第二节 钢制立式储罐火灾场景
可燃液体的燃烧为气态燃烧，当其蒸气与空气混合比在爆炸上、下极限之间时，遇点火源可能被点燃。点燃可燃液体蒸气与空气混合气体所需的能量在1mJ以下。雷击是最主要的点火源，其他可能的点火源有车辆发动机、明火作业、自然发火、静电、工厂炉火、外界因素（燃烧灰烬飘落）等。若混合比低于爆炸下限或高于爆炸上限，则通常不会被点燃。
闪点大致相当于可燃液体爆炸下限的温度。图3-10是乙醇的闪点、爆炸极限的关系曲线，可燃液体都存在类似的关系曲线。
图3-10 乙醇闪点与爆炸极限及饱和蒸气压关系图
立式钢制储罐火灾场景因储罐类型、起火原因及储存可燃液体不同而异。研究储罐火灾场景，掌握其变化规律，对搞好储罐（区）火灾预防和火灾扑救有重要的意义。为了阐明观点，本书引用了一些储罐火灾案例，但并未详细介绍。过往案例很多，有需要可阅读有关案例汇编类书籍。
瑞典国家试验研究所共收集分析统计了欧洲、美国及其他英语系国家自20世纪50年代至2003年9月28日所发生的479起储罐火灾案例，见表3-1。其他地区，因资料收集困难，没有统计分析。在这479起储罐火灾案例中，全液面火灾54起、浮顶密封圈火灾79起、数个储罐同时发生火灾放弃灭火80起、资料不全无法判断类别252起、仅覆盖泡沫实际并无火灾发生14起。
表3-1 每十年储罐事故统计
1998年7月第一版美国石油学会文件（API PUBLICATION 2021A）Interim Study—Prevention and Suppression of Fires in Large Aboveground Atmospheric Storage Tanks中辑入107起储罐火灾案例，火灾原因见表3-2。
表3-2 大型常压储罐火灾原因
由于本书重点在于泡沫灭火技术，为与泡沫灭火技术衔接，同时提示有关单位或个人如何应对储罐火灾，所以依据钢制立式储罐类别，从火灾波及范围方面对于火灾场景进行分类。
一、固定顶储罐主要火灾场景与设防标准
火灾发生的客观原因大致有可燃气体意外混入储罐内、储罐超压、高温、罐顶破洞、储罐满溢、罐壁或罐底破洞、维修维护过程中可燃液体泄漏及其他外部事件（自然灾害、恐怖攻击）等。
（一）全液面火灾
固定顶储罐火灾多为爆炸后稳定燃烧。即先是混合蒸气爆炸，继而稳定燃烧。小罐或中低液位罐爆炸着火时往往被“揭盖”形成敞口全液面火灾，参见图3-11；高液位大罐有可能是罐顶与罐壁局部炸开口。
《石油化工企业设计防火规范》GB 50160、《石油天然气工程设计防火规范》GB 50183均以一个储罐发生全液面火灾为设防基准，《石油库设计规范》GB 50074—2014除其定义的特级石油库外，其他级别石油库也是如此。
图3-11 单个储罐火灾
图3-12 多个储罐火灾
固定顶储罐发生全液面火灾后，若不及时有成效地扑救，5～10min后会造成罐壁变形、罐顶塌陷。若是储存高热值可燃液体，极易因火焰温度高、热辐射强度大，甚至火焰直接作用到相邻储罐罐顶，而导致相邻储罐相继爆炸起火，图3-12为1989年芬兰鲍尔加市炼油厂油罐火灾。一旦形成多罐火灾，灭火变成奢望，或许更期待其尽快燃尽，别进一步扩散。
（二）可燃液体流淌到防火堤内的火灾
依据过往火灾案例归纳为：
（1）可燃液体储罐进出料过程中外溢事故导致的防火堤内火灾。这类火灾大都能够通过关闭相关阀门停止作业，同时采取有效扑救得到控制。
