化工設備爆炸沖擊波事故易損性與防控技術研究

汪士為

（湖北汽車工業學院 經濟管理學院，湖北 十堰 442000）

在各類型化工園區風險事故中，爆炸沖擊波效應屬于最容易導致多米諾效應事故升級的根源之一，多米諾效應一旦出現，化工企業、化工園區風險事故將會急劇傳播，其影響將飛速擴大。化工設備受爆炸沖擊波影響主要體現在3方面：一是化工設備的抗沖擊能力，如機械結構、設備用料、設計壓力等；二是爆炸沖擊波的強度，如靜態峰值超壓、正相持續時間等；三是動力響應，主要指的是化工設備與爆炸沖擊波之間的復雜相互作用等。基于此，本文分別從破壞強度表征方法、爆炸破壞載荷特點與計算以及破壞失效概率計算等角度對設備易損性進行分析，并提出預防和控制化工園區火災爆炸事故的主要舉措。

1 化工設備爆炸沖擊波易損性分析

1.1 破壞強度表征方法

1.1.1 事故場景

火災、爆炸事故是化工園區、化工企業在進行生產和物料運輸過程中最高的風險事故。本文以印度某化工園區儲罐區為例，對化工園區常見火災爆炸引發的多米諾效應進行分析。該化工園區儲罐區平面分布狀況如圖1所示。

圖1 某化工園區儲罐區平面分布圖Fig.1 Plane distribution diagram of storage tank area in a chemical industrial park

該化工園區庫區主要包含圖1所示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所示3個罐區，各罐區之間分別設有17～84 m防火墻形成獨立防火分區，各罐區內儲罐存儲物質如表1所示。

表1 儲罐區相關數據Tab.1 Relevant data of storage tank area

該化工園區為國外某主要儲存石腦油、苯等化工原材料儲罐區，曾于1988年11月發生強烈爆炸，爆炸沖擊波影響范圍超過5 km，爆炸時產生的蒸氣云、大火持續28 h之后才全部處理完畢。該次爆炸事故對園區內Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區罐區及管道產生劇烈破壞，所有設備幾乎喪失全部功能。可見，化工企業一旦發生火災、爆炸事故，其影響、破壞力等往往難以估量，針對化工園區爆炸沖擊波事故易損性等的研究，是梳理和計算化工園區及附近設備爆炸損失的重要考核指標。

1.1.2 計算方法

在類似以上化工園區火災爆炸事故中，引發罐區爆炸沖擊波多米諾效應的主要初始事故場景基本可總結為圖2所示的若干爆炸類型。考慮化工設備在園區、企業發生火災爆炸情況下通常易出現的破壞失效類型（如強度屈服、倒塌、破裂等），本文將圖2中的蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸以及凝聚相爆炸作為主要的遠場破壞研究問題。

圖2 初始事故場景及事故升級因素Fig.2 Initial accident scenario and accident upgrading factors

1.1.3 蒸氣云爆炸

蒸氣云爆炸是化工園區生產事故過程中產生的易燃蒸氣、噴霧等物質在暴露自然條件下以后與空氣的預混氣云產生反應形成的爆炸。蒸氣云爆炸過程中，燃燒、爆炸所產生的火焰在不斷加速并達到某一數值以后會對爆炸現場形成顯著的超壓現象，進而引發距離爆炸原點一定范圍內較遠距離的多米諾效應。蒸氣云爆炸強度計算方法及其特征如圖3所示。

圖3 蒸氣云爆炸強度計算方法及其特征Fig.3 Intensity calculation method and characteristics of vapor cloud explosion

1.1.4 沸騰液體擴展蒸氣爆炸

沸騰液體擴展蒸氣爆炸指液化介質儲罐在外部火焰的烘烤等條件下突然破裂，壓力平衡破壞，介質急劇氣化，并隨即被火焰點燃而產生的爆炸。與蒸氣云爆炸相比，沸騰液體擴展蒸氣爆炸的機械效應并不需要對事故所形成的火球復雜影響進行計算，沸騰液體擴展蒸氣爆炸破壞強度的計算更多考慮爆炸沖擊波和碎片等因素影響。沸騰液體擴展蒸氣爆炸破壞強度計算方法主要有：①經驗公式法，通過計算某次事故所產生的爆炸總能量和爆炸沖擊波能力，得到該次爆炸所形成的沖擊波超壓；②數值法，在充分考慮某次爆炸過程中所產生的氣體從力學過程，通過構建沸騰液體擴展蒸氣爆炸所形成的超壓和沖量曲線，得到該次爆炸沖擊波超壓。

