中美硝酸铵仓库消防设计差异比较研究

朱 毅

(中国人民警察大学,河北 廊坊 065000)

自1659年J.R.格劳贝尔首次合成硝酸铵以来，硝酸铵作为生产化肥和制造工业炸药的重要原料得到了极为广泛的应用。然而由于受热的极不稳定性，硝酸铵储存过程引发的重特大爆炸事故时有发生，如1922年德国BASF工厂的硝酸铵仓库爆炸事故、2013年美国德克萨斯州的West化肥厂硝酸铵仓库爆炸事故和2015年天津港“8·12”瑞海物流公司硝酸铵仓库爆炸事故，这三起事故均造成了大量消防员伤亡[1]。2013年美国West化肥厂爆炸事故发生后，美国消防协会(National Fire Protection Association，NFPA)、美国职业安全与健康管理局(Occupational Safety and Health Administration，OSHA)和美国环保署(Environmental Protection Agency，EPA)认真吸取此次爆炸事故的教训，对硝酸铵储存相关标准和应急处置指南进行了系统修订[2]。我国作为全球硝酸铵生产和出口大国，自2015年天津港“8·12”爆炸事故发生后，在吸取事故教训和修订消防技术标准方面处于相对滞后状态。

为此，本文通过对比我国硝酸铵仓库设计标准与NFPA技术标准的差异，分析现行国家标准及行业标准在硝酸铵仓库消防设计规定方面存在的问题，以提高我国硝酸铵仓库的消防设计水平和监管水平。

1 硝酸铵的分类与分级

纯的硝酸铵为白色晶体颗粒，初始热解温度为110 ℃左右，在常温常压下化学性质较为稳定。但当外部环境温度上升至170 ℃左右时，硝酸铵吸热熔融并发生热分解，生成氨气和硝酸，而硝酸的生成又加速了硝酸铵的热分解；当外部环境温度上升到210 ℃左右时，硝酸铵热解速度会进一步加快，并放出大量热量和氧气；当环境温度上升到400 ℃左右时，硝酸铵即会发生爆炸，甚至爆轰。尤其是当硝酸铵中含有有机物质、金属杂质，或受潮、储存空间受限，以及火场温度上升较快时，其热解速度和爆炸强度会进一步提升[3]。

根据全球化学品统一分类和标签制度(Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals，GHS)，当硝酸铵类物质中硝酸铵的含量超过90%或其他可燃性物质的含量超过0.2%时，该物品为爆炸品。当可燃性物质或其他有机物质的含量不超过0.2%时，该物品为氧化性物质。对于化肥类硝酸铵，即使混合物中硝酸铵的含量低于90%，由于仍可以进行自持的热分解，因此归为杂项危险物质。我国现行国家标准《硝酸铵类物质危险性分类方法》(GB/T 29879—2013),对硝酸铵的分类与GHS分类是一致的，即分为爆炸品、氧化性物质和杂项危险物质三类[4]。《物质的危险性识别应急影响标准体系》(NFPA 704),从健康危害、燃烧危害、热不稳定性和特殊危害等方面将物质的危险性分为4级[5]，其中将硝酸铵的健康危害、燃烧危害和热不稳定性分别确定为1级、0级和3级，表明硝酸铵的热不稳定性是其主要危险性。

2 安全间距设计对比分析

Babrauskas统计了1920—2014年全球发生的数百起硝酸铵爆炸事故，结果表明，硝酸铵爆炸的发生均是由于外部失控的火灾所导致[6]。因此，2013年West化肥厂爆炸事故发生后，NFPA、OSHA和EPA一致认为要避免硝酸铵仓库爆炸的发生，必须杜绝一切内部火源和外部火源向硝酸铵堆垛传热。为此，美国消防研究基金会(Fire Protection Research Foundation，FPRF)针对硝酸铵仓库的防火间距和堆垛间距的确定做了大量全尺寸实验和定量分析，《危险性物质标准》(NFPA 400)和《爆炸性物质标准》(NFPA 495)的修订即是基于这一研究成果[7-9]。需要指出的是，在美国，上述两个标准分别适用于氧化性物质类硝酸铵和爆炸品类硝酸铵的管理。

表1对比了NFPA标准与我国现行国家标准在硝酸铵仓库的防火间距和堆垛间距方面的差异[10-15]。可以看出，NFPA标准针对硝酸铵室内储存和室外储存分别从防火间距和堆垛间距两方面作出规定，且不同标准对硝酸铵的储存要求具有较好的一致性。而我国现行国家标准仅对室内储存进行了比较严格的规定，如《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)规定的50 m防火间距主要是考虑热辐射的影响，这与行业标准《危险货物集装箱港口作业安全规程》(JT 397—2007)要求的50 m防火间距是一致的。而《危险化学品经营开业条件和技术要求》(GB 18265—2000)规定的1 000 m安全距离则主要是考虑爆炸冲击波的破坏效应。根据FPRF的实验结论，453.5 t的硝酸铵爆炸后，安全距离大约在1 600 m左右(考虑爆炸冲击波和爆炸碎片两种破坏效应)[8]。因此，从爆炸安全的角度考虑，《危险化学品经营开业条件和技术要求》规定的防爆距离过于保守。

