大型油罐火灾安全防控技术

随着经济的飞速发展，石油在生产、生活中的应用越来越广泛，增加国家战略石油储备成为应对能源危机和保障国家能源安全的重要举措，大型油库和油罐区的数量逐年增加，容量逐渐增大，油罐的大型化成为发展的必然趋势。与此同时，油罐火灾的风险性也不断增大。大型油罐区一旦发生火灾，往往会发生连锁反应，不但造成巨大财产损失，处置不当还有可能造成环境污染和人员伤亡，给人民生命财产安全和消防人员生命安全带来严重威胁。2015 年4 月6 日，福建漳州古雷腾龙芳烃PX 项目火灾爆炸事故，处置过程中发生2 次复燃，造成6 人受伤，13 名周边群众陆续到医院检查留院观察，直接经济损失9457 万元；2015 年7 月16 日，山东日照石大科技火灾爆炸事故，救援处置过程中共发生了4 次爆炸，造成2 名消防员轻伤，7 辆消防车毁坏，2 个球罐炸毁，2 个球罐烧毁，直接经济损失2812 万元；2015年8 月12 日，天津港瑞海公司危险化学品仓库特别重大火灾爆炸事故，造成165 人遇难，8 人失踪，798 人受伤住院治疗，304 幢建筑物、12428 辆商品汽车、7533 个集装箱受损，直接经济损失高达68.66 亿元。由此可见，做好大型油罐火灾的安全防控，是预防火灾发生、提升火灾扑救效率、降低人员伤亡和财产损失的重要手段。
大型油罐火灾防控方面的研究，一直是国内外学者关注的热点。中国人民警察大学的研究团队，从“十一五”至“十三五”近15 年的时间，通过国家科技支撑计划“超大型油罐火灾防治与危险化学品事故现场处置技术研究”、国家重点研发计划“超大型油罐区火灾爆炸事故处置技术及装备”、公安部科技强警基础工作专项“湿热耦合作用对消防员战斗力影响研究”等课题的资助，系统开展了大型油罐火灾扑救技术、扑救装备、坍塌预测预警技术、灭火剂及其供给技术、消防员安全防护以及油罐火灾扑救虚拟仿真训练技术等方面的研发工作，积累了大量的研究成果。
本书的参编人员均有幸参与了上述项目的研究工作，并将自己的研究成果进行梳理，写进了相关章节中。例如，第2 章中介绍的火灾条件下油罐罐壁失效坍塌数值分析，第3 章中介绍的复合射流消防车、泡沫灭火剂远程连续供给技术等内容，就是在国家科技支撑计划、国家重点研发计划等项目的研究过程中产生的原创性成果；第4 章大型油罐火灾消防员安全防护技术中介绍的模型、算法以及测试方法，就是在公安部科技强警基础工作专项项目的研究中所运用的方法。这些研究成果涉及大型油罐火灾安全防控理论、装备和技术等多个层面，均具有较强的创新性，可为科学工作者提供一定的参考和借鉴。 
本书由中国人民警察大学卢立红教授、王慧飞副教授、付丽秋副教授、李焕群副教授和史可贞副教授编著。本书前言、第3 章由卢立红教授撰写，第1 章由李焕群副教授撰写，第2 章由史可贞副教授撰写，第4 章由王慧飞副教授撰写，第5 章由付丽秋副教授撰写。
课题组前后共有100 余名教师和研究生参加了研究工作，并做出了创造性贡献。内蒙古呼和浩特消防支队白海日，在读研究生期间参加了课题研究，对泡沫远程连续供给技术做了大量研究工作；明光浩渺安防科技股份公司研发了复合射流消防车，并提供了科研条件。
本书在撰写的过程中，得到中国人民警察大学康青春教授、屈立军教授、夏登友教授、李玉副教授、钱小东副教授的鼎力支持和指导，也得到江苏华淼消防科技有限公司、山东环绿康新材料科技有限公司的大力支持和帮助，在此一并表示衷心的感谢！
由于编著者水平所限，书中难免有不足之处，欢迎广大读者批评指正！

编著者
2022 年6 月

本书以大型油罐火灾为切入点，从事前、事中和事后三个维度，深入阐述了大型油罐火灾防控基本理论和技术。事前，要充分了解油罐及油罐火灾的基本类型、成因、主要危险点及扑救策略和方法；事中，通过数值分析和计算，得到火灾条件下油罐罐壁失效判据，科学选用灭火剂及其供给装备与灭火技术，消防员应做好自身安全防护；事后，可通过虚拟仿真技术，开展大型油罐火灾扑救技术和战术模拟训练，提升消防员战斗能力和水平。
本书内容既有理论总结和探讨，又有技术分析与创新，一方面可为大型油罐灭火救援指挥、技战术训练提供依据，另一方面可为从事大型油罐安全防控方面研究的科技人员提供参考，还可以作为辅助教材，为消防领域的在校大学生提供借鉴。

