馬華原，龍 源，李興華，鐘明壽，周 輝，吳建源

（1.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007；2.白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137000；3.中國人民解放軍75833部隊(duì)，廣州 廣東 510000）

隨著世界能源趨向低碳化、無碳化，天然氣作為一種高效、清潔的能源已備受青睞。目前，天然氣在世界能源結(jié)構(gòu)中已躍居第二位，預(yù)計(jì)將會超過石油而居第一[1]。盡管高壓天然氣管道具有高效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，但由于近域施工行為、環(huán)境腐蝕、機(jī)械或材料失效、自然災(zāi)害及其他未知因素的影響，天然氣管道爆裂事故時(shí)有發(fā)生（見圖1）[2-4]。

圖1 天然氣管道爆炸事故Fig.1 Pipeline gas explosion accidents

目前，關(guān)于天然氣管道爆炸危害效應(yīng)的研究主要以熱輻射和火焰危害為主[5-7]。關(guān)于振動(dòng)的研究大多停留在數(shù)值模擬階段：Su[8]通過建立土層與管道耦合效應(yīng)的非線性數(shù)學(xué)模型，對地下管道在復(fù)合振動(dòng)加載模式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，分析了振動(dòng)對管道的影響，得到評估埋地管道抗震性能的方法；Mahdavi等[9]研究了地下管線在黏性土中的荷載傳遞特性，分析了管道回填土和溝道寬度的幾何效應(yīng)，得到了土壤強(qiáng)度分布和響應(yīng)因子。目前尚缺乏對全尺寸干線輸氣管道爆炸地震波傳播規(guī)律和時(shí)頻分布特性的研究，本文中針對高壓天然氣管道爆炸瞬間物理現(xiàn)象及其產(chǎn)生的振動(dòng)危害效應(yīng)展開研究，分析地震波的頻譜特性、衰減規(guī)律及時(shí)頻特性。研究成果不僅對并行管道安全設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對管線附近建（構(gòu)）筑物和重要設(shè)施的抗震與防護(hù)設(shè)計(jì)也具有參考作用。

1 全尺寸富氣管道爆炸試驗(yàn)

試驗(yàn)選用第三代大輸量天然氣管道，該型管道大量應(yīng)用于西氣東輸二線工程。管身材料采用X90級別管線鋼，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度715 MPa，直徑1 219 mm，壁厚16.3 mm，內(nèi)壓12 MPa，埋深1.2 m。管道總長約430 m，中間部分是長130 m的試驗(yàn)段，為盡可能地模擬無限長輸氣管道爆炸時(shí)的泄壓狀態(tài)，在試驗(yàn)段兩端各設(shè)置長150 m的儲氣段，如圖2所示。管內(nèi)填充天然氣，壓力12 MPa，氣體摩爾分?jǐn)?shù)分別為：x(CH4)=94.91%，x(C2H6)=2.55%，x(CO2)=0.94%，x(N2)=1.4%，x(其他)=0.2%。在試驗(yàn)段中點(diǎn)沿軸線方向，設(shè)置長0.5 m的線型聚能切割器，以引入初始裂紋使管道發(fā)生爆裂。

試驗(yàn)測線布設(shè)，以起爆點(diǎn)為原點(diǎn)，在與管道軸線分別呈0°、30°、60°和90°的4個(gè)方向上設(shè)置測線。其中，30°、60°和90°測線上設(shè)置6個(gè)測點(diǎn)，0°測線上設(shè)置5個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)處安裝振動(dòng)速度測試儀和振動(dòng)加速度測試儀各1臺。具體布設(shè)方案如圖3所示，其中60°、30°以及0°測線的測點(diǎn)間距同90°測線。

圖2 試驗(yàn)場Fig.2 Test field

圖3 測點(diǎn)布設(shè)方案Fig.3 Layout scheme of measuring points

試驗(yàn)選用TC-4850和Blast-UM型振動(dòng)測試儀。兩型儀器均配備集成式三通道傳感器，可同時(shí)記錄水平徑向（X軸）、水平切向（Y軸）和鉛垂方向（Z軸）3個(gè)方向的振動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前，所有儀器均在江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院進(jìn)行了校準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

