油罐区火灾风险预测模型初探

摘要：石油生产中的物料往往具有易燃、易爆、腐蚀、毒害等危险性，这些潜在的危险性决定了在生产、运输、储存、使用等各个环节中必须严格管理。稍有不慎就会酿成重大事故，给人们的生命财产造成破坏和损失。油罐区占地面积大，收发作业频繁，设备检维修频次多，作为石油及产品的主要储存区域，担负着液态油品和可燃气体的收发储存任务。大量事故案例表明，火灾爆炸事故是易燃易爆液体储罐区多发事故。通过对油罐火灾的实验研究和数值模拟研究，能够得到油罐火灾发生时燃烧特性的变化趋势、着火罐周围的辐射热场分布规律、以及相邻罐所受的影响。

关键词：易燃易爆 火灾 预测模型

原油在储存过程中的危险因素较多，原油的闪点范围比较宽，在发生火灾时，热波现象明显，很容易产生突沸现象。原油罐区的风险特征主要在于跑、冒、滴、漏及火灾、爆炸等。原油的特性决定了火灾爆炸危险性是大型原油储罐最主要也是最重要的危险因素。发生着火事故的三个必要条件为：着火源、可燃物和空气。着火源的问题主要是通过加强管理来解决，可燃物泄漏问题则必须在储罐设计过程中加以预防和控制。泄漏的原油暴露在空气中，即构成可燃物。原油泄漏，在储运中发生较为频繁，主要有冒罐跑油，脱水跑油，设备、管线、阀件损坏跑油，以及密封不良造成油气挥发，另外还存在着罐底开焊破裂、浮盘沉底等特大型泄漏事故的可能性。腐蚀是发生泄漏的重要因素之一。国内外曾发生多起因油罐底部腐蚀造成的漏油事故。对原油储罐内腐蚀情况初步调查的结果，罐底腐蚀情况严重，大多为溃疡状的坑点腐蚀，主要发生在焊接热影响区、凹陷及变形处，罐顶腐蚀次之，为伴有孔蚀的不均匀全面腐蚀，罐壁腐蚀较轻，为均匀点蚀，主要发生在油水界面，油与空气界面处。相对而言，储罐底部的外腐蚀更为严重，主要发生在边缘板与环梁基础接触的一面。

浮盘沉底事故是浮顶油罐生产作业时非常忌讳的严重恶性设备事故之一。该类事故的发生，一方面反映了设计、施工、管理等方面的严重缺陷，另一方面又将造成大量原油泄漏，严重影响生产、污染环境并构成火灾隐患。

罐区的主要突发性风险事故分为泄漏和火灾2种类型。泄漏事故分4种情况：①输油管泄漏；②人孔、阀门、法兰密封不良泄漏；③槽车阀门没关或者内漏(这3种情况，如果正常巡检，及时发现，泄漏量不会太大)；④罐体破裂(这是难以控制，也是最恶性的泄漏事故)。罐区火灾也有4种情况：①储罐为静止罐的情况下着火；②罐内着火；③罐顶因爆炸被炸开，火势异常猛烈；④罐体爆裂，火势除在罐体内燃烧外，还随着油品的外溢四处蔓延。对于大型浮顶罐来说，其潜在的主要事故风险有3种：①罐体开裂，导致大量油品瞬时外溢，遇到火源发生燃烧或爆炸事故；②密封环处的局部火灾。目前大型外浮顶油罐普遍采用钢制双盘或者浮船式浮顶。正常情况下浮顶与油品接触，罐内几乎没有气相空间。这类油罐的火灾形式通常表现为密封环处的局部火灾；③全面积敞口火灾。

总体来讲，研究火灾的发生、发展规律，预测其危险性是有效预防和扑灭油罐火灾的关键，目前的研究方法主要有模型实验与计算机模拟两种方法。模型实验般是指对各种实际火灾情况进行实体(fultscale)试验，或按比例缩小尺寸(smallscale)的燃烧试验。它是火灾科学理论研究的基本方法和手段，既可用于研究火灾的规律，验证各种影响因素之问的关系，同时也可为数学模型提供基本的数据。计算机模拟就是在描述火灾过程的各种数学模型的基础之上，分析研究火灾的发生、发展，烟气的蔓延规律以及火灾对周围环境的作用。计算机模拟可以大大节省研究和测试费用。同时町通过设定多种火灾场景进行重复的模拟和演算。