1.1.5 凝聚相爆炸

凝聚相爆炸是一類不需要與空氣混合的固體、半液體等物質（如炸藥或固體反應物等）所形成的爆炸種類。因此，在進行凝聚相爆炸沖擊波超壓計算時，一般使用類似蒸氣云爆炸時的TNT當量計算法。

1.1.6 毀傷準則

化工園區發生火災爆炸時所產生的毀傷效應，通常受到爆炸沖擊波超壓等因素的影響。按照當前國內外學者對爆炸沖擊波毀傷準則的分類，本文將化工設備爆炸沖擊波事故毀傷準則總結為：①超壓準則，在該準則下將化工設備所受到的沖擊波超壓作為該化工設備所受傷害的唯一考量標準，但本文認為該唯一考量標準基礎上未能融合毀傷效應正相持續時間指標，即沖擊波超壓值高，但正相持續時間極短時設備所受傷害值量定受限，則化工設備所受爆炸沖擊波事故傷害值無法界定；②沖量準則，該準則認為化工設備在受到爆炸沖擊波作用時，該設備所受到的傷害僅受爆炸沖擊波沖量值影響，但本文認為該準則同樣未能充分考量差壓值及正相持續時間對化工設備影響，在超壓很小時，即便設備所受到沖擊波正相持續時間很長，該爆炸沖擊波亦不會對該設備形成毀傷；③超壓-沖量準則，該準則綜合考量的化工園區發生火災爆炸事故時，化工設備所受超壓、沖量等影響，認為僅在兩指標同時滿足某一化工設備設計結構穩定臨界指標時，該爆炸沖擊波才會對化工設備造成毀傷，但該毀傷值大小并不一定與兩指標值成正比，化工設備受爆炸沖擊波毀傷值影響與其他因素如爆炸沖擊波時頻分布、能量分布、化工設備自振頻率等有關。

2 爆炸破壞載荷特點與計算

2.1 爆炸荷載加載特點

爆炸是一種能量迅速釋放的過程，化工園區所形成的爆炸主要是一種化工原材料化學能轉化為其他形式能量的過程。化工園區爆炸沖擊波對人體、化工設備的影響和威脅極大，對化工設備的荷載通常可分為3個過程，如圖4所示。

圖4 爆炸沖擊波對化工設備荷載過程Fig.4 Load process of explosion shock wave on chemical equipment

當前國內外學者對化工園區爆炸載荷作用下化工設備結構的動態響應、破壞與連續倒塌進行了廣泛分析。基于此，本文總結了化工園區爆炸載荷的特點如圖5所示。

圖5 化工園區爆炸載荷特點Fig.5 Characteristics of explosion load in chemical industrial park

2.2 爆炸破壞載荷計算

化工園區火災爆炸設備所受載荷，是導致化工設備破壞失效的主要原因，針對化工設備所受爆炸載荷計算方法主要有解析法、數值模擬法、試驗方法等如圖6所示。

圖6 化工設備爆炸載荷計算方法Fig.6 Load calculation method of chemical equipment explosion

等效自由度法。將化工設備結構構件質量集中在某一點，通過能量等效原理，確定該化工設備對應點等效質量、剛度、載荷等物理量，利用物理量體系構建對應該化工設備的等效單自由度結構體系，進而計算原化工設備結構構件在爆炸沖擊波載荷作用下的最大位移響應；模態近似法，假定化工設備收到爆炸沖擊波載荷時的結構構件變化遵循一定的規律，則該設備所受載荷下的破壞能夠通過某一類復雜運動方程進行直接求解，可廣泛應用于無法界定初始條件的化工園區爆炸沖擊波事故。

