汪士为

（湖北汽车工业学院 经济管理学院，湖北 十堰 442000）

在各类型化工园区风险事故中，爆炸冲击波效应属于最容易导致多米诺效应事故升级的根源之一，多米诺效应一旦出现，化工企业、化工园区风险事故将会急剧传播，其影响将飞速扩大。化工设备受爆炸冲击波影响主要体现在3方面：一是化工设备的抗冲击能力，如机械结构、设备用料、设计压力等；二是爆炸冲击波的强度，如静态峰值超压、正相持续时间等；三是动力响应，主要指的是化工设备与爆炸冲击波之间的复杂相互作用等。基于此，本文分别从破坏强度表征方法、爆炸破坏载荷特点与计算以及破坏失效概率计算等角度对设备易损性进行分析，并提出预防和控制化工园区火灾爆炸事故的主要举措。

1 化工设备爆炸冲击波易损性分析

1.1 破坏强度表征方法

1.1.1 事故场景

火灾、爆炸事故是化工园区、化工企业在进行生产和物料运输过程中最高的风险事故。本文以印度某化工园区储罐区为例，对化工园区常见火灾爆炸引发的多米诺效应进行分析。该化工园区储罐区平面分布状况如图1所示。

图1 某化工园区储罐区平面分布图Fig.1 Plane distribution diagram of storage tank area in a chemical industrial park

该化工园区库区主要包含图1所示Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所示3个罐区，各罐区之间分别设有17～84 m防火墙形成独立防火分区，各罐区内储罐存储物质如表1所示。

表1 储罐区相关数据Tab.1 Relevant data of storage tank area

该化工园区为国外某主要储存石脑油、苯等化工原材料储罐区，曾于1988年11月发生强烈爆炸，爆炸冲击波影响范围超过5 km，爆炸时产生的蒸气云、大火持续28 h之后才全部处理完毕。该次爆炸事故对园区内Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区罐区及管道产生剧烈破坏，所有设备几乎丧失全部功能。可见，化工企业一旦发生火灾、爆炸事故，其影响、破坏力等往往难以估量，针对化工园区爆炸冲击波事故易损性等的研究，是梳理和计算化工园区及附近设备爆炸损失的重要考核指标。

1.1.2 计算方法

在类似以上化工园区火灾爆炸事故中，引发罐区爆炸冲击波多米诺效应的主要初始事故场景基本可总结为图2所示的若干爆炸类型。考虑化工设备在园区、企业发生火灾爆炸情况下通常易出现的破坏失效类型（如强度屈服、倒塌、破裂等），本文将图2中的蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸以及凝聚相爆炸作为主要的远场破坏研究问题。

图2 初始事故场景及事故升级因素Fig.2 Initial accident scenario and accident upgrading factors

1.1.3 蒸气云爆炸

蒸气云爆炸是化工园区生产事故过程中产生的易燃蒸气、喷雾等物质在暴露自然条件下以后与空气的预混气云产生反应形成的爆炸。蒸气云爆炸过程中，燃烧、爆炸所产生的火焰在不断加速并达到某一数值以后会对爆炸现场形成显著的超压现象，进而引发距离爆炸原点一定范围内较远距离的多米诺效应。蒸气云爆炸强度计算方法及其特征如图3所示。

图3 蒸气云爆炸强度计算方法及其特征Fig.3 Intensity calculation method and characteristics of vapor cloud explosion

1.1.4 沸腾液体扩展蒸气爆炸

沸腾液体扩展蒸气爆炸指液化介质储罐在外部火焰的烘烤等条件下突然破裂，压力平衡破坏，介质急剧气化，并随即被火焰点燃而产生的爆炸。与蒸气云爆炸相比，沸腾液体扩展蒸气爆炸的机械效应并不需要对事故所形成的火球复杂影响进行计算，沸腾液体扩展蒸气爆炸破坏强度的计算更多考虑爆炸冲击波和碎片等因素影响。沸腾液体扩展蒸气爆炸破坏强度计算方法主要有：①经验公式法，通过计算某次事故所产生的爆炸总能量和爆炸冲击波能力，得到该次爆炸所形成的冲击波超压；②数值法，在充分考虑某次爆炸过程中所产生的气体从力学过程，通过构建沸腾液体扩展蒸气爆炸所形成的超压和冲量曲线，得到该次爆炸冲击波超压。

