汪士為

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，湖北 十堰 442000）

在各類型化工園區(qū)風(fēng)險(xiǎn)事故中，爆炸沖擊波效應(yīng)屬于最容易導(dǎo)致多米諾效應(yīng)事故升級(jí)的根源之一，多米諾效應(yīng)一旦出現(xiàn)，化工企業(yè)、化工園區(qū)風(fēng)險(xiǎn)事故將會(huì)急劇傳播，其影響將飛速擴(kuò)大。化工設(shè)備受爆炸沖擊波影響主要體現(xiàn)在3方面：一是化工設(shè)備的抗沖擊能力，如機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)備用料、設(shè)計(jì)壓力等；二是爆炸沖擊波的強(qiáng)度，如靜態(tài)峰值超壓、正相持續(xù)時(shí)間等；三是動(dòng)力響應(yīng)，主要指的是化工設(shè)備與爆炸沖擊波之間的復(fù)雜相互作用等。基于此，本文分別從破壞強(qiáng)度表征方法、爆炸破壞載荷特點(diǎn)與計(jì)算以及破壞失效概率計(jì)算等角度對(duì)設(shè)備易損性進(jìn)行分析，并提出預(yù)防和控制化工園區(qū)火災(zāi)爆炸事故的主要舉措。

1 化工設(shè)備爆炸沖擊波易損性分析

1.1 破壞強(qiáng)度表征方法

1.1.1 事故場(chǎng)景

火災(zāi)、爆炸事故是化工園區(qū)、化工企業(yè)在進(jìn)行生產(chǎn)和物料運(yùn)輸過(guò)程中最高的風(fēng)險(xiǎn)事故。本文以印度某化工園區(qū)儲(chǔ)罐區(qū)為例，對(duì)化工園區(qū)常見(jiàn)火災(zāi)爆炸引發(fā)的多米諾效應(yīng)進(jìn)行分析。該化工園區(qū)儲(chǔ)罐區(qū)平面分布狀況如圖1所示。

圖1 某化工園區(qū)儲(chǔ)罐區(qū)平面分布圖Fig.1 Plane distribution diagram of storage tank area in a chemical industrial park

該化工園區(qū)庫(kù)區(qū)主要包含圖1所示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所示3個(gè)罐區(qū)，各罐區(qū)之間分別設(shè)有17～84 m防火墻形成獨(dú)立防火分區(qū)，各罐區(qū)內(nèi)儲(chǔ)罐存儲(chǔ)物質(zhì)如表1所示。

表1 儲(chǔ)罐區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 Relevant data of storage tank area

該化工園區(qū)為國(guó)外某主要儲(chǔ)存石腦油、苯等化工原材料儲(chǔ)罐區(qū)，曾于1988年11月發(fā)生強(qiáng)烈爆炸，爆炸沖擊波影響范圍超過(guò)5 km，爆炸時(shí)產(chǎn)生的蒸氣云、大火持續(xù)28 h之后才全部處理完畢。該次爆炸事故對(duì)園區(qū)內(nèi)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)罐區(qū)及管道產(chǎn)生劇烈破壞，所有設(shè)備幾乎喪失全部功能。可見(jiàn)，化工企業(yè)一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，其影響、破壞力等往往難以估量，針對(duì)化工園區(qū)爆炸沖擊波事故易損性等的研究，是梳理和計(jì)算化工園區(qū)及附近設(shè)備爆炸損失的重要考核指標(biāo)。

1.1.2 計(jì)算方法

在類似以上化工園區(qū)火災(zāi)爆炸事故中，引發(fā)罐區(qū)爆炸沖擊波多米諾效應(yīng)的主要初始事故場(chǎng)景基本可總結(jié)為圖2所示的若干爆炸類型?？紤]化工設(shè)備在園區(qū)、企業(yè)發(fā)生火災(zāi)爆炸情況下通常易出現(xiàn)的破壞失效類型（如強(qiáng)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(kuò)展蒸氣爆炸以及凝聚相爆炸作為主要的遠(yuǎn)場(chǎng)破壞研究問(wèn)題。