起爆瞬間以及爆后管道裂口如圖4所示。試驗(yàn)起爆過程為：發(fā)射燃燒彈，聚能切割器點(diǎn)火。射流刀穿過管壁形成初始裂縫，管壁在初始裂紋和巨大內(nèi)壓共同作用下裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展。管內(nèi)高壓天然氣迅速噴出，氣團(tuán)接觸到燃燒彈后被瞬間點(diǎn)燃。起爆后約3 s，氣團(tuán)發(fā)生完全爆燃，現(xiàn)場形成巨大蘑菇云，直徑達(dá)150 m左右。爆炸后無人機(jī)傳回畫面，可看到有殘余氣體持續(xù)燃燒約5 min后熄滅?，F(xiàn)場留下長約20 m、寬約5 m的漏斗坑，爆后測得裂口長度為17.43 m。

圖4 爆炸瞬間及爆后管道Fig.4 Explosions and pipeline affected

2 天然氣管道爆炸地振動(dòng)的空間分布特性

試驗(yàn)得到了各測點(diǎn)數(shù)據(jù)詳細(xì)信息，見表1～4（其中6# 和12# 測點(diǎn)設(shè)備未正常觸發(fā)）。表中，l為距離，VX、VY、VZ為X、Y、Z方向最大振動(dòng)速度，fX、fY、fZ為X、Y、Z方向主頻，V為矢量和。為研究振動(dòng)能量的衰減規(guī)律以及空間分布特性，選取各測點(diǎn)振動(dòng)信號的矢量和數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究。

表1 90° 測線振動(dòng)速度Table 1 Data of vibration velocity of measuring line 90°

表2 60° 測線振動(dòng)速度Table 2 Data of vibration velocity of measuring line 60°

表3 30° 測線振動(dòng)速度Table 3 Data of vibration velocity of measuring line 30°

表4 0° 測線振動(dòng)速度Table 4 Data of vibration velocity of measuring line 0°

由圖5可以看出，振動(dòng)峰值的衰減呈現(xiàn)先快后慢的模式，為了進(jìn)一步研究其衰減規(guī)律，分別用指數(shù)擬合和冪率擬合對各個(gè)測線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并對比效果，如圖6所示。

圖5 振動(dòng)峰值分布圖Fig.5 Peak vibration distribution diagram

在文獻(xiàn)[10-11]中，爆破地震波的衰減規(guī)律遵循冪率分布。然而，由圖6的擬合效果對比可以看出，4條測線上數(shù)據(jù)的指數(shù)擬合結(jié)果均優(yōu)于其冪率擬合結(jié)果，指數(shù)擬合有著更小的擬合誤差值（SSE），并且其確定系數(shù)（R-square）更接近1。因此，天然氣管道爆炸地振動(dòng)衰減更符合指數(shù)分布，本次試驗(yàn)中90°、60°、30°、0°測線上的衰減擬合結(jié)果分別為：

式中：V為振動(dòng)速度，單位為cm/s；r為距爆心距離，單位為m。

從圖5～6以及擬合結(jié)果可以看出，振動(dòng)強(qiáng)度和測線角度顯著相關(guān)。其中，90o測線振動(dòng)強(qiáng)度最大，之后依次為30°測線、60°測線和0°測線。為了更直觀的反應(yīng)振動(dòng)強(qiáng)度在地面的分布，首先對采集到的數(shù)據(jù)在空間內(nèi)進(jìn)行兩次鏡像延拓，然后采用重調(diào)和方程對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維擬合，得到了振動(dòng)強(qiáng)度在空間內(nèi)的分布場，效果如圖7所示。

圖7中，X軸（Y=0）與管道重合?？梢钥闯?，地震波在空間內(nèi)不呈圓對稱分布，這一點(diǎn)與普通集團(tuán)裝藥爆炸地震波特性不同。管道爆炸地震波在90°方向和30°方向較強(qiáng)，60°方向和0°方向較弱。這樣的分布特性意味著，在討論天然氣管道爆炸地震波損害范圍時(shí)，不能只考慮距離因素，還需考慮角度因素。

圖6 擬合效果對比Fig.6 Comparison of fitted effects

3 天然氣管道爆炸地振動(dòng)的時(shí)頻分布特性

選用周輝等[12]優(yōu)化的雙參數(shù)匹配追蹤算法聯(lián)合WVD分布的時(shí)頻分解算法。其中WVD分布是由Ville引入信號分析領(lǐng)域的。根據(jù)特征函數(shù)方法，推導(dǎo)信號X(t)的WVD分布為：

