李少鵬，陳國華，趙 杰，張 強(qiáng)，胡 盛，董浩宇

(1.華南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程研究所，廣東 廣州 510641；2.廣東省安全生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510641)

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)及生活中，可燃性氣體輸送、儲(chǔ)存和使用過程中，由于設(shè)備損壞或人員誤操作導(dǎo)致可燃?xì)怏w大量泄漏并與空氣混合，遇到一定能量點(diǎn)火源就會(huì)發(fā)生爆炸，這種現(xiàn)象稱為開敞空間可燃蒸氣云爆炸(簡(jiǎn)稱UVCE)[1]。20世紀(jì)70年代以后，隨著石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，蒸氣云爆炸事故因可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的次生災(zāi)害(即多米諾事故)而引起全世界的廣泛關(guān)注。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，化工行業(yè)多米諾事故的初始事故多為火災(zāi)和爆炸，其中由爆炸誘發(fā)的事故約占57%，且爆炸沖擊波較火球熱輻射對(duì)人員、建筑物等危害更加嚴(yán)重[2-3]。

開敞空間可燃?xì)庠票▽?dǎo)致大量的人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失，為有效防治可燃?xì)庠票ㄊ鹿?，國?nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。通過對(duì)可燃?xì)庠票▊鞑ヒ?guī)律研究，掌握可燃?xì)怏w爆炸傳播特性，開展爆炸沖擊波對(duì)周圍環(huán)境影響的定性和定量分析(即動(dòng)力響應(yīng)研究)[4-7]，確定可燃?xì)庠票ǖ某蔀?zāi)模式，進(jìn)而提出相應(yīng)的防控策略[8-11]是該研究方向的重要工程意義所在。

本文從開敞空間可燃?xì)庠票_擊波超壓傳播規(guī)律及災(zāi)害動(dòng)力響應(yīng)2個(gè)方面介紹國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)現(xiàn)有研究存在的不足之處，并提出有待進(jìn)一步研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 開敞空間可燃?xì)庠票ㄑ芯?/h2>

1.1 開敞空間可燃?xì)庠票ㄈ紵诸?/h3>

根據(jù)可燃?xì)庠颇芰棵芏燃包c(diǎn)火能的不同，可將開敞空間可燃?xì)庠票ㄈ紵譃椋罕己捅Z[1,12]。爆燃是一種帶有壓力波的燃燒，火焰以亞音速傳播，壓力波以音速在火焰陣面之前傳播。因此，爆燃具有“兩波三區(qū)”結(jié)構(gòu)特性。爆轟是可燃?xì)庠票ǖ淖罡咝问剑鹧嬉猿羲賯鞑?，壓力波跨過波陣面，壓力和密度都是突變的。

叢立新等[13]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有障礙物存在時(shí)，爆炸超壓常出現(xiàn)2次超壓峰值，趨勢(shì)為：一次超壓階段-負(fù)壓階段-二次超壓階段，甚至可能出現(xiàn)3或4次超壓峰值；當(dāng)沒有障礙物存在時(shí)，氣云爆炸超壓趨勢(shì)為：一次超壓-負(fù)超壓。無論是否有障礙物，可燃?xì)庠票钾?fù)壓絕對(duì)值均小于正壓。任新見等[14]在強(qiáng)點(diǎn)火條件下開展不同濃度的半球形液化氣爆炸試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)不同爆心距處的沖擊波超壓分布發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)條件下爆轟負(fù)超壓絕對(duì)值遠(yuǎn)小于一次超壓峰值。此外，爆轟正壓持續(xù)時(shí)間極短，一次超壓上升階段時(shí)程曲線比爆燃陡峭。研究表明，開敞空間可燃?xì)庠票ǘ酁楸歼^程，但也存在爆轟的可能性[15]。

1.2 不同參數(shù)對(duì)可燃?xì)庠票_擊波傳播規(guī)律影響

UVCE的傷害效應(yīng)包括3方面：沖擊波超壓傷害、高溫?zé)彷椛鋫捅óa(chǎn)生的有毒有害氣體傷害[16-19]。其中，爆炸沖擊波是主要的破壞效應(yīng)[19-20]。因此，現(xiàn)有研究多集中在可燃?xì)庠票_擊波超壓災(zāi)害效應(yīng)。

