化工設(shè)備爆炸沖擊波事故易損性與防控技術(shù)研究

摘 要：化工企業(yè)各類型風(fēng)險(xiǎn)事故中，化工設(shè)備受到爆炸沖擊波的影響進(jìn)而出現(xiàn)火災(zāi)熱輻射、爆炸沖擊波、碎片等，是導(dǎo)致事故升級(jí)以及損壞影響擴(kuò)大的根源。以某化工園區(qū)發(fā)生事故為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)化工設(shè)備受爆炸沖擊波影響所產(chǎn)生的破壞強(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)算等進(jìn)行綜述，進(jìn)而得到化工設(shè)備爆炸沖擊波事故易損性綜合計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)備;多米諾效應(yīng);爆炸沖擊波;易損性;防控技術(shù)

中圖分類號(hào)：TU375 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2022）05-0090-05

Study on vulnerability and prevention technology of shock wave accident of chemical equipment explosion

Abstract： In various types of risk accidents in chemical enterprises， the chemical equipment is affected by the explosion shock wave， and then appears fire heat radiation， explosion shock wave， debris， etc.， which is the root of the accident upgrading and damage impact expansion. Based on the accident in a chemical industry park， this paper summarizes the characterization method of the damage strength， the characteristics and calculation of the damage load and the calculation of the failure probability of the chemical equipment affected by the explosion shock wave， and then obtains the comprehensive calculation method of the vulnerability of the chemical equipment to the explosion shock wave.

Keywords：chemical equipment;domino effect;explosion shock wave;vulnerability;prevention and control technology

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[1]?；ぴO(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?；诖耍疚姆謩e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)輸過程中最高的風(fēng)險(xiǎn)事故[2]。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。

該化工園區(qū)庫區(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。

該化工園區(qū)為國外某主要儲(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?？梢?，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)[3-5]。

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)的主要初始事故場景基本可總結(jié)為圖2所示的若干爆炸類型[6-9]?？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)場破壞研究問題。

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[7]。蒸氣云爆炸過程中，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。

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[8]。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程中所產(chǎn)生的氣體從力學(xué)過程，通過構(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[9]。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，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)[10-14]。

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程[15-17]?；@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)備的荷載通常可分為3個(gè)過程，如圖4所示。

當(dāng)前國內(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?，本文總結(jié)了化工園區(qū)爆炸載荷的特點(diǎn)如圖5所示。

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[18]。

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)用于無法界定初始條件的化工園區(qū)爆炸沖擊波事故[19]。

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)場的載荷分析計(jì)算[20]。

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。

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[21]。

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)[22]。

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?；て髽I(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，在入庫驗(yàn)收關(guān)、庫貯存關(guān)、出庫復(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)目改建過程中，應(yīng)積極融合現(xiàn)代化工企業(yè)經(jīng)營、管理理念，通過更新園區(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[23]。一旦生產(chǎn)過程中出現(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

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。

【參考文獻(xiàn)】

[1]?賈梅生，陳國華，胡昆.化工園區(qū)多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防控技術(shù)綜述[J].化工進(jìn)展，2017，36（4）： 1 534-1 543.

[2]張守中.爆炸與沖擊動(dòng)力學(xué)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1993.

[3]周成.化工儲(chǔ)罐區(qū)事故多米諾效應(yīng)概率分析[J].石油化工設(shè)備，2010，3（3）：31-35.

[4]胡昆，陳國華，周志航，等.爆炸沖擊波作用下化工設(shè)備易損性研究評(píng)述[J].化工進(jìn)展，2019，38（4）： 1 634-1 645.

[5]CHAKRABORTY ANIRBAN， IBRAHIM AHMED，CRUZ ANA MARIA. A study of accident investigation methodologies applied to the NaTech events during the 2011 great east Japan earthquake[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2018，51：208-222.

[6]丁宇奇，戴希明，劉巨保，等.基于TNT當(dāng)量法的儲(chǔ)罐內(nèi)?爆壓力簡化計(jì)算與應(yīng)力分析[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2017，47（8）：116-126.