（2）油品储罐着火沸溢导致的防火堤内火灾。除原油储罐火灾会发生沸溢外，高温重油储罐长时间燃烧后也会发生沸溢，并且喷射泡沫扑救还会导致油品溅溢（slop over）。最惨重的重油储罐火灾沸溢案例可能当属1982年委内瑞拉首都加拉加斯附近的发电厂重油罐火灾案例了，着火约8h后大火演变为剧烈沸溢，造成了150多人死亡、300多人受伤。
（3）储罐开裂导致的防火堤内火灾。固定顶油罐起火爆炸时，可能发生罐壁与罐底焊缝沿罐底圆周方向全部或部分撕开油品外泄的恶性事故。为尽可能防止发生此种场景火灾，相关设计规范规定采用弱顶结构或设置易碎罐顶。但现实工程中往往难以落实，如2009年4月8日，位于内蒙古鄂尔多斯市的伊泰煤制油有限责任公司中间罐区4号500m3蜡油罐火灾，其罐顶与罐壁尚且完好而罐底炸裂，导致燃烧着的蜡油流淌入防火堤内，又相继引燃了500m3石脑油1A、1B、1C内浮顶罐，见图3-13。另外，对于直径小于15m的小型储罐，按国家有关标准规定的钢板厚度设计建造，其罐壁重量可能不足以抵消储罐爆炸时的提升力，应特别注意保证弱顶结构，这一点未得到普遍认识。
图3-13 伊泰煤制油中间储罐区火灾现场
火灾蔓延到防火堤内的火灾场景不在固定泡沫系统设防范围内，需要移动救援力量施救。沸溢和储罐开裂导致的防火堤内火灾，尤其是沸溢，往往在施救过程中突然发生而猝不及防，在制订应急预案时应考虑这种风险，防范救援人员伤亡。
（三）防火堤被外泄的油品冲毁，火灾失控
《石油库设计规范》GB 50074、《石油化工企业设计防火规范》GB 50160、《石油天然气工程设计防火规范》GB 50183、《石油储备库设计规范》GB 50737四部国家标准对防火堤结构强度要求都是能承受液体充满防火堤时的静压，并为适应浮顶储罐，规定将防火堤距外侧道路高度由不大于2.2m增高到3.2m。其规定既自相矛盾，又存在重大隐患。只有罐组内最大储罐在上限液位时，罐壁底部开裂才能使储存液体充满防火堤，这种情况下会产生相当大的冲击动压，若按静压设防，储罐破裂会冲毁防火堤。现实火灾案例中，在储罐没有破裂，只是长时间扑救形成一定深度的积水就导致混凝土堤局部失效了，此案例在后面内浮顶储罐火灾场景部分中进一步介绍。防火堤被外泄的油品冲毁的火灾案例为数不少，现介绍比较惨重的两起国外案例加以警示。
1982年12月19日，委内瑞拉首都加拉加斯电力公司的油罐发生大火，约8h后剧烈沸溢并冲毁土防火堤。由于油库位于陡峭山坡，近似熔岩状的燃油顺势流淌到居民区，造成重大人员伤亡和财产损失。有关案例的详细介绍可见张清林等编的《国内外石油储罐典型火灾案例剖析》（天津大学出版社，2014）一书。
1994年11月2日，埃及艾斯龙特市储量15000吨的石油基地油罐区遭雷击起火，燃油外泄冲毁防火堤。该油罐区距居民区200m，且油罐区地势较高，烧着的油品顺流而下成火海，导致500多人死亡。
二、外浮顶油罐主要火灾场景与设防标准
有关外浮顶油罐火灾场景与发生概率，1997年由16家国外石油公司组成的大型常压储罐火灾调查项目组（LASTFIRE），收集了36个国家164个站点1981～1995年2420座直径大于40m的外浮顶油罐数据资料，被考察储罐的平均使用年限为27.1年，代表着33909罐×年。调查得到火灾场景及统计数据分别见图3-14与表3-3。
图3-14 单盘浮顶储罐火灾场景示意图
表3-3 LASTFIRE浮顶储罐初始火灾统计数据
（一）环型密封圈火灾