開敞空間可燃?xì)庠票_擊波傳播規(guī)律理論研究方法有經(jīng)驗(yàn)方法、自相似方法、數(shù)值模擬等[20]。其中，應(yīng)用較為廣泛的是經(jīng)驗(yàn)方法中的TNT當(dāng)量法、TNO多能法和Baker-Strehlow-Tang(BST)模型。

1)TNT當(dāng)量法：將可燃?xì)庠票偟娜紵裏徂D(zhuǎn)化為當(dāng)量TNT爆炸燃燒熱，具有操作方便、計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但是，TNT為固體炸藥爆炸，與可燃?xì)怏w爆炸的爆源性質(zhì)存在本質(zhì)區(qū)別，爆炸能量、爆源體積、爆炸沖擊波傳播速度等均不相同，當(dāng)距離爆源較近時(shí)，TNT當(dāng)量法預(yù)測(cè)可燃?xì)庠票ǔ瑝浩?，而?duì)遠(yuǎn)距離爆炸超壓預(yù)測(cè)值偏小。Henrych和Mills提出不同的爆炸沖擊波超壓與當(dāng)量距離計(jì)算的公式，但該理論計(jì)算公式低估了試驗(yàn)超壓值，針對(duì)該問題，Wang等修正TNT當(dāng)量法計(jì)算系數(shù)η為3/8，使Henrych和Mills提出的理論計(jì)算值與試驗(yàn)值最大相對(duì)誤差為8.75%，通過與PHAST模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，從而改進(jìn)了TNT當(dāng)量法[21]。

2)TNO多能法：考慮可燃?xì)庠票磸?qiáng)度與所處空間受限程度的關(guān)系，將爆源強(qiáng)度劃分為10個(gè)等級(jí)，并繪制無量綱距離和無量綱超壓關(guān)系圖，但TNO多能法并未給出不同爆源強(qiáng)度定量選擇的原則。針對(duì)TNO多能法在蒸氣云爆炸應(yīng)用中選擇爆炸強(qiáng)度主觀性較強(qiáng)的局限，張瑞華等[22]采用TNO爆炸波當(dāng)量特征參數(shù)與當(dāng)量距離特征曲線擬合關(guān)系式代替爆炸波特征曲線，并對(duì)公式中誤差較大的參數(shù)進(jìn)行修正，可減少TNO多能法在應(yīng)用中的不準(zhǔn)確性。

3)BST模型：類似于TNO多能法，區(qū)別在于該方法利用火焰?zhèn)鞑ニ俣?馬赫數(shù)Mw)來選取不同爆炸強(qiáng)度曲線。

試驗(yàn)研究方面，早期的試驗(yàn)是為研究限制物對(duì)沖擊波傳播的影響，Layer等提出肥皂泡技術(shù)，研究表明，肥皂膜對(duì)氣云爆炸影響可以忽略，但試驗(yàn)氣云尺寸太?。换诖?，Lind等采用聚乙烯薄膜做成限制物，試驗(yàn)證實(shí)薄膜不會(huì)對(duì)爆燃的傳播產(chǎn)生較大影響；鮑麒等[23]利用AutoReaGas研究聚乙烯薄膜對(duì)開敞空間可燃?xì)怏w爆炸超壓影響發(fā)現(xiàn)，隨著氣體體積、燃燒速度和傳播距離增加，薄膜對(duì)爆燃超壓的影響逐漸減弱，氫氣、乙炔混合氣體開敞空間爆燃試驗(yàn)可以使用聚乙烯薄膜，而甲烷開敞空間爆燃試驗(yàn)則需要選擇強(qiáng)度更弱的薄膜或其他材料。解決了限制物對(duì)壓力波傳播的影響后，畢明樹[1]利用聚乙烯薄膜搭建開敞空間半球形可燃?xì)庠票ㄔ囼?yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在聚乙烯薄膜未破裂前，火焰外表基本上呈半球形，且火焰表面較光滑，薄膜破裂后火焰表面保持半球形形狀，但逐漸變得不規(guī)則。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，Computational Fluid Dynamics在開敞空間可燃?xì)庠票ǘ?、三維研究中應(yīng)用越來越廣泛。其在連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程等基本方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)過程中組分連續(xù)性方程、Navier-Stokes Equations和爆炸過程中湍流k-ε模型等共同構(gòu)成計(jì)算模型基礎(chǔ)。

