柴油、汽油等石化产品燃烧时产热大、辐射强，即使身着灭火防护服、隔热防护服，在扑灭油罐火灾时消防员自身安全仍会受到极大威胁。苑静等通过热辐射经验模型计算了原油储罐火灾时无风情况下地面人员安全距离；庄磊等通过经验模型及数值模拟给出了油罐火灾时地面人员安全距离与相邻罐体破坏时间；张芳通过经验模型计算了汽油储罐燃烧时热辐射强度与二级烧伤时间的关系。但实际情况下，利用登高车扑救作业时，由于高度不同，所接收的辐射热量也不同。笔者在前人的研究基础上，基于小尺寸油池火燃烧试验构建ＦＤＳ仿真模型，并利用油池火试验对ＦＤＳ模型参数进行验证，结合规范，针对消防员经常穿戴的两类消防服的防辐射条件进行分析，提出油罐火灾在地面附近不同高度的安全临界距离，为灭火作战提供参考。

１　小尺寸油池火试验

１．１　试验装置

采用小尺寸模型试验研究油池火的燃烧过程以及对周围辐射的影响。试验系统主要由测试系统和火源两部分组成。测试系统主要包括热电偶测温系统、热辐射仪、热成像仪、摄像机等。火源所用油池内径５．００ｍ、池壁厚５ｍｍ、油池深１．５０ｍ。为防止油盘熔化破坏，试验时下部设置水垫层，深１ｍ，上层试验燃料为１００Ｌ柴油，１５Ｌ汽油用于引燃。火源周围布置温度及热辐射测点，测点布置如图１所示，空白试验照片如图２所示。

１．２　试验观测结果

试验环境温度５℃，无风。将热电偶测温系统、热成像仪及热辐射仪数据记录序列调整至时间相同，点燃引燃汽油后开始记录试验数据。试验燃烧过程历时２７６ｓ，约４．５ｍｉｎ，其中最高温度出现在第８１ｓ时，测点８０２处，为９０１．９℃。图３为各测温截面的特征温度，油池内测点反映火焰区温度；图４为试验中热辐射强度。

图１　试验装置测点布置图

图２　空白试验照片

图３　测温截面特征温度变化趋势

图４　距油盘中心１０．５ｍ高度２ｍ处热辐射强度

２　小尺寸模拟模型的构建

２．１　模拟参数设定

对油池火灾模型，基于ＣＦＤ 的常用模拟软件有ＦＬＵＥＮＴ、ＦＤＳ等，在无风情况ＦＤＳ的结果与经验公式吻合较好，故采用ＦＤＳ　５．０对试验进行模拟。

为减小环境因素影响，模型的计算场景设为长、宽、高为３０、３０、１５ｍ的长方体，油池位于中央，模拟环境温度５℃，风速为０ｍ／ｓ。油池尺寸为直径５ｍ 的圆形油池，与试验相同。为对比温度和热辐射，模拟模型中在与试验相同的位置设置了数据测点。

２．２　模拟结果分析

图５为模拟与试验各测点在油池火峰值温度时刻附近温度均值的对比图。

图５　试验与模拟各测点峰值温度对比图

可以看出，除测点７０６以外，剩余９２％测点的模拟值与试验值均有较好的拟合程度，且直接反映火焰区温度的测点８０２、８０３误差最大仅为１６．３％，表明该模拟的温度场基本能反映试验的现场情况。

选择各测点峰值温度时刻±３０ｓ的时间段，对比模拟与油池火实验的温度场变化趋势。选择能代表油池火焰温度的８０２、８０３号测点进行试验，与模拟的温度变化趋势对比，如图６所示。模拟数据相对试验实测值的波动较大。其中，测点８０３处在火焰区中心，罐壁下方，受到空气流动的影响小，对火焰温度反映较好，拟合程度相对更高；而测点８０２受到现场微风扰动，测点温度与模拟有所差别，但温度场变化趋势基本符合试验中实测趋势。