[7]劉玲，袁俊明，劉玉存，等.自制炸藥的沖擊波超壓測(cè)試及TNT當(dāng)量估算[J].火炸藥學(xué)報(bào)，2015，38（2）： 50-53.

[8]李麗萍，孔德仁，蘇建軍，等.基于能量譜的爆炸沖擊波毀傷特性研究[J].振動(dòng)與沖擊，2015，34（21）： 71-75.

[9]賈梅生，陳國華.火災(zāi)環(huán)境液化石油氣臥罐穩(wěn)定性與靜態(tài)可靠性分析[J].化工進(jìn)展，2017，36（7）： 2 353-2 359.

[10]黃孔星，陳國華，曾濤，等.化工園區(qū)Na-Tech事件定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防控體系評(píng)述[J].化工進(jìn)展，2019，38（7）：3 482-3 494.

[11]LEE Eea K，PIETZ Ferdinand H，CHEN Chien Hung，et al.An interactive web-based decision support system for mass dispensing，emergency preparedness，and biosurveillance[P].Proceedings of the 2017 International Conference on Digital Health.New York， USA：Association for Computing Machinery，2017：137-146.

[12]陶飛.基于魯棒模型的過程工藝與控制集成設(shè)計(jì)方法研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2016.

[13]DOLCE MAURO，DI BUCCI DANIELA. Comparing recent Italian earthquakes[J].Bulletin of Earthquake Engineering， 2017，15（2）：497-533.

[14]嚴(yán)景藝，張禮敬，陶剛.瓶裝液化氣鋼瓶泄漏事故[J].安全，2016，37（8）：42-44.

[15]賈梅生，陳國華，胡昆，等.化工園區(qū)多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與防控技術(shù)綜述[J].化工進(jìn)展，2017，36（4）：1 534-1 543.

[16]路勝卓，王偉，陳衛(wèi)東.浮頂式儲(chǔ)油罐的爆炸沖擊失效?[J].爆炸與沖擊，2015，35（5）：696-702.

[17]陳國華，鄒夢(mèng)婷.化工園區(qū)多災(zāi)種耦合關(guān)系模型及斷鏈減災(zāi)模式[J].化工進(jìn)展，2018，37（8）： 3 271-3 279.

[18]KHAKZAD NIMA，RENIERS GENSERIK. Using graph theory to analyze the vulnerability of process plants in the context of cascading effects[J].Reliability Engineering & System Safety 2015（143）：63-73.

[19]陳國華，吳家俊.地下密閉空間燃?xì)獗_擊波傳播規(guī)律[J].天然氣工業(yè)，2017，37（2）：120-125.

[20]JUNG SEUNGHO. Facility siting and plant layout opti- mization for chemical process safety[J].The Korean journal of chemical engineering，2016，33（1）：1-7.

[21]樹成洋.化工安全設(shè)計(jì)在預(yù)防化工事故發(fā)生中的作用[J].化工管理，2018（32）：47-48.

[22]王濤.化工安全設(shè)計(jì)中的危險(xiǎn)因素及應(yīng)對(duì)措施[J].化工管理，2019（9）：85-86.

[23]陳文瑋.化工安全設(shè)計(jì)中的危險(xiǎn)因素及應(yīng)對(duì)措施[J].工業(yè)生產(chǎn)，2019，45（10）：118-225.

[24]郭文軍，江見鯨，崔京浩.燃?xì)獗ㄗ饔孟路课萘芽p開展的分形模擬[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2000（4）： 35-38.

[25]熊志坤，崔京浩.爆炸及其危險(xiǎn)性分析與評(píng)價(jià)[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1995（S1）：14-19.

[26]張望喜，舒浩華，易偉建，等.某廠化學(xué)裝置爆炸對(duì)設(shè)備房結(jié)構(gòu)的損壞——調(diào)查與模擬分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2007（4）：103-109.

收稿日期：2021-06-21;修回日期：2022-04-26

作者簡介：汪士為（1987-） ，男，博士，講師，研究方向：旅游景區(qū)開發(fā)。