離散單元法。該方法屬于顯式求解，能夠將化工設備結構構件簡化為一個個用彈簧連接的剛體，可以利用EDEM、PFC2D等軟件對該簡化剛體單元節點進行分離、分析；有限元法，主要包含精細有限元法、簡化有限元法以及混合有限元法等，可以分別實現化工設備力學行為復雜區域、大型化工設備以及其他綜合事故現場的載荷分析計算。

試驗法則是針對不同化工設備進行多種爆炸事故條件下的模擬試驗。該方法對試驗條件要求苛刻、安全性差且費用高，因此相對而言應用較少。

2.3 破壞失效概率計算

化工設備受園區火災爆炸沖擊波作用下的破壞失效概率計算方法主要有超壓閾值法、比例法、Probit模型法等如圖7所示。

圖7 破壞失效概率計算方法及其核心計算指標Fig.7 Calculation method of failure probability and its core calculation indexes

超壓閾值法關于其核心計算指標的閾值規定并不統一，通常根據化工設備破壞因素的不同將該閾值范圍界定于7～70 kPa；利用比例法對化工設備破壞失效概率進行計算，主要在于利用靜態峰值超壓閾值對該爆炸沖擊波的最大影響距離進行確定，該方法最大難點在于確定實際爆炸源附近破壞失效概率為1時化工園區爆炸沖擊波爆源范圍，使其更接近真實值；Probit模型法能夠利用多元概率比回歸模型對化工設備破壞失效程度進行計算，進而利用該計算結果對化工設備破壞失效概率進行分析。

3 化工設備火災爆炸防控舉措

3.1 控制消除危險性因素

3.1.1 科學規劃、合理布局

石油化工企業、園區的選址需要通過科學、嚴謹的考核與規劃，將園區設定在原城市中心以及居民區的邊緣地帶。化工園區的廠房和設備規劃需要嚴格按照國標進行設計，充分考量園區所在地的自然氣候、設備防火分隔、通風等。

3.1.2 操作規程、工藝指標控制

化工設備檢修環節需嚴格按照檢修作業規章制度進，對工藝指標嚴格把控，做到按照規定開停車作業與檢查，控制好化工設備內部升降壓、升降溫、升降液位、物料排入、生產消耗等重要指標。

3.2 加強對火源的管理

火源的控制不當，是造成化工園區火災爆炸事故的重要根源。化工企業的火源通常有明火，摩擦與撞擊所形成的明火，各類型電氣、設備以及其他物質形成的電氣火花和靜電火花，其他可自燃物質等。加強火源管理和易產生火源源頭控制，是避免化工園區產生火災爆炸事故的最基本舉措。

3.3 加強危險品的管理

化工園區存在大量危險品，其危險性包含但不局限于有毒害、可燃、助燃、易爆炸、高自然等屬性。化工企業應嚴格做好危險品管理工作，加強工作人員職業培訓力度，在入庫驗收關、庫貯存關、出庫復驗關等階段嚴格遵守相關制度，避免危險品操作不當引發火災、爆炸事故等。

3.4 加大對現代化生產設備和生產工藝的投入力度

現代化工企業在建設或項目改建過程中，應積極融合現代化工企業經營、管理理念，通過更新園區、企業內生產設備和工藝，利用環保性更強、安全性更高的設備與工藝進行生產，或利用智能化技術更先進的設備實現對人工操作的代替等。一旦生產過程中出現異常現象，智能化設備能夠及時、高效地實現事故報警、自動停車等措施并全部反饋異常數據以供技術人員對故障進行排查，避免化工園區出現重大火災、爆炸等事故。

4 結語

綜上所述，本文針對化工設備爆炸沖擊波事故易損性進行分析，從爆炸事故沖擊波計算方法、載荷特征、破壞失效概率計算等角度進行詳細闡述，對化工園區高發爆炸沖擊波事故的防控技術進行總結。本文系統總結了化工設備受爆炸事故沖擊波影響、計算方法以及防控手段，旨在為石油化工產業事故損失統計和預防提供借鑒。