圖2 初始事故場(chǎng)景及事故升級(jí)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(qū)生產(chǎn)事故過(guò)程中產(chǎn)生的易燃蒸氣、噴霧等物質(zhì)在暴露自然條件下以后與空氣的預(yù)混氣云產(chǎn)生反應(yīng)形成的爆炸。蒸氣云爆炸過(guò)程中，燃燒、爆炸所產(chǎn)生的火焰在不斷加速并達(dá)到某一數(shù)值以后會(huì)對(duì)爆炸現(xiàn)場(chǎng)形成顯著的超壓現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)距離爆炸原點(diǎn)一定范圍內(nèi)較遠(yuǎn)距離的多米諾效應(yīng)。蒸氣云爆炸強(qiáng)度計(jì)算方法及其特征如圖3所示。

圖3 蒸氣云爆炸強(qiáng)度計(jì)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(kuò)展蒸氣爆炸

沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸指液化介質(zhì)儲(chǔ)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(zhì)急劇氣化，并隨即被火焰點(diǎn)燃而產(chǎn)生的爆炸。與蒸氣云爆炸相比，沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸的機(jī)械效應(yīng)并不需要對(duì)事故所形成的火球復(fù)雜影響進(jìn)行計(jì)算，沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸破壞強(qiáng)度的計(jì)算更多考慮爆炸沖擊波和碎片等因素影響。沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸破壞強(qiáng)度計(jì)算方法主要有：①經(jīng)驗(yàn)公式法，通過(guò)計(jì)算某次事故所產(chǎn)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(shù)值法，在充分考慮某次爆炸過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體從力學(xué)過(guò)程，通過(guò)構(gòu)建沸騰液體擴(kuò)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(zhì)（如炸藥或固體反應(yīng)物等）所形成的爆炸種類。因此，在進(jìn)行凝聚相爆炸沖擊波超壓計(jì)算時(shí)，一般使用類似蒸氣云爆炸時(shí)的TNT當(dāng)量計(jì)算法。

1.1.6 毀傷準(zhǔn)則

化工園區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸時(shí)所產(chǎn)生的毀傷效應(yīng)，通常受到爆炸沖擊波超壓等因素的影響。按照當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)爆炸沖擊波毀傷準(zhǔn)則的分類，本文將化工設(shè)備爆炸沖擊波事故毀傷準(zhǔn)則總結(jié)為：①超壓準(zhǔn)則，在該準(zhǔn)則下將化工設(shè)備所受到的沖擊波超壓作為該化工設(shè)備所受傷害的唯一考量標(biāo)準(zhǔn)，但本文認(rèn)為該唯一考量標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上未能融合毀傷效應(yīng)正相持續(xù)時(shí)間指標(biāo)，即沖擊波超壓值高，但正相持續(xù)時(shí)間極短時(shí)設(shè)備所受傷害值量定受限，則化工設(shè)備所受爆炸沖擊波事故傷害值無(wú)法界定；②沖量準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則認(rèn)為化工設(shè)備在受到爆炸沖擊波作用時(shí)，該設(shè)備所受到的傷害僅受爆炸沖擊波沖量值影響，但本文認(rèn)為該準(zhǔn)則同樣未能充分考量差壓值及正相持續(xù)時(shí)間對(duì)化工設(shè)備影響，在超壓很小時(shí)，即便設(shè)備所受到?jīng)_擊波正相持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，該爆炸沖擊波亦不會(huì)對(duì)該設(shè)備形成毀傷；③超壓-沖量準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則綜合考量的化工園區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故時(shí)，化工設(shè)備所受超壓、沖量等影響，認(rèn)為僅在兩指標(biāo)同時(shí)滿足某一化工設(shè)備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定臨界指標(biāo)時(shí)，該爆炸沖擊波才會(huì)對(duì)化工設(shè)備造成毀傷，但該毀傷值大小并不一定與兩指標(biāo)值成正比，化工設(shè)備受爆炸沖擊波毀傷值影響與其他因素如爆炸沖擊波時(shí)頻分布、能量分布、化工設(shè)備自振頻率等有關(guān)。

