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摘 要:本文通过对浮顶油罐危险性分析,参照国内外各类规范对石油储罐区防火间距的要求，按照热辐射破坏准则，对着火油罐影响相邻罐热辐射进行定量分析，得出了大直径浮顶油罐合理防火间距。
关键词:大直径；浮顶油罐；危险性； 热辐射；分析
1引言
油罐防火间距是显示油罐区安全的一个重要因素，确定油罐之间的防火间距主要需考虑以下四个主要因素：1) 着火油罐能否引起相邻油罐爆炸起火；2) 满足消防操作要求；3) 采取的消防措施能力；4) 经济利益。其中第一个因素最为重要，它不仅仅直接影响着防火间距，同时也是设定消防设施和采取其它预防措施的基础，所以研究着火油罐对相邻油罐的影响有着非常重要的意义。
2热辐射对油罐间距的影响
油罐着火后对相邻油罐的主要危害是热辐射，相邻罐在其影响下罐内油蒸气增多，并与空气形成爆炸性混合气体，遇到明火或达到一定温度时即发生爆炸。所以掌握油罐火灾辐射热特性，对制定油罐区的安全措施具有重要意义。
油罐在着火油罐辐射热的作用下，受到的主要影响包括以下几个方面：
1. 由于液态油品受辐射热的作用，产生相变，当气化速度大于呼吸阀排放速度时，油罐内部压力升高。同时油罐呼吸阀在辐射热的作用下不断排出油气混合气体，这些气体遇明火或者飞火就会点燃，接着引燃油罐内的油品以至发生化学爆炸。
2. 常规的汽油、柴油储罐都是无压罐，而且罐口处采用弱焊连接。当受辐射热作用后，潜在的危险是内部的温度和压力升高。压力升高到一定程度时会导致油罐破损，以至于发生物理性爆炸。另一方面，由于辐射热场是变化波动的，罐体将产生非稳态热应力，与内部压力相作用将可能导致罐体的薄弱环节损坏。
3. 油罐在辐射热较长时间作用下，油罐壁温度不断提高，有可能达到或超过钢体结构的许用温度极限，使罐体塌陷。
3 热辐射的破坏准则
在热辐射的作用下, 目标可能被破坏。这里的目标指可能被烧坏的任何客体, 如人员、炸药、推进剂、建筑物、木材或其他任何结构。常见的热破坏准则可以归纳为：热通量准则、热强度准则、热通量～热强度准则、热通量～时间准则和热强度～时间准则。热通量是指单位时间、单位面积发射或接受的热能。热强度是热通量与热通量作用时间的乘积。由于文献中通常用q表示热通量、用Q表示热强度，用t表示热辐射作用时间、所以热通量准则又被称为q准则，热强度准则又被称为Q准则。热通量～热强度准则又被称为q～Q准则、热通量～时间准则又被称为q～t准则，热强度～时间准则又被称为Q～t准则。由于热通量、热强度、热辐射作用时间中知道任意两个变量就可以计算出第三个变量，所以热通量～热强度准则、热通量～时间准则、热强度～时间准则是完全等价的。因此，只需讨论热通量准则、热强度准则和热通量～热强度准则。
3.1. 热通量准则
热通量准则，以热通量作为衡量目标是否被破坏的唯一参数，当目标接受到的热通量大于或等于引起目标破坏所需的临界热通量时，目标被破坏；否则， 目标不被破坏。热通量准则的适用范围为：热通量作用的时间比目标达到热平衡所需要的时间长。热通量准则的关键是确定热通量的临界值。在稳态火灾(指在较长时间内能够比较稳定地燃烧的火灾) 的作用下，引起加工设备破坏所需的临界热通量为37.5 kw/ m2，引燃木材的临界热通量为25 kw/ m2，熔化塑料管的临界热通量为12.5 kw/ m2。
3.2. 热强度准则
热强度准则以目标接收到的热强度作为目标是否被破坏的唯一参数，当目标接收到的热强度大于或等于目标破坏的临界热强度时，目标被破坏；否则，目标不被破坏。热强度准则的适用范围为：作用于目标的热通量持续时间非常短、以至于目标接收到的热量来不及散失掉。在瞬态火灾(指持续时间很短的火灾) 的作用下，人员三度烧伤、二度烧伤、一度烧伤、引起皮肤疼痛所需的临界热强度分别为375kJ/ m2、250kJ/ m2、125kJ/ m2、65kJ/ m2， 烧伤程度用下面的方法来确定：如果皮肤外表皮下h (mm)深处的温度高出人体体温9K，则h< 0.12 时为一度烧伤；0.12≤h< 2时为二度烧伤；h≥2 时为三度烧伤。这里应用了热强度准则。
