该方法应用于的火灾爆炸危险性评价中^[1]。

2 研究方法

近些年来全国各地发生了多起大型化工储罐火灾事故，因为发现及时，这些火灾都被有效的扑灭，也没有造成大面积的人员伤亡和财产损失，但同时为化工气储运的安全运行敲响了警钟。例如，2006年中石化下属的一座15万立方的浮顶化工储罐遭到雷击，浮顶储罐密封圈处发生火灾，经过了消防队员20分钟奋战后，火情才得以消除。此后，上海白沙湾、浙江镇海的大型化工罐发生了数起雷击起火事故，所幸这些事故都发生在浮顶储罐密封圈处，着火面积较小，且灭火措施得，才未酿成更大事故。而根据国内外相关资料统计,大型化工储罐众多火灾场景中，发生最为频繁的是储罐密封圈火灾,其次为防火堤内池火灾、浮顶全表面火灾和浮顶局部火灾。

因此，为了预防此类火灾爆炸事故，减少人员伤亡、财产损失和环境污染，开展安全风险的研究有着十分重要的意义。在收集实地相关资料的基础上，根据国家、省市安全生产法规、行政规章和相关规范、标准，运用最合理的风险辨识方法和风险评价方法，明确发生事故的影响范围，确定合理的安全范围。同时，运用各种评价方法对重大危险源的危险程度进行分级，对事故所造成实际损失进行估算。在对危险源进行分析和安全条件评价的基础上，探讨基于GIS的应急救援方法，寻找最短的救援路径，为减少损失提供保障。

3 化工罐区火灾扑救与应急救援

3.1 化工罐区火灾扑救

当化工罐由于雷击发生密封圈火灾时，可以根据现场的实际情况，及时采取相应的应急措施进行灭火。在火灾发生的初期，企业只能利用固定的消防灭火系统进行扑救，并可向上级消防部门请求支援。

根据火灾燃烧的部位和发展形式的不同，可以将储罐的燃烧分为：顶板塌陷燃烧型、无顶稳定燃烧型和多储罐燃烧型。由于每种火灾的燃烧和扩散的形式不同，在采取相应的灭火方法时，应综合考虑各种因素，选取最佳的有效灭火方案。

（1）局部表面燃烧型。化工罐发生火灾后，随着燃烧过程的持续，其顶板一部分掉入化工中，另一部分在液面上，形成浮顶局部火灾。

（2）无顶稳定燃烧型。当浮顶储罐发生火灾后，由于热波和热传导的作用，造成罐内压力增大，罐顶被掀翻或断裂，导致在液面上形成稳定燃烧。这种燃烧火势极其猛烈，热辐射强，扑救起来难度很高。

根据国内外相关资料及研究成果，储罐在发生全表面火灾后，在不启动消防设施的情况下，5分钟内罐壁强度会降低50%，10分钟内罐壁强度会降低90%。为了防止燃烧化工罐的罐壁变形甚至破裂，必须首先对罐壁进行冷却，常用的冷却办法有使用泡沫灭火剂和储罐喷淋。若火势短时间内不能扑灭，则需对浮顶罐或顶盖已损坏的储罐，进行倒化工作业。在进行倒化工作业时，化工温度需要控制在90℃以内，相邻罐也可根据实际情况采取倒罐、冷却罐壁、构筑防火堤，各孔口用泡沫或防火物品堵塞等措施。

（3）多化工罐燃烧型。若一组化工罐同时燃烧，具有很大危险性，对此应采用全面控制，逐个消灭的方法进行扑救。要在火场指挥部的统一布置下，尽最大能力冷却所有燃烧的储罐和临近罐，控制火势不再蔓延。如果灭火力量充足，能集中足够的灭火器材，就可以对所有燃烧罐有计划地同时扑救；如果力量不足或灭火器材不足时，可先扑救上风向的邻近罐或其中最大的化工罐，然后再逐个扑救。扑救多个化工罐火灾时，应组织人员有效地疏散或撤离，避免化工罐发生爆炸波及原来的安全区域。同时，对多化工罐火灾的事故，可利用当地的应急消防系统，争取外援消防力量进行扑救。