1.1.5 凝聚相爆炸

凝聚相爆炸是一类不需要与空气混合的固体、半液体等物质（如炸药或固体反应物等）所形成的爆炸种类。因此，在进行凝聚相爆炸冲击波超压计算时，一般使用类似蒸气云爆炸时的TNT当量计算法。

1.1.6 毁伤准则

化工园区发生火灾爆炸时所产生的毁伤效应，通常受到爆炸冲击波超压等因素的影响。按照当前国内外学者对爆炸冲击波毁伤准则的分类，本文将化工设备爆炸冲击波事故毁伤准则总结为：①超压准则，在该准则下将化工设备所受到的冲击波超压作为该化工设备所受伤害的唯一考量标准，但本文认为该唯一考量标准基础上未能融合毁伤效应正相持续时间指标，即冲击波超压值高，但正相持续时间极短时设备所受伤害值量定受限，则化工设备所受爆炸冲击波事故伤害值无法界定；②冲量准则，该准则认为化工设备在受到爆炸冲击波作用时，该设备所受到的伤害仅受爆炸冲击波冲量值影响，但本文认为该准则同样未能充分考量差压值及正相持续时间对化工设备影响，在超压很小时，即便设备所受到冲击波正相持续时间很长，该爆炸冲击波亦不会对该设备形成毁伤；③超压-冲量准则，该准则综合考量的化工园区发生火灾爆炸事故时，化工设备所受超压、冲量等影响，认为仅在两指标同时满足某一化工设备设计结构稳定临界指标时，该爆炸冲击波才会对化工设备造成毁伤，但该毁伤值大小并不一定与两指标值成正比，化工设备受爆炸冲击波毁伤值影响与其他因素如爆炸冲击波时频分布、能量分布、化工设备自振频率等有关。

2 爆炸破坏载荷特点与计算

2.1 爆炸荷载加载特点

爆炸是一种能量迅速释放的过程，化工园区所形成的爆炸主要是一种化工原材料化学能转化为其他形式能量的过程。化工园区爆炸冲击波对人体、化工设备的影响和威胁极大，对化工设备的荷载通常可分为3个过程，如图4所示。

图4 爆炸冲击波对化工设备荷载过程Fig.4 Load process of explosion shock wave on chemical equipment

当前国内外学者对化工园区爆炸载荷作用下化工设备结构的动态响应、破坏与连续倒塌进行了广泛分析。基于此，本文总结了化工园区爆炸载荷的特点如图5所示。

图5 化工园区爆炸载荷特点Fig.5 Characteristics of explosion load in chemical industrial park

2.2 爆炸破坏载荷计算

化工园区火灾爆炸设备所受载荷，是导致化工设备破坏失效的主要原因，针对化工设备所受爆炸载荷计算方法主要有解析法、数值模拟法、试验方法等如图6所示。

图6 化工设备爆炸载荷计算方法Fig.6 Load calculation method of chemical equipment explosion

等效自由度法。将化工设备结构构件质量集中在某一点，通过能量等效原理，确定该化工设备对应点等效质量、刚度、载荷等物理量，利用物理量体系构建对应该化工设备的等效单自由度结构体系，进而计算原化工设备结构构件在爆炸冲击波载荷作用下的最大位移响应；模态近似法，假定化工设备收到爆炸冲击波载荷时的结构构件变化遵循一定的规律，则该设备所受载荷下的破坏能够通过某一类复杂运动方程进行直接求解，可广泛应用于无法界定初始条件的化工园区爆炸冲击波事故。