3.3. 热通量～热强度准则
注：D为储罐直径，D1、D2分别为相临储罐的罐直径。
由上表可以看出，对应于大直径内浮顶油罐,我国规范中对防火间距规定是0.4D，《石油库设计规范》（GB50074-2002）第6.0.5条新修订为：浮顶油罐/内浮顶油罐之间的防火距离按0.4D计算，大于20M时，特殊情况下最小可取20M，但应符合规范第12.2.7条第3款和第12.2.8条第4款的规定(消防冷却系统方面的要求)；而美国国家防火协会安全防火标准《易燃和可燃液体规范》（NFPA30）规定对于油罐直径大于45米设有防火堤的罐区，防火间距为1/4（D1+D2），若油罐直径相同，则防火间距为0.5D；日本消防防法（危险物安全规则）（1988年版）规定，甲类储罐间距为1.0D；上述各国标准对浮顶油罐的间距要求不尽相同，所以有必要从防火间距的确定依据热辐射方面进行定量分析，按照热辐射破坏准则，考察着火油罐对相邻罐的影响。
5 FDS数值模拟结果分析与讨论
根据热辐射破坏准则，给出了防火间距要确保相邻油罐所受热辐射要小于12.5kw/m2，消防员灭火时所受辐射不大于4.0 kw/m2。很多发达国家采用更加保守的规定，防火间距要确保相邻油罐所受到的热辐射强度要小于8kW/m2。下面我们对模拟的结果进行分析讨论。
5.1 22m浮顶油罐环状火灾模拟结果分析
可以看出相邻油罐罐壁顶部受到热辐射强度大约为5kW/m2，17m高度处的热辐射强度约为8.5 kW/m2。若热辐射破坏准则选用12.5kW/m2，防火间距确定为0.4D时，单个油罐发生环状火灾时不会造成相邻油罐爆炸起火，满足安全性要求；若热辐射破坏准则选为8 kW/m2，从图4.1中可以看出，虽然15m处热辐射强度只有5 kW/m2，但上面2m高处的热辐射强度有8.5 kW/m2，保守起见，建议加大防火间距。
5.2 22m浮顶油罐开口燃烧模拟结果分析
从图4.2可以看出，当浮顶油罐浮顶盖被烧坏以后，油罐火灾变成敞口燃烧，L/D=0.9处，热辐射强度有了明显的上升，高度17m处平均热辐射强度大约为12 kW/m2，峰值能达到14 kW/m2，15m处的热辐射强度约为8 .5kW/m2，峰值能到达10 kW/m2，可见即使热辐射破坏准则选取为12.5kW/m2，相邻的油罐也也可能发生爆炸起火。
5.3 不同风速下22m浮顶油罐火灾模拟结果分析
从图中可以看出，当风速为2m/s时，高度15m和17m处测的热辐射强度都超过了12.5 kW/m2，风速为4m/s时，热辐射强度又一次明显增加，高达20 kW/m2，当风速达到8m/s时，热辐射已经最大值已经达到30 kW/m2，0.4D的防火间距明显不能保证相邻的油罐不发生爆炸起火。
6 小结
通过上述分析发现，目前我国对于油罐制定的消防法规中对于防火间距规定为0.4D不能达到保证单浮顶油罐着火不对相邻油罐造成威胁。下面通过拟合不同风速下热辐射强度随L/D变化曲线，来给出热辐射破坏准则阈值选为12.5 kW/m2和8 kW/m2时合理的防火间距。
可以根据拟合得到热辐射强度随L/D变化曲线来确定不同风速下，合理的防火间距：
1. 热辐射破坏准则阈值选为12.5kW/m2时：
1） 风速为2m/s时，防火间距至少要0.5D
2） 风速为4m/s时，防火间距至少要0.7D
3） 风速为8m/s时，防火间距至少要0.8D
2. 热辐射破坏准则阈值选为8kW/m2时：
1） 风速为2m/s时，防火间距至少要0.8D
2） 风速为4m/s时，防火间距至少要0.9D