图６　测点８０２、８０３温度变化对比图

热辐射强度是描述火灾发展的另一参数，试验中热辐射仪布置在距油池中心１０．５ｍ处。图７为油池火温度峰值时刻附近模拟与试验热辐射数据的对比。

对比时间段为试验热辐射读数最大时刻±３０ｓ内。由于试验热辐射仪读数记录间隔为３ｓ，模拟时记录间隔仅为０．２ｓ，模拟对热辐射值的变化记录更详细，故模拟的数值波动较大。但模拟中热辐射值整体变化趋势与试验数值变化趋势相似，说明利用此模型可以较好地描述试验中的热辐射场。

图７　热辐射数据对比图

３　储油罐火灾灭火距离研究

３．１　全尺寸模拟试验

发生油池火灾时，由于人能承受的热辐射强度较低，对消防员人身安全的最大威胁因素为所处环境的热辐射强度。但大型油罐火灾的试验较难以进行，根据上述模拟分析结果，通过分析ＦＤＳ模拟实际尺寸油罐火灾得到的热辐射场分布来指导实际灭火作战。

文献表明，全表面火灾扑救成功的最大油罐直径为３５ｍ。根据常见的油罐尺寸，选择内径４０．５０ｍ、罐体高１５．８５ｍ的内浮顶罐建立全尺寸试验模型。模型设置为无风环境，温度２０℃，油罐模型简化为直径４０ｍ，高度１５ｍ，内装液体为柴油，罐浮顶全部着火。通过ＦＤＳ模拟得到的实际尺寸油罐火灾模型中不同高度的热辐射数据，如图８所示。

图８　全尺寸油罐火灾模型热辐射值

根据全尺寸模拟结果，在罐体高度之下，并非距离越近辐射越大，而是随距离的增大，热辐射逐渐达到最大，随后逐步衰减。这是因为在罐体附近时，由于罐壁遮蔽作用，火焰无法辐射罐体下部区域。但随着距离增加，遮蔽作用逐渐消失，地面反射作用增强，热辐射及气体温度上升。近地高度上热辐射强度随距离增加的速率约为０．１６３（ｋＷ／ｍ２）／ｍ。４０～７０ｍ罐体遮蔽作用减弱，逐渐达到极大值，此区域称为危险区；随后随着距离增加，气体温度降低及地面反射减少，热辐射衰减，近地高度热辐０，该区域可以作为灭火作业区。从不同高度的热辐射来看，在危险区，高度越低热辐射越小；但在灭火作业区，高度越大反而辐射越小，并且热辐射强度下降速率更快，说明此时辐射有一大部分是由于地面反射产生，利用登高车将消防员举高将有利于减少其所受到的辐射。

３．２　隔热服<耐受极限计算

在灭火战斗中，消防员防护着装可大致分为隔热防护服与灭火防护服两种，其中灭火防护服对热辐射的防护性能相对较差。

对隔热防护服，ＧＡ　６３４－２００６《消防员隔热防护服》第６．３条对消防员所穿隔热服的热防护性能做出了规定，要求其整体热防护性能值（ＴＰＰ）不应小于３５．０。规范中给出的热防护性能值计算方法为ＴＰＰ＝Ｆ×Ｔ（Ｆ 为到达服装表面热流量值，ＧＡ　６３４－２００６中规定其值为２ｃａｌ／（ｓ•ｃｍ２）；Ｔ 为着装人体皮肤达到２级烧伤所需时间，ｓ）。由此算出消防隔热服的整体热防护性能应大于等于３５．０ｃａｌ／ｃｍ２，约１　４６５（ｋＷ•ｓ）／ｍ２。以在火场中作战轮换时间取２４０ｓ计算，身着ＴＰＰ为３５的隔热服时消防员所能承受的热辐射值为１４６５／２４０≈６．１０ｋＷ／ｍ２。在此热辐射强度下照射２４０ｓ，人体皮肤达到２级烧伤，威胁消防员人身安全，可以６．１０ｋＷ／ｍ２ 作为能承受的最大热辐射值。

对灭火防护服，ＧＡ　１０－２００２《消防员灭火防护服》第５．３条要求热防护能力ＴＰＰ值不应小于２８．０。同隔热服，以２４０ｓ作为作战轮换时间计算，身着灭火防护服所能承受的最大热辐射值为４．８８ｋＷ／ｍ２。