第1章 大型油罐火灾概述 001
1.1 油罐的基本类型 004
1.1.1 按照油罐的安装位置分类 004
1.1.2 按油罐的材质分类 005
1.1.3 按油罐的结构形状分类 006
1.1.4 按照油罐的设计内压分类 008
1.1.5 油罐的其他标准分类 008
1.2 油罐火灾的原因及特点 008
1.2.1 油罐火灾的原因 008
1.2.2 油罐火灾的特点011
1.3 油罐火灾的基本类型及主要危险点 013
1.3.1 油罐火灾的基本类型 013
1.3.2 油罐火灾的主要危险点 015
1.4 油罐火灾扑救的策略及方法 016
1.4.1 油罐火灾扑救应该遵守的总体原则 016
1.4.2 大型原油储罐火灾扑救策略 017
1.4.3 扑救油罐火灾的灭火器材和灭火剂的使用 019
1.4.4 几种典型油罐火灾的扑救方法 023
1.4.5 油罐火灾扑救注意事项 026
参考文献 027

第2章 火灾条件下油罐罐壁失效坍塌数值分析 029
2.1 油罐火灾特性 029
2.1.1 传热学基本知识 029
2.1.2 燃烧速度 031
2.1.3 稳定燃烧的火焰特征 034
2.1.4 油罐液体燃烧时热量在液层的传播特点 039
2.2 油罐着火时罐壁温度场计算 041
2.2.1 温度场 041
2.2.2 油罐工况及火作用 042
2.2.3 罐壁热平衡方程 043
2.2.4 罐壁温度场计算结果 046
2.3 油罐罐壁受力分析及失效坍塌判据 048
2.3.1 罐壁的作用效应 048
2.3.2 罐壁的抗力 049
2.3.3 罐壁失效判据与失效机理 051
2.4 罐壁失效影响因素分析及建议 053
2.4.1 原油初始储存高度h0 对罐壁失效坍塌时间的影响 053
2.4.2 原油燃烧线速度v1 对罐壁失效坍塌时间的影响 055
2.4.3 稳定热波温度T1 对罐壁失效坍塌时间的影响 055
2.4.4 罐壁保温层对罐壁失效坍塌时间的影响 056
2.4.5 应对罐壁火灾失效坍塌措施建议 057
参考文献 058

第3章 大型油罐火灾扑救灭火剂及其供给装备与技术 059
3.1 灭火剂及其应用 059
3.1.1 泡沫灭火剂及其应用 059
3.1.2 水灭火剂及其应用 062
3.2 灭火设施与装备 062
3.2.1 泡沫灭火设施与装备 062
3.2.2 水灭火设施与装备 072
3.3 消防车辆 087
3.3.1 灭火类消防车 087
3.3.2 举高类消防车 090
3.3.3 战勤保障类消防车 091
3.3.4 其他特种消防车 092
3.4 泡沫灭火系统 093
3.4.1 组成与分类 093
3.4.2 液上喷射灭火系统 094
3.4.3 液下喷射灭火系统 096
3.4.4 半液下喷射灭火系统 097
3.5 灭火剂供给方法与技术 098
3.5.1 泡沫液供给方法与技术 098
3.5.2 水供给方法与技术 100
3.5.3 泡沫灭火剂远程连续供给技术 102
参考文献 102

第4章 大型油罐火灾消防员安全防护技术 104
4.1 大型油罐火灾消防员安全概述 104
4.1.1 大型油罐火灾烧烫伤因素与安全距离 104
4.1.2 皮肤烧伤与皮肤传热111
4.1.3 热辐射防护服及其传热机理114
4.2 油罐火灾热辐射及防护性能测试方法118
4.2.1 油罐火灾热辐射118
4.2.2 热辐射防护性能测试方法118
4.3 消防员热应激及其评价方法119
4.3.1 消防员热应激119
4.3.2 消防员热应激评价方法 121
4.4 油罐火灾常用个体防护装备 127
4.4.1 消防头盔 128
4.4.2 消防员灭火防护服 132
4.4.3 消防手套 137
4.4.4 消防安全带 140
4.4.5 消防员灭火防护靴 141
4.4.6 消防隔热服 142
4.4.7 消防避火服 145
4.4.8 正压式消防空气呼吸器 149
参考文献 159

第5章 大型油罐火灾扑救模拟训练技术 161
5.1 国内外虚拟现实技术的研究现状 162
5.1.1 美国虚拟现实技术研究现状 163
5.1.2 日本虚拟现实技术研究现状 164
5.1.3 欧洲虚拟现实技术研究现状 165
5.1.4 中国虚拟现实技术研究现状 165
5.2 虚拟现实技术进行安全应急演练的优势 167
5.3 虚拟现实技术应用领域及发展趋势 167
5.3.1 虚拟现实技术在军事领域中的应用 167
5.3.2 虚拟现实技术发展趋势 168
5.4 虚拟现实技术在大型油罐火灾扑救模拟训练中的应用 169
5.4.1 不同类型油罐三维模型的构建 170
5.4.2 不同类型油罐火灾三维模型的构建 170
5.4.3 油罐火灾燃烧特点及危险要素分析 171
5.4.4 虚拟场景构建 172
5.5 应用实例 174
5.5.1 场景选取 175
5.5.2 场景建模方法 175
5.5.3 场景灯光效果 176
5.5.4 场景纹理贴图 176
5.5.5 灭火救援模拟训练组织 176
5.5.6 大型油罐火灾灭火救援模拟训练实际效果 184
参考文献 185