3） 风速为8m/s时，防火间距至少要1.0D
可见计算结果同发达国家采用更加保守的热辐射破坏准则后，将浮顶油罐甲类火灾防火间距确定为1.0D的结论一致。
关键词:大直径；浮顶油罐；危险性； 热辐射；分析
1引言
油罐防火间距是显示油罐区安全的一个重要因素，确定油罐之间的防火间距主要需考虑以下四个主要因素：1) 着火油罐能否引起相邻油罐爆炸起火；2) 满足消防操作要求；3) 采取的消防措施能力；4) 经济利益。其中第一个因素最为重要，它不仅仅直接影响着防火间距，同时也是设定消防设施和采取其它预防措施的基础，所以研究着火油罐对相邻油罐的影响有着非常重要的意义。
2热辐射对油罐间距的影响
油罐着火后对相邻油罐的主要危害是热辐射，相邻罐在其影响下罐内油蒸气增多，并与空气形成爆炸性混合气体，遇到明火或达到一定温度时即发生爆炸。所以掌握油罐火灾辐射热特性，对制定油罐区的安全措施具有重要意义。
油罐在着火油罐辐射热的作用下，受到的主要影响包括以下几个方面：
1. 由于液态油品受辐射热的作用，产生相变，当气化速度大于呼吸阀排放速度时，油罐内部压力升高。同时油罐呼吸阀在辐射热的作用下不断排出油气混合气体，这些气体遇明火或者飞火就会点燃，接着引燃油罐内的油品以至发生化学爆炸。
2. 常规的汽油、柴油储罐都是无压罐，而且罐口处采用弱焊连接。当受辐射热作用后，潜在的危险是内部的温度和压力升高。压力升高到一定程度时会导致油罐破损，以至于发生物理性爆炸。另一方面，由于辐射热场是变化波动的，罐体将产生非稳态热应力，与内部压力相作用将可能导致罐体的薄弱环节损坏。
3. 油罐在辐射热较长时间作用下，油罐壁温度不断提高，有可能达到或超过钢体结构的许用温度极限，使罐体塌陷。
3 热辐射的破坏准则
在热辐射的作用下, 目标可能被破坏。这里的目标指可能被烧坏的任何客体, 如人员、炸药、推进剂、建筑物、木材或其他任何结构。常见的热破坏准则可以归纳为：热通量准则、热强度准则、热通量～热强度准则、热通量～时间准则和热强度～时间准则。热通量是指单位时间、单位面积发射或接受的热能。热强度是热通量与热通量作用时间的乘积。由于文献中通常用q表示热通量、用Q表示热强度，用t表示热辐射作用时间、所以热通量准则又被称为q准则，热强度准则又被称为Q准则。热通量～热强度准则又被称为q～Q准则、热通量～时间准则又被称为q～t准则，热强度～时间准则又被称为Q～t准则。由于热通量、热强度、热辐射作用时间中知道任意两个变量就可以计算出第三个变量，所以热通量～热强度准则、热通量～时间准则、热强度～时间准则是完全等价的。因此，只需讨论热通量准则、热强度准则和热通量～热强度准则。
3.1. 热通量准则
热通量准则，以热通量作为衡量目标是否被破坏的唯一参数，当目标接受到的热通量大于或等于引起目标破坏所需的临界热通量时，目标被破坏；否则， 目标不被破坏。热通量准则的适用范围为：热通量作用的时间比目标达到热平衡所需要的时间长。热通量准则的关键是确定热通量的临界值。在稳态火灾(指在较长时间内能够比较稳定地燃烧的火灾) 的作用下，引起加工设备破坏所需的临界热通量为37.5 kw/ m2，引燃木材的临界热通量为25 kw/ m2，熔化塑料管的临界热通量为12.5 kw/ m2。
3.2. 热强度准则
热强度准则以目标接收到的热强度作为目标是否被破坏的唯一参数，当目标接收到的热强度大于或等于目标破坏的临界热强度时，目标被破坏；否则，目标不被破坏。热强度准则的适用范围为：作用于目标的热通量持续时间非常短、以至于目标接收到的热量来不及散失掉。在瞬态火灾(指持续时间很短的火灾) 的作用下，人员三度烧伤、二度烧伤、一度烧伤、引起皮肤疼痛所需的临界热强度分别为375kJ/ m2、250kJ/ m2、125kJ/ m2、65kJ/ m2， 烧伤程度用下面的方法来确定：如果皮肤外表皮下h (mm)深处的温度高出人体体温9K，则h< 0.12 时为一度烧伤；0.12≤h< 2时为二度烧伤；h≥2 时为三度烧伤。这里应用了热强度准则。