外浮顶油罐普遍采用钢制单、双盘式浮顶，罐顶与油品接触，罐内几乎没有气相空间。因密封不严或受损，导致油气泄漏，当油气浓度达到爆炸极限范围内，并遇点火源时，便发生密封圈爆炸火灾。到目前为止，外浮顶油罐的浮盘密封仍是一个薄弱环节。密封圈火灾场景见图3-15。
图3-15 密封圈火灾照片
在LASTFIRE调查报告记录的62起初始火灾中，有55起密封圈火灾，其中52起是雷击引起的，2起是在运行中的储罐上进行明火作业引起的，1起火灾原因不明，与第一版美国石油学会文件（API PUBLICATION 2021A）分析数据基本一致。由于样本差异，瑞典国家试验研究所给出了不同的分析数据，不过根据我国大型外浮顶油罐密封圈火灾案例，雷击为最主要原因是不容置疑的。雷击火灾概率带明显的地域性，这是不同地域雷暴日和雷暴强度不同的缘故，年雷暴次数多的国家地区其密封圈雷击火灾概率较高。在LASTFIRE调查的15年期间，雷暴多发地点的一些储罐多次遭雷击引发密封圈火灾。我国也一样，广州石化某罐组的储罐反复遭雷击起火，宁波镇海国家石油储备基地47号罐（10×104m3）2007年一个月内两次遭雷击起火，2010年3月3日相邻的49号储罐又遭雷击爆炸着火，2011年11月22日大连新港两个10×104m3储罐同时遭雷击起火。目前规范的设防标准为一座储罐密封圈火灾。
（二）全液面火灾
有关大型外浮顶油罐发生全液面火灾概率，LASTFIRE只收集了36个国家164个站点的案例，且截止到1995年。瑞典国家试验研究所收集的案例截止到2003年09月28日，且均为欧、美和部分英语系国家或地区。到2015年末，实际发生的火灾案例远多于上述两家的统计数据。综合LASTFIRE的统计数据，外浮顶油罐发生全液面火灾的概率应在10-4量级。图3-14（b）、（e）都会发展成为浮盘沉没后的全液面火灾，其中图3-14（b）显示了发生于1983年8月30日Amoco公司英国米尔福德港炼油厂一座直径255英尺（容积约10×104m3）的原油外浮顶储罐火灾。该着火罐中部钢板常年受风力作用而产生了疲劳裂纹，油气从裂纹处泄露，遇点火源（最可能是30m内烟囱排出的炽热碳颗粒被风吹到罐顶上）发生火灾。灭火救援过程中采用了消防炮向储罐中央喷射泡沫和水，浮盘被击沉，尽管采取了倒出着火罐与相邻罐油品的措施，着火罐还是发生了两次沸溢。火灾中，着火罐被烧毁、烧掉原油25000吨，距离60m远的两个相邻储罐被烧严重变形而报废。2010年7月16日，大连中石油国际储运有限公司卸油管道爆炸大火中也波及了其103号罐，形成了全液面火灾，参见图3-16。庆幸其油品大都经管道泄露流淌了，而没有发生沸溢，保住了其他储罐。
图3-16 中石油国际储运有限公司灾后
迄今为止，发生全液面火灾直径最大的当属美国路易斯安那州诺科市某炼油厂汽油储罐火灾，而且堪称油罐全液面火灾扑救的范例。扑救成功的关键除指挥得当外，一是超大流量泡沫炮成功压制烈焰，二是灭火后在泡沫保护下倒罐，三是着火油罐附近水源充足，四是相邻储罐间距大没有冷却之忧（见图3-17）。简介如下：
2001年6月7日，美国路易斯安那州诺科市炼油厂一座直径82.4m、高9.8m的外浮顶油罐因雷击起火。火灾发生时内储47700m3汽油，着火前浮盘部分沉没。灭火时，在罐东南侧部署了一台流量为30300L/min的消防炮，在罐西南侧部署了一台流量为15100L/min的消防炮，为进一步巩固灭火成果，在正南方向又增加了1台流量为3785L/min的消防炮。65min后火灾被扑灭。灭火后为防复燃，工作人员将该储罐内的汽油转移到另外的一座储罐。倒罐过程中，每隔45min向罐内喷射一次泡沫，每次喷射持续15min。灭火过程中泡沫混合液供给强度为8.55L/（min·m2），泡沫液总用量为106 t。