近年來，為研究可燃?xì)庠票▊鞑ヒ?guī)律，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)形成可燃?xì)庠茪怏w性質(zhì)、點(diǎn)火能、障礙物等影響因素開展研究工作。

1.2.1 可燃?xì)庠菩再|(zhì)對(duì)爆炸沖擊波傳播規(guī)律影響

可燃?xì)庠埔蛐孤怏w活性、泄漏氣體與空氣混合濃度比、氣云形狀/尺寸等對(duì)爆炸沖擊波超壓有顯著影響。國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)可燃?xì)庠菩再|(zhì)對(duì)爆炸沖擊波傳播規(guī)律影響的相關(guān)研究如表1所示。

表1 可燃?xì)庠菩再|(zhì)對(duì)爆炸沖擊波傳播規(guī)律影響Table 1 Influence of properties of flammable vapor cloud on propagation laws of explosion shock wave

現(xiàn)有研究多針對(duì)單一可燃?xì)怏w或?qū)⒒旌峡扇細(xì)怏w簡(jiǎn)化為單一可燃?xì)怏w開展研究，結(jié)論以定性描述為主，對(duì)爆炸沖擊波等災(zāi)害效應(yīng)目標(biāo)參數(shù)在多影響參數(shù)下的定量研究較少。多元混合氣體爆炸研究則集中于混合氣體爆炸極限、火焰燃燒特性的研究[37-38]以及受限空間混合可燃?xì)庠票ㄌ匦匝芯縖39-40]，對(duì)開敞空間多元混合可燃?xì)庠票▊鞑ヒ?guī)律研究較少。

1.2.2 點(diǎn)火源對(duì)爆炸沖擊波傳播規(guī)律影響

開敞空間可燃?xì)庠票ㄒ蟮淖钚↑c(diǎn)火能很低，通常在毫焦數(shù)量級(jí)。現(xiàn)有點(diǎn)火源對(duì)可燃?xì)庠票_擊波傳播規(guī)律研究如表2所示。

表2 點(diǎn)火源對(duì)可燃?xì)庠票_擊波傳播規(guī)律影響Table 2 Influence of ignition sources on propagation laws of shock wave of flammable vapor cloud explosion

近年來，王超強(qiáng)等[41]、孫從煌等[42]研究了不同點(diǎn)火位置和不同點(diǎn)火條件對(duì)可燃?xì)怏w爆炸特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火位置對(duì)超壓時(shí)程曲線不同峰值影響不同，如：Δp2的峰值大小隨著點(diǎn)火位置遠(yuǎn)離泄爆口而增大；點(diǎn)火溫度越高，管道內(nèi)燃燒反應(yīng)更劇烈，氣體溫升速率越快，但卻降低管道內(nèi)的壓力峰值；點(diǎn)火面積越小，預(yù)混可燃?xì)怏w前期溫升越快。但是，以上主要是管道和密閉空間等受限空間條件下，點(diǎn)火源對(duì)爆炸沖擊波傳播規(guī)律影響研究成果，開敞空間條件下是否有相同的研究結(jié)論有待進(jìn)一步研究。此外，目前鮮有對(duì)開敞空間可燃?xì)庠票繕?biāo)參數(shù)(沖擊波超壓峰值、壓力上升速率等)與點(diǎn)火能進(jìn)行定量分析，以及不同濃度可燃?xì)庠圃凇白钸m宜”點(diǎn)火能條件下，爆炸目標(biāo)參數(shù)的變化特性研究。