综合以上分析可以得出：若轮换作战时长为２４０ｓ，身着灭火防护服时且环境热辐射强度大于４．８８ｋＷ／ｍ２，或身着隔热防护服时且热辐射强度大于６．１０ｋＷ／ｍ２，消防员会有人身危险。此时距油罐边缘的距离即为安全临界距离。

３．３　安全施救距离的分析

结合模拟结果及战斗服的耐受情况可以看出，在高度为１．７ｍ时，热辐射值大于４．８８ｋＷ／ｍ２ 的位置距罐壁６８ｍ，即安全距离为６８ｍ。根据罐壁点源法计算公式验算，在６８ｍ 处１．７ｍ 的高度上热辐射强度为４．３０ｋＷ／ｍ２，与ＦＤＳ模型数据相对误差为１１．８％。同时，该值也与消防实战中消防车灭火阵地布置距离（距罐壁２　Ｄ处）相近。故消防员距离储罐小于６８ｍ且战斗时间超过２４０ｓ时有极大可能会因罐内柴油燃烧发出的热辐射造成烧伤，甚至面临死亡风险。

结合隔热服的耐受情况，在与罐壁距离为０～１００ｍ的区间内，由于热辐射强度近似为单峰曲线且峰值小于６．１０ｋＷ／ｍ２，故该区间内环境热辐射强度小于身着隔热防护服时所能承受的最大热辐射值；若将距罐壁６８ｍ处的环境热辐射强度４．８８ｋＷ／ｍ２ 作为隔热服的所承受的热辐射强度，则作战轮换时间可增长至３００．２ｓ。在此次模拟中，可认为６８ｍ是在地面灭火时的安全临界距离。

在地面高度时安全距离过远，在泡沫不丧失其浮力的前提下很难从地面喷射至燃烧表面。根据模拟结果，在较高处热辐射强度减小速率更快，安全临界距离更近，可以考虑通过使用云梯车举高灭火。由于设备破坏热辐射强度为２５ｋＷ／ｍ２，高于隔热服所能承受的最大热辐射强度。所以，在云梯举高高度上，若环境热辐射强度小于６．１０ｋＷ／ｍ２，即可保证人员设备安全。在身着隔热防护服时，若使用云梯车举高至１０ｍ 高度，安全距离小于地面高度时的６８ｍ，可以通过查图８中１０ｍ高处的曲线得到。在环境热辐射强度达到４．８８ｋＷ／ｍ２ 时距油罐壁５４ｍ，缩短了１４ｍ。如果以身着隔热防护服时的判据６．１０ｋＷ／ｍ２ 作为所能承受的最大热辐射强度，则安全距离可缩短至５０ｍ。并且通过采用多车轮换的方式可以保证灭火剂不间断地喷射，可提高灭火效率。

４　结　论

（１）利用ＦＤＳ　５．０建立的数值模型可较好地模拟小尺寸试验，试验设置的１２个温度测点中９２％的测点能较好地与试验数据拟合，并且模拟的热辐射数据的变化趋势与数值都能较好地反映试验中柴油池火的发展情况。

（２）结合现行消防服行业标准计算提出了两种消防服安全距离的热辐射判据。当轮换作战时长取为２４０ｓ，身着灭火防护服且环境热辐射强度大于４．８８ｋＷ／ｍ２时，或身着隔热防护服且热辐射强度大于６．１０ｋＷ／ｍ２时，消防员会有人身危险。

（３）对于直径４０ｍ、高１５ｍ的柴油油罐，在地面高度灭火时，灭火防护服安全距离为６８ｍ，身着灭火隔热服在此距离上的耐受时间为３００ｓ；如果利用云梯车，消防员身着灭火防护服在１０ｍ高度灭火时，临界距离可以缩小至５０ｍ。

由于呈现的是无风条件下的模拟结果，有风时灭火战斗中消防人员一般会选择在上风向施救，有利于温度和热辐射的降低，其安全临界距离可能会进一步减小。

本文资料来自《灭火指挥与救援》，由中国救援装备网重新编辑整理。