图3-17 美国诺科炼油厂直径82.4m汽油储罐火灾
浮顶沉没是发生或发展为全液面火灾的原因。瑞典国家试验研究所对浮顶沉没的原因进行了统计分析，参见图3-18。
图3-18 沉盘原因
A—管线内混入气体；B—充填过满；C—浮船损坏；D—浮顶支架故障；E—浮顶积水；F—暴雨；G—浮顶排水系统故障；H—浮顶破裂；I—浮顶表面泄漏存储物；J—不明原因
（三）蔓延到防火堤内的火灾
导致储罐内部火灾蔓延到防火堤内的原因有：进油过程中的冒顶事故、原油火灾沸溢、油罐开裂等。前面已有案例表述，不再举例赘述了。以往火灾案例显示，对于汽油、柴油等油品储罐火灾过程中，罐壁向内凹陷，通常不会蔓延到防火堤内。但灭火救援过程中过量喷射水或泡沫导致储罐满溢的案例是存在的。大型原油储罐全液面火灾灭火成功者寥寥，大都发生沸溢。我国应特别关注防范此类火灾，因为它可能酿成区域性风险，甚至会酿成社会风险。
（四）防火堤被外泄的油品冲毁，火灾失控
迄今作者并未获得外浮顶储罐破裂冲毁防火堤，并发生火灾的例证，只是依据如下两个案例推测的：①1974年日本三菱石油水岛炼油厂一座5×104m3油罐因基础不均匀沉陷造成罐底、罐壁同时拉裂，瞬时泄出油品，并将防火堤冲毁。②20世纪50年代，英国发生过2×104m3油罐试水时脆性破裂，罐内水瞬时泄出而冲毁防火堤。日本石油储备库多考虑了这一场景（图3-19），设防标准是我国无法比拟的。地域狭小的日本能用如此高标准设防，并从国家立法层面颁布了包括《石油联合企业灾害防治法》在内的系列法律。这不是杞人忧天，2010年7月16日发生在大连中石油国际储运有限公司管道爆炸火灾，事前是想象不出的，但却成为载入史册的恶性火灾案例。聊以宽慰的是其处于储存区低位，见图3-20。
图3-19 日本苫小牧石油共同储备基地
图3-20 大孤山石油储存区
三、内浮顶储罐主要火灾场景与设防标准
内浮顶储罐通常用于储存凝析油、稳定轻烃、原油一、二次加工所得的轻质油品及化工液体等甲、乙类液体。原油一、二次加工所得的粗轻油罐硫醇、硫醚等腐蚀性物质一般含量高，易产生硫化亚铁，且易带静电等。因所储存甲、乙类液体的易燃性，决定了内浮顶储罐的火灾危险性高，世界范围内，有大量内浮顶储罐火灾案例，且我国也有不少内浮顶储罐火灾案例。但国内外的相关统计分析资料和媒体报道，基本未说明着火储罐的浮盘形式，作者掌握的案例都是铝浮盘浮顶罐与早期使用的浅盘。相信会有钢制单、双盘内浮顶储罐火灾案例，但可能较少。
钢制单、双盘内浮顶储罐为双顶结构，固定顶为内浮顶遮风挡雨，还可能有防雷作用，相对于外浮顶储罐，导致火灾的因素少许多，它是一种较为安全的储罐。如果要分析其火灾场景，类似于外浮顶储罐，只是火灾概率低许多。对于此类储罐相关标准是按密封圈火灾设防。