油罐火灾的实验研究国内外均已经开展了几十年，从Blinov和Khudiakovl211957年首次开展实验研究以来，国外发达国家，比如美、日、英、西班牙等都进行了有关石油产品火灾的实验研究，并取得了些应用的成果。研究主要集中在以下几个方面：油品的燃烧速度，火焰高度、火焰温度、燃料表面的热量传递、火焰对周围环境的热辐射强度以及燃烧产物的浓度和烟雾的产生特性等。国内的一些研究机构也进行了相关研究，比如天津消防研究所、火灾科学国家重点实验室等，在“九五”科技攻关项目中对扬沸火灾、管道泄漏火灾等进行了实验研究。其中天津消防科学研究所在1987年曾对100m3和5000m3的油罐开展过原油的燃烧及灭火试验，取得了一些有价值的试验数据和研究成果，但其主要目的还是验证氟蛋白灭火剂的效果。

综上所述，可以看出国内外的实验研究的燃料主要是原油、煤油和烃类燃料(比如丙烷、庚烷等)，而对危险性同样大的汽油和柴油，相关的实验研究较少。而且国内的油罐火灾实验很少，相应的实验数据比较缺乏。在以前的实验研究中，着火罐对相邻罐的影响，相邻罐上壁温的变化及其所受辐射热的大小都很少涉及。因此，研究汽油和柴油罐燃烧时的燃烧特性和其辐射分布规律，探讨相邻罐在着火罐燃烧时所受的影响，是很有意义的。

油罐的实验研究可以获得油罐火灾发生时，其特性参数的真实变化。但由于油罐火灾研究具有特殊性，加之资金、安全、环保等因素的限制，直接进行大型实验是非常困难的。另外由于油罐火灾受到气候和环境的影响使实验重复性较差，难以获得一致的结果，而且实验结果在利用相似理论进行推广的过程中，常常得不到满意的效果。所以近几年来随着计算机技术的飞速发展，应用计算机来模拟油罐火灾的发展过程和火灾对环境的影响已成为更为可行的手段。

计算机模拟的关键在于建立可以准确描述火灾现象及其发展过程的数学模型，常被称为“火灾模型”。现在常用的火灾模型有两种：区域模型(ZoneModel)和场模型(FieldModel，也称为CFD模型)。区域模型把所研究的受限空间划分为不同的控制容积(即区域)，并且假定各个控制容积内的参数(如温度、压力、密度等)是均匀的，在每个区域内分别运用质量、能量和动量守恒的原理，用数学分析方法来描述火灾过程。场模拟的理论依据是自然界普遍成立的质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应定律等，且建立了火灾各主要分过程的理论模型，主要是受浮力影响的湍流模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型和碳黑模型等，组成了一个封闭的基本方程组。然后将研究对象划分为数以力计的控制体，在控制体中通过数值求解这些方程组来获取所求参数以了解火灾的发展过程。与此同时，目前并没有专门针对油罐燃烧的火灾场模型。为了利用场模型来研究油罐火灾的燃烧特性和辐射规律，作者通过查阅大量的文献，搜集了当前最新的17种场模型。

各软件的应用场合是有差异的。通过比较我们发现，SoFIE、RMFIRE、MEFE、KOBRA．3D、KAMELEONFireEx、SMARTFIRE、ModifiedUNDSAFE等七个模型主要是用来模拟室内火灾的；SOLVENT模型用来模拟隧道火灾：通用软件STAR―CD主要用在模拟建筑火灾和内燃机的计算方面；SPLASH则是用来模拟水喷淋系统和火灾烟气的交互作用，FIRE模型尽管可以模拟油罐火灾，但是它现在还没有发展成熟，只是一种研究模型。经分析认为，模型ALOFGFT、FDS、CFX、FLuENT、PHOENICs、JASMINE等六种软件可用于模拟油罐火灾。通过对油罐火灾的实验研究和数值模拟研究，能够得到油罐火灾发生时燃烧特性的变化趋势、着火罐周围的辐射热场分布规律、以及相邻罐所受的影响。

参考文献：

［1］《中华人民共和国消防法》。

［2］《建筑设计防火规范》。