3.3. 热通量～热强度准则
注：D为储罐直径，D1、D2分别为相临储罐的罐直径。
由上表可以看出，对应于大直径内浮顶油罐,我国规范中对防火间距规定是0.4D，《石油库设计规范》（GB50074-2002）第6.0.5条新修订为：浮顶油罐/内浮顶油罐之间的防火距离按0.4D计算，大于20M时，特殊情况下最小可取20M，但应符合规范第12.2.7条第3款和第12.2.8条第4款的规定(消防冷却系统方面的要求)；而美国国家防火协会安全防火标准《易燃和可燃液体规范》（NFPA30）规定对于油罐直径大于45米设有防火堤的罐区，防火间距为1/4（D1+D2），若油罐直径相同，则防火间距为0.5D；日本消防防法（危险物安全规则）（1988年版）规定，甲类储罐间距为1.0D；上述各国标准对浮顶油罐的间距要求不尽相同，所以有必要从防火间距的确定依据热辐射方面进行定量分析，按照热辐射破坏准则，考察着火油罐对相邻罐的影响。
5 FDS数值模拟结果分析与讨论
根据热辐射破坏准则，给出了防火间距要确保相邻油罐所受热辐射要小于12.5kw/m2，消防员灭火时所受辐射不大于4.0 kw/m2。很多发达国家采用更加保守的规定，防火间距要确保相邻油罐所受到的热辐射强度要小于8kW/m2。下面我们对模拟的结果进行分析讨论。
5.1 22m浮顶油罐环状火灾模拟结果分析
可以看出相邻油罐罐壁顶部受到热辐射强度大约为5kW/m2，17m高度处的热辐射强度约为8.5 kW/m2。若热辐射破坏准则选用12.5kW/m2，防火间距确定为0.4D时，单个油罐发生环状火灾时不会造成相邻油罐爆炸起火，满足安全性要求；若热辐射破坏准则选为8 kW/m2，从图4.1中可以看出，虽然15m处热辐射强度只有5 kW/m2，但上面2m高处的热辐射强度有8.5 kW/m2，保守起见，建议加大防火间距。
5.2 22m浮顶油罐开口燃烧模拟结果分析
从图4.2可以看出，当浮顶油罐浮顶盖被烧坏以后，油罐火灾变成敞口燃烧，L/D=0.9处，热辐射强度有了明显的上升，高度17m处平均热辐射强度大约为12 kW/m2，峰值能达到14 kW/m2，15m处的热辐射强度约为8 .5kW/m2，峰值能到达10 kW/m2，可见即使热辐射破坏准则选取为12.5kW/m2，相邻的油罐也也可能发生爆炸起火。
5.3 不同风速下22m浮顶油罐火灾模拟结果分析
从图中可以看出，当风速为2m/s时，高度15m和17m处测的热辐射强度都超过了12.5 kW/m2，风速为4m/s时，热辐射强度又一次明显增加，高达20 kW/m2，当风速达到8m/s时，热辐射已经最大值已经达到30 kW/m2，0.4D的防火间距明显不能保证相邻的油罐不发生爆炸起火。
6 小结
通过上述分析发现，目前我国对于油罐制定的消防法规中对于防火间距规定为0.4D不能达到保证单浮顶油罐着火不对相邻油罐造成威胁。下面通过拟合不同风速下热辐射强度随L/D变化曲线，来给出热辐射破坏准则阈值选为12.5 kW/m2和8 kW/m2时合理的防火间距。
可以根据拟合得到热辐射强度随L/D变化曲线来确定不同风速下，合理的防火间距：
1. 热辐射破坏准则阈值选为12.5kW/m2时：
1） 风速为2m/s时，防火间距至少要0.5D
2） 风速为4m/s时，防火间距至少要0.7D
3） 风速为8m/s时，防火间距至少要0.8D
2. 热辐射破坏准则阈值选为8kW/m2时：
1） 风速为2m/s时，防火间距至少要0.8D
2） 风速为4m/s时，防火间距至少要0.9D
3） 风速为8m/s时，防火间距至少要1.0D
可见计算结果同发达国家采用更加保守的热辐射破坏准则后，将浮顶油罐甲类火灾防火间距确定为1.0D的结论一致。