2 爆炸破壞載荷特點(diǎn)與計(jì)算

2.1 爆炸荷載加載特點(diǎn)

爆炸是一種能量迅速釋放的過(guò)程，化工園區(qū)所形成的爆炸主要是一種化工原材料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過(guò)程。化工園區(qū)爆炸沖擊波對(duì)人體、化工設(shè)備的影響和威脅極大，對(duì)化工設(shè)備的荷載通?？煞譃?個(gè)過(guò)程，如圖4所示。

圖4 爆炸沖擊波對(duì)化工設(shè)備荷載過(guò)程Fig.4 Load process of explosion shock wave on chemical equipment

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)化工園區(qū)爆炸載荷作用下化工設(shè)備結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、破壞與連續(xù)倒塌進(jìn)行了廣泛分析?；诖耍疚目偨Y(jié)了化工園區(qū)爆炸載荷的特點(diǎn)如圖5所示。

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

2.2 爆炸破壞載荷計(jì)算

化工園區(qū)火災(zāi)爆炸設(shè)備所受載荷，是導(dǎo)致化工設(shè)備破壞失效的主要原因，針對(duì)化工設(shè)備所受爆炸載荷計(jì)算方法主要有解析法、數(shù)值模擬法、試驗(yàn)方法等如圖6所示。

圖6 化工設(shè)備爆炸載荷計(jì)算方法Fig.6 Load calculation method of chemical equipment explosion

等效自由度法。將化工設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量集中在某一點(diǎn)，通過(guò)能量等效原理，確定該化工設(shè)備對(duì)應(yīng)點(diǎn)等效質(zhì)量、剛度、載荷等物理量，利用物理量體系構(gòu)建對(duì)應(yīng)該化工設(shè)備的等效單自由度結(jié)構(gòu)體系，進(jìn)而計(jì)算原化工設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)件在爆炸沖擊波載荷作用下的最大位移響應(yīng)；模態(tài)近似法，假定化工設(shè)備收到爆炸沖擊波載荷時(shí)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件變化遵循一定的規(guī)律，則該設(shè)備所受載荷下的破壞能夠通過(guò)某一類復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行直接求解，可廣泛應(yīng)用于無(wú)法界定初始條件的化工園區(qū)爆炸沖擊波事故。

離散單元法。該方法屬于顯式求解，能夠?qū)⒒ぴO(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)件簡(jiǎn)化為一個(gè)個(gè)用彈簧連接的剛體，可以利用EDEM、PFC2D等軟件對(duì)該簡(jiǎn)化剛體單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分離、分析；有限元法，主要包含精細(xì)有限元法、簡(jiǎn)化有限元法以及混合有限元法等，可以分別實(shí)現(xiàn)化工設(shè)備力學(xué)行為復(fù)雜區(qū)域、大型化工設(shè)備以及其他綜合事故現(xiàn)場(chǎng)的載荷分析計(jì)算。

試驗(yàn)法則是針對(duì)不同化工設(shè)備進(jìn)行多種爆炸事故條件下的模擬試驗(yàn)。該方法對(duì)試驗(yàn)條件要求苛刻、安全性差且費(fèi)用高，因此相對(duì)而言應(yīng)用較少。

2.3 破壞失效概率計(jì)算

化工設(shè)備受園區(qū)火災(zāi)爆炸沖擊波作用下的破壞失效概率計(jì)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(jì)算方法及其核心計(jì)算指標(biāo)Fig.7 Calculation method of failure probability and its core calculation indexes

超壓閾值法關(guān)于其核心計(jì)算指標(biāo)的閾值規(guī)定并不統(tǒng)一，通常根據(jù)化工設(shè)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(duì)化工設(shè)備破壞失效概率進(jìn)行計(jì)算，主要在于利用靜態(tài)峰值超壓閾值對(duì)該爆炸沖擊波的最大影響距離進(jìn)行確定，該方法最大難點(diǎn)在于確定實(shí)際爆炸源附近破壞失效概率為1時(shí)化工園區(qū)爆炸沖擊波爆源范圍，使其更接近真實(shí)值；Probit模型法能夠利用多元概率比回歸模型對(duì)化工設(shè)備破壞失效程度進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而利用該計(jì)算結(jié)果對(duì)化工設(shè)備破壞失效概率進(jìn)行分析。