总体来说，我国现行国家标准及行业标准对硝酸铵仓库防火间距的规定与一般甲类储存物品的防火间距并无区别，没有充分考虑硝酸铵的特殊危险性，且这些数据普遍大于NFPA规定的数据。不同部门起草的国家标准在硝酸铵堆垛间距的要求上也存在明显不一致，导致目前我国硝酸铵仓库、室外堆场的防火设计和监管方面比较混乱，给火灾扑救工作增加了困难。

表1 中美硝酸铵仓库防火间距与堆垛间距对比

3 防火分隔设施设计对比分析

在安全间距满足要求的前提下，为了阻止外部火源以热辐射和飞火向仓库内的硝酸铵传热，NFPA 400规定硝酸铵仓库的地板、墙体和楼板均必须采用不燃性材料或者独立式防火墙建造(适用于室外储存)，且必须满足至少1 h的耐火时间，同时对建筑高度、墙体开口和楼板的开口部位进行了严格限制。尽管《建筑设计防火规范》规定甲类仓库防火墙的耐火极限不低于4 h，但一、二级耐火等级仓库的非承重外墙和隔墙的耐火极限仅要求不低于0.5 h；当设置自动喷水灭火系统时，屋顶承重构件的耐火极限不低于1 h，但《建筑设计防火规范》对硝酸铵仓库是否设置自动喷水灭火系统并无明确要求。此外，现行《易燃易爆性商品储存养护技术条件》(GB 17914—2013)规定爆炸品和氧化性物质等易爆性商品应分别储存在一级轻顶耐火建筑和不低于二级耐火等级的库房内，对墙体的耐火极限亦无明确要求。上述分析表明，现行国家标准规定的墙体和楼板的耐火极限并不能有效阻止仓库外部火源向硝酸铵堆垛传热，因此，即使防火间距满足现行规范的要求，硝酸铵仍有发生爆炸的可能。

4 自动喷淋系统设计对比分析

2013年West化肥厂爆炸事故发生前，NFPA 400仅要求储量超过2 500 t的硝酸铵仓库需要设置自动喷淋系统，但2016年修订后的NFPA 400取消了储量这一限制条件，要求全美所有已建和在建的硝酸铵仓库必须设置自动喷水灭火系统和火灾自动报警系统。大量研究表明，自动喷淋系统对于控制初期火灾向硝酸铵堆垛传热和降低硝酸铵的热分解速度极为有效，但必须保证有充足的供水时间和供水强度[1]。为此，《喷淋系统安装标准》(NFPA 13—2016)根据硝酸铵外包装材质的火灾危险性将硝酸铵仓库分为I类、II类和III类仓库，规定对应类别仓库的喷淋强度应分别满足20.4 L·min-1·m-2、16.3 L·min-1·m-2和12.2 L·min-1·m-2，连续供水时间不应小于2 h[16]。

我国现行《常用化学危险品贮存通则》建议在条件允许的情况下，危险品仓库喷淋系统的供水强度和连续供水时间分别不应低于15 L·min-1·m-2和1.5 h[13]。然而，根据2017年修订后的《自动喷水灭火系统设计规范》(GB 50084—2017)对仓库的火灾危险等级划分要求，硝酸铵仓库的火灾危险级应按II级对待，当室内储物的高度不超过6 m时，硝酸铵堆垛的喷水强度和供水时间应分别满足16 L·min-1·m-2和2 h[17]。可以看出，尽管现行《自动喷水灭火系统设计规范》连续供水时间与NFPA 400一致，但供水强度较小。尤其是当硝酸铵的外包装材质采用麻袋、塑料桶等易燃材料时，供水强度较小依然无法有效抑制爆炸的发生。

5 结语

本文从硝酸铵仓库的安全间距、防火分隔设施和自动喷淋系统设计三个方面，对比分析了NFPA技术标准和我国现行国家标准及行业标准的设计差异。建议针对硝酸铵类物质仓库的消防设计，将来《建筑设计防火规范》《自动喷水灭火系统设计规范》《火灾自动报警系统设计规范》修订时，对安全间距、防火间距、储量限制、自动喷淋系统设计应作出单独规定，其他部门起草的国家标准和行业标准应以《建筑设计防火规范》和《自动喷水灭火系统设计规范》为准，从而提高我国硝酸铵仓库的消防设计水平和监管水平。