铝或不锈钢薄板浮盘等浮筒式内浮顶罐，密封不严、无抗爆炸破坏能力。它们被用以储存轻质成品油、中间产品及化工液体，不但浮顶与所储存液体液面间有气相空间，而且浮顶上方气相空间混合气体常处于爆炸极限范围内，遇点火源爆炸起火，同时内浮顶被破坏而形成全液面火灾。当采用不锈钢薄板浮盘时，由于漂浮在液面无法熔化，泡沫灭火设施难以将火灾彻底扑灭。我国有一定数量的采用不锈钢薄板的浮筒式内浮顶罐，某地已将此类汽油罐的容量做到5×104m3，且是按密封圈火灾设防的，这不符合国家标准《泡沫灭火系统设计规范》GB 50151—2010的规定。对于此类储罐，国家标准《石油库设计规范》GB 50074、《石油化工企业设计防火规范》GB 50160在总图布置方面执行外浮顶储罐的相关规定，在消防冷却水系统与泡沫系统设计方面执行固定顶储罐的相关规定；国家标准《石油天然气工程设计防火规范》GB 50183均按固定顶储罐对待。面对高企的火灾概率，应当限制此类储罐用于储存闪点低于45℃的甲、乙类液体，业内支持者在逐步增多。关于此类储罐的火灾场景基本类似于固定顶储罐，而且因其储存轻质液体、储罐间距小（0.4倍储罐直径），火灾更容易蔓延。腾龙芳烃（漳州）有限公司“4.6”重大爆炸火灾事故是最好的例证。
2015年4月6日18时56分，腾龙芳烃（漳州）有限公司二甲苯装置在停产检修后开车时，引料操作过程中出现压力和流量波动，引发液击，存在焊接质量问题的管道焊口作为最薄弱处断裂。约295℃物料蒸气从管线开裂处泄漏扩散，后被鼓风机吸入风道进入炉膛爆燃，并引爆弥漫在空中的蒸气与空气混合物形成球火，巨大的爆炸冲击波导致距二甲苯装置西侧约67.5m中间罐区的607号、608号2座重石脑油储罐和610号轻重整液储罐罐壁内陷，与罐顶间焊口撕裂并先后爆炸着火。爆炸还损毁了敷设在管廊上由变电所到罐区变电站的二回路电缆和储罐上消防冷却水环管，储罐爆炸损毁了储罐上的横式泡沫产生器，固定消防设施全部瘫痪。4月8日10时53分，609号轻重整液储罐又被引燃。至此同一罐组4座容量均为10000m3的储罐全部被烧，着火前它们存量分别为6622吨、2000吨、1562吨、4000吨。
事故发生后，公安消防部门先后共调动消防车辆269部、官兵1169名全力灭火。先后以陆运、空运方式从山东、江苏等地调集泡沫液1600多吨（实际使用800吨）运往现场，曾两次控火（相关文件中说灭火），两次复燃。灭火救援过程中，喷射了大量消防水冷却，储罐内液体外溢到防火堤内，由于防火堤内地面经水浸泡后，局部沉降，致使一段防火堤向内倾斜，在接缝处形成开口，水与燃液向防火堤外泄流，火灾蔓延到防火堤外。经过消防官兵68小时连续奋战，于4月9日3时10分，以最后起火的609号储罐物料燃尽熄灭宣告灭火，保住了相邻罐组，见图3-21。“4·6”重大爆炸火灾事故留给人们许多需要思考的问题，敏感话题就不谈了。
图3-21 腾龙芳烃“4·6”爆炸火灾事故现场
（1）腾龙芳烃（漳州）有限公司火灾时，用于安全保障的空分装置单元未建，依《消防法》规定应设的企业消防站未见到，应该是安全配套设施不健全就试生产了。
（2）案由虽然定性为物料操压力和流量波动引发液击，可是其管道内压力才1.0MPa，在发达国家焊口都不作为隐患点，连同储罐如此不堪一击，反映出其设备材料与施工质量是何等低劣。
（3）相关动力电缆、防火堤、储罐间距等设置符合国家标准《石油化工企业设计防火规范》GB 50160—2008的规定，可见该标准尚需完善。
（4）国家标准《泡沫灭火系统设计规范》GB 50151—2010规定固定顶储罐与按固定顶储罐对待的内浮顶储罐宜设置立式钢制泡沫产生器，规定外浮顶储罐当从顶部供给泡沫时应设置泡沫导流罩，该工程均未遵守。
（5）相关事故调查报告都未对着火储罐的结构形式、所储存液体组分或馏分进行分析，对今后科学研究帮助甚少。作者等深入灾后现场只是听企业人员说储罐采用的是铝浮盘，对所储液体未作具体回答。