3 化工設(shè)備火災(zāi)爆炸防控舉措

3.1 控制消除危險(xiǎn)性因素

3.1.1 科學(xué)規(guī)劃、合理布局

石油化工企業(yè)、園區(qū)的選址需要通過(guò)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目己伺c規(guī)劃，將園區(qū)設(shè)定在原城市中心以及居民區(qū)的邊緣地帶?；@區(qū)的廠房和設(shè)備規(guī)劃需要嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考量園區(qū)所在地的自然氣候、設(shè)備防火分隔、通風(fēng)等。

3.1.2 操作規(guī)程、工藝指標(biāo)控制

化工設(shè)備檢修環(huán)節(jié)需嚴(yán)格按照檢修作業(yè)規(guī)章制度進(jìn)，對(duì)工藝指標(biāo)嚴(yán)格把控，做到按照規(guī)定開停車作業(yè)與檢查，控制好化工設(shè)備內(nèi)部升降壓、升降溫、升降液位、物料排入、生產(chǎn)消耗等重要指標(biāo)。

3.2 加強(qiáng)對(duì)火源的管理

火源的控制不當(dāng)，是造成化工園區(qū)火災(zāi)爆炸事故的重要根源。化工企業(yè)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(shè)備以及其他物質(zhì)形成的電氣火花和靜電火花，其他可自燃物質(zhì)等。加強(qiáng)火源管理和易產(chǎn)生火源源頭控制，是避免化工園區(qū)產(chǎn)生火災(zāi)爆炸事故的最基本舉措。

3.3 加強(qiáng)危險(xiǎn)品的管理

化工園區(qū)存在大量危險(xiǎn)品，其危險(xiǎn)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(yè)應(yīng)嚴(yán)格做好危險(xiǎn)品管理工作，加強(qiáng)工作人員職業(yè)培訓(xùn)力度，在入庫(kù)驗(yàn)收關(guān)、庫(kù)貯存關(guān)、出庫(kù)復(fù)驗(yàn)關(guān)等階段嚴(yán)格遵守相關(guān)制度，避免危險(xiǎn)品操作不當(dāng)引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故等。

3.4 加大對(duì)現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)工藝的投入力度

現(xiàn)代化工企業(yè)在建設(shè)或項(xiàng)目改建過(guò)程中，應(yīng)積極融合現(xiàn)代化工企業(yè)經(jīng)營(yíng)、管理理念，通過(guò)更新園區(qū)、企業(yè)內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備和工藝，利用環(huán)保性更強(qiáng)、安全性更高的設(shè)備與工藝進(jìn)行生產(chǎn)，或利用智能化技術(shù)更先進(jìn)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)人工操作的代替等。一旦生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，智能化設(shè)備能夠及時(shí)、高效地實(shí)現(xiàn)事故報(bào)警、自動(dòng)停車等措施并全部反饋異常數(shù)據(jù)以供技術(shù)人員對(duì)故障進(jìn)行排查，避免化工園區(qū)出現(xiàn)重大火災(zāi)、爆炸等事故。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文針對(duì)化工設(shè)備爆炸沖擊波事故易損性進(jìn)行分析，從爆炸事故沖擊波計(jì)算方法、載荷特征、破壞失效概率計(jì)算等角度進(jìn)行詳細(xì)闡述，對(duì)化工園區(qū)高發(fā)爆炸沖擊波事故的防控技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。本文系統(tǒng)總結(jié)了化工設(shè)備受爆炸事故沖擊波影響、計(jì)算方法以及防控手段，旨在為石油化工產(chǎn)業(yè)事故損失統(tǒng)計(jì)和預(yù)防提供借鑒。