离散单元法。该方法属于显式求解，能够将化工设备结构构件简化为一个个用弹簧连接的刚体，可以利用EDEM、PFC2D等软件对该简化刚体单元节点进行分离、分析；有限元法，主要包含精细有限元法、简化有限元法以及混合有限元法等，可以分别实现化工设备力学行为复杂区域、大型化工设备以及其他综合事故现场的载荷分析计算。

试验法则是针对不同化工设备进行多种爆炸事故条件下的模拟试验。该方法对试验条件要求苛刻、安全性差且费用高，因此相对而言应用较少。

2.3 破坏失效概率计算

化工设备受园区火灾爆炸冲击波作用下的破坏失效概率计算方法主要有超压阈值法、比例法、Probit模型法等如图7所示。

图7 破坏失效概率计算方法及其核心计算指标Fig.7 Calculation method of failure probability and its core calculation indexes

超压阈值法关于其核心计算指标的阈值规定并不统一，通常根据化工设备破坏因素的不同将该阈值范围界定于7～70 kPa；利用比例法对化工设备破坏失效概率进行计算，主要在于利用静态峰值超压阈值对该爆炸冲击波的最大影响距离进行确定，该方法最大难点在于确定实际爆炸源附近破坏失效概率为1时化工园区爆炸冲击波爆源范围，使其更接近真实值；Probit模型法能够利用多元概率比回归模型对化工设备破坏失效程度进行计算，进而利用该计算结果对化工设备破坏失效概率进行分析。

3 化工设备火灾爆炸防控举措

3.1 控制消除危险性因素

3.1.1 科学规划、合理布局

石油化工企业、园区的选址需要通过科学、严谨的考核与规划，将园区设定在原城市中心以及居民区的边缘地带。化工园区的厂房和设备规划需要严格按照国标进行设计，充分考量园区所在地的自然气候、设备防火分隔、通风等。

3.1.2 操作规程、工艺指标控制

化工设备检修环节需严格按照检修作业规章制度进，对工艺指标严格把控，做到按照规定开停车作业与检查，控制好化工设备内部升降压、升降温、升降液位、物料排入、生产消耗等重要指标。

3.2 加强对火源的管理

火源的控制不当，是造成化工园区火灾爆炸事故的重要根源。化工企业的火源通常有明火，摩擦与撞击所形成的明火，各类型电气、设备以及其他物质形成的电气火花和静电火花，其他可自燃物质等。加强火源管理和易产生火源源头控制，是避免化工园区产生火灾爆炸事故的最基本举措。

3.3 加强危险品的管理

化工园区存在大量危险品，其危险性包含但不局限于有毒害、可燃、助燃、易爆炸、高自然等属性。化工企业应严格做好危险品管理工作，加强工作人员职业培训力度，在入库验收关、库贮存关、出库复验关等阶段严格遵守相关制度，避免危险品操作不当引发火灾、爆炸事故等。

3.4 加大对现代化生产设备和生产工艺的投入力度

现代化工企业在建设或项目改建过程中，应积极融合现代化工企业经营、管理理念，通过更新园区、企业内生产设备和工艺，利用环保性更强、安全性更高的设备与工艺进行生产，或利用智能化技术更先进的设备实现对人工操作的代替等。一旦生产过程中出现异常现象，智能化设备能够及时、高效地实现事故报警、自动停车等措施并全部反馈异常数据以供技术人员对故障进行排查，避免化工园区出现重大火灾、爆炸等事故。

4 结语

综上所述，本文针对化工设备爆炸冲击波事故易损性进行分析，从爆炸事故冲击波计算方法、载荷特征、破坏失效概率计算等角度进行详细阐述，对化工园区高发爆炸冲击波事故的防控技术进行总结。本文系统总结了化工设备受爆炸事故冲击波影响、计算方法以及防控手段，旨在为石油化工产业事故损失统计和预防提供借鉴。