圖7 振動(dòng)場三維擬合效果圖Fig.7 3D fitting diagram of vibration field

WVD擁有極高的時(shí)間-頻率分辨率，但由于其自身為二次型時(shí)頻解析，因此不具備線型可加性，嚴(yán)重影響了它在非平穩(wěn)隨機(jī)信號分析領(lǐng)域的運(yùn)用。為解決此問題，將匹配追蹤算法引入，其原理是將多成分混雜的原始信號分解為基礎(chǔ)子波，分別對子波進(jìn)行WVD分解，再將所有子波的WVD結(jié)果相加，便可得到原始信號的真實(shí)WVD分布。另外，選用的雙參數(shù)匹配追蹤算法是結(jié)合了Hilbert變換，對原始信號的優(yōu)勢頻率和瞬時(shí)相位先行確定，從而大大降低了匹配追蹤的運(yùn)算量，為大數(shù)據(jù)量處理提供了基礎(chǔ)。

將1#、7#、13#和19#測點(diǎn)的振動(dòng)信號采用改進(jìn)型MP-WVD算法進(jìn)行處理，得到其時(shí)頻分布如圖8～11所示。

由圖8～11可看出，各個(gè)測點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的時(shí)頻分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性：振動(dòng)能量頻率中心都分布在10～20 Hz范圍內(nèi)，振動(dòng)持續(xù)時(shí)長約為0.1～0.2 s。同時(shí)，X軸振動(dòng)在時(shí)頻域內(nèi)相對集中，而Y軸和Z軸振動(dòng)在時(shí)頻域的分布相對比較分散。振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)與削弱區(qū)的時(shí)頻特性并沒有顯著區(qū)別。將時(shí)頻譜對時(shí)間軸做積分，得到頻率邊際譜[13-14]，相比于通過傅里葉變換得到的幅頻譜，頻率邊際譜可以更直觀地看到各個(gè)頻率成分在全局上的累加，如圖12所示。

圖8 1#測點(diǎn)振動(dòng)信號時(shí)頻分布Fig.8 Time frequency distribution of measuring point 1#

圖9 7#測點(diǎn)振動(dòng)信號時(shí)頻分布Fig.9 Time frequency distribution of measuring point 7#

圖10 13#測點(diǎn)振動(dòng)信號時(shí)頻分布Fig.10 Time frequency distribution of measuring point 13#

圖11 19#測點(diǎn)振動(dòng)信號時(shí)頻分布Fig.11 Time frequency distribution of measuring point 19#

圖12 頻率邊際譜Fig.12 Marginal spectrum

由圖12可以看出，天然氣管道爆炸地震波絕大部分能量分布在0～40 Hz頻帶，40 Hz以上頻帶所占比重極小。并且代表瑞利波的X軸、Z軸分量明顯強(qiáng)于代表勒夫波的Y軸分量，因此可以判斷管道爆炸地震波主要以瑞利波形式傳播。通過對振動(dòng)速度信號的濾波和積分得到其質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖13所示，可以看出明顯的瑞利波“橢圓形”軌跡的特征，并且水平方向位移較大。

圖13 質(zhì)點(diǎn)位移Fig.13 Particle displacement

4 結(jié) 論

經(jīng)過試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，得到了管道外徑1 219 mm、內(nèi)壓12 MPa的X90天然氣管道爆炸地振動(dòng)的相關(guān)結(jié)論。

（1）天然氣管道爆炸地振動(dòng)衰減符合指數(shù)分布，且其在各個(gè)方向上的衰減速度有所差異。

（2）天然氣管道爆炸地振動(dòng)振動(dòng)強(qiáng)度在空間上呈不均勻分布，在90°和30°方向較強(qiáng)，而在60°和0°方向較弱。因此在做天然氣管道爆炸隱患點(diǎn)防護(hù)、疏散或者損傷范圍估算時(shí)，要考慮到角度因素的影響。

（3）天然氣管道爆炸地振動(dòng)的頻率范圍為10～20 Hz，加載時(shí)間為0.1～0.2 s。其中瑞利波強(qiáng)于勒夫波，因此在管道周邊建筑抗震安全設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮對此頻率范圍的載荷進(jìn)行預(yù)防，并對建筑的水平徑向和垂直剛度進(jìn)行加強(qiáng)。