3.2 事故应急救援

化工罐区存化工储量大，收发作业频繁，容易发生各类安全事故。而一旦发生火灾爆炸事故，不仅会造成人员伤亡、设备损坏和环境污染，而且会影响企业的社会声誉。因此，有必要加强化工罐区应急管理与救援，建立健全应急管理制度，制定应急处置预案，注重消防基础设施的建设，开展有效的应急预案演练，有效预防和妥善处理各类突发事件，最大限度地控制、减轻和消除化工罐区突发事件引起的危害，确保化工罐区人员、财产和环境安全[3]。

4 企业外部应急救援

4.1 最短路径算法的选择

当化工库区发生火灾爆炸事故后，外部应急救援力量应该以最快的速度到达事故地点，以便于火灾扑救和伤员救治的展开。但是由于企业内外道路错综复杂，且一旦发生阻塞，如何寻找到一条最短路径进行应急资源的输送，是应急工作要解决的首要任务。在过去传统救援过程中，仅凭经验选择路径，具有太大的主观性，且不能保证选择路径的畅通。因此，需要利用各种信息技术手段对每条路径进行分析后，才选择出事故应急救援的最佳路径。

在化工园区发生严重事故后，距离事故地点最近的救援队应该选择最短的救援路径，将救援队伍和应急资源运送到事故发生地点，因此，应急中心需要对事故应急救援的最短路径进行合理选择。目前最短路径的算法大约有17种，应用最广泛的有两种。一种方法是Dijkstra最短路径算法，另一种方法是Floyd最短路径算法，在实际应用中，由于Dijkstra算法思路简明，且相对容易，因此被广泛应用于化工园区最短路径选择的GIS分析方法。

4.2 化工园区最短路径的GIS分析

在实际应用中，首先应根据化工园区外部道路的分布情况和地形情况，构建相应的道路节点图和道路示意图。道路节点是指道路之间的交叉汇点，将其按照一定的规则进行编号、统计。节点图里的数据通常包括节点的ID、节点的类型和相应的坐标值，其中节点ID用来标识节点本身。一般情况下，为提高系统检索速度，节点的坐标保存在数据库中，当然节点坐标也可以不用保存，它能够通过地理信息系统相应的地理查询功能来得到。在对某一道路情况进行评价的时候，通常用道路系数来表示道路对救援人员的行进速度可能产生的影响，根据实际需要选择不同的数值。其中默认值为1，表示该路况正常。但是在实际情况中，路况系数的确定往往受车行道宽度、沿途条件两个因素的影响，所以路道系数值一般大于1。沿途条件指的是道路两旁街道化的程度和横向干扰，如果某一路段两旁有建筑物，则会增加行人和非机动车辆对道路的干扰，从而迫使应急救援活动中降低行车速度。在最短路径模块初始化阶段，要检索道路示意图中所有的道路，并根据道路的交通量、道路宽度、路况系数来构建相应的道路数据库，以便实施最短的路径算法。

5 结论与展望

在对外浮顶储罐密封圈火灾进行性模拟时，因密封圈着火区域较小，所以假设着火区域不受风速和风向的影响。但在实际场景中，由于风速和风向的不同,使得火焰周围的热辐射通量不同，其伤害范围也会有所不同。根据相关研究表明，在有风作用下，下风向的热辐射强度要比无风时大5倍。同时，火灾燃烧产生的烟尘颗粒也会加强火焰对周围的热辐射。浮顶储罐发生火灾后，由于火焰产生的高温，使得储罐罐壁的应力强度不断降低。在不启动任何消防设施的情况下，储罐在发生全表面火灾10钟后，内罐壁强度会降低90%。但在实际场景中，储罐发生火灾2～3分钟后，就可以利用罐顶的泡沫发生器对着火点进行灭火，而泡沫灭火剂对罐壁具有冷却温度的作用。在后续的研究中，应考虑储罐启动消防设施的情况下，分析出储罐火灾而导致的罐壁应力失效，并计算出罐体坍塌的时间。

参考文献

[1]陶富云.基于LOPA方法的原油储罐风险评估技术[J].科技风,2021(06):171-174.

[2]郑贤斌,李自力.DOW火灾爆炸指数评价法在油库中的应用[J].油气储运,2003(05):49-52+61-66.

[3]谭朝阳. 化工园区脆弱性综合评估方法研究[D].南开大学,2012.