1.2.3 初始溫度和壓力對(duì)爆炸傳播規(guī)律影響

初始溫度越高，越有利于可燃?xì)獾臄U(kuò)散，可燃?xì)庠菩纬傻乃俣瓤烨揖鶆?，爆炸超壓也較大。Phylaktou實(shí)驗(yàn)證實(shí)[46]，碳?xì)浠衔?空氣混合物的火焰速度Df隨初始溫度T0的升高而增加，通?？捎霉?1)表示，m取值在1.5～2.0之間。

(1)

高娜等[47]對(duì)不同初始溫度和初始?jí)毫l件下甲烷爆炸極限、最大爆炸壓力和點(diǎn)火延遲時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，高溫高壓條件使瓦斯爆炸極限范圍擴(kuò)大；隨著初始溫度升高，瓦斯爆炸最大爆炸壓力逐漸減小；初始溫度越高，點(diǎn)火延遲時(shí)間越短。

Wan等[48]基于計(jì)算絕熱火焰溫度方法提出了1種預(yù)測(cè)空氣中燃料可燃性下限(LFL)的方法，并計(jì)算了甲醇、乙醇、甲酸甲酯和二甲醚在10 MPa壓力和1 000 K溫度條件下的LFL；結(jié)果表明，在高溫條件下，隨著壓力的增加，混合物的LFL略有下降；另外，10 MPa壓力和1 000 K溫度條件下混合物的LFL遠(yuǎn)低于大氣環(huán)境溫度和壓力條件下的LFL；因此，在高溫和高壓條件下可燃?xì)怏w混合物可能會(huì)造成更大的火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)。

現(xiàn)有研究多針對(duì)初始溫度和壓力對(duì)爆炸極限的影響，鮮有對(duì)爆炸沖擊波超壓在初始溫度和壓力條件下的研究。

1.2.4 障礙物對(duì)爆炸沖擊波傳播規(guī)律影響

當(dāng)有障礙物存在時(shí)，由于障礙物誘導(dǎo)的湍流對(duì)燃燒過程具有正反饋?zhàn)饔?，火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒈ǔ瑝悍逯祵@著增加[16]，當(dāng)氣云內(nèi)設(shè)置半球條柵形障礙物時(shí)，爆炸超壓是無障礙物的8～10倍，且條柵數(shù)量越多對(duì)爆炸波的傳播擾動(dòng)越明顯，超壓值越大，峰值超壓隨著障礙物阻塞比的增加而增加[49]。

叢立新[50]通過試驗(yàn)研究乙炔-空氣混合氣云內(nèi)部半球形圓孔和矩形孔障礙物條件下，爆炸超壓Δp、沖量I與障礙物特征參數(shù)(空隙率φ、障礙物半徑Rb、障礙物寬度b、障礙率θ等)和測(cè)點(diǎn)與氣云距離r、可燃?xì)庠瓢霃絉之間的關(guān)系式。

畢明樹等[51]將障礙物擾動(dòng)因子(障礙物形狀及尺寸、障礙物的體積占有率)引入氣體動(dòng)力學(xué)方程組，建立了內(nèi)部有障礙物的氣云爆炸壓力場(chǎng)計(jì)算表達(dá)式，并編制程序?qū)σ胰?空氣氣云爆炸壓力場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)相比偏差小于20 %。

2 爆炸災(zāi)害動(dòng)力響應(yīng)研究

2.1 爆炸災(zāi)害效應(yīng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

目前應(yīng)用較多的爆炸災(zāi)害傷害準(zhǔn)則有：超壓準(zhǔn)則、沖量準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)自振周期、超壓-沖量準(zhǔn)則和安全距離表法[52]。

當(dāng)在爆點(diǎn)周圍設(shè)有一定條件的防護(hù)土圍墻時(shí)，江佩蘭等[53]在大量的試驗(yàn)和事故資料分析基礎(chǔ)上，經(jīng)過必要的調(diào)整修正后，得到各個(gè)破壞等級(jí)所對(duì)應(yīng)的安全距離公式，如式(2)所示：

rs=KWa

(2)

式中：rs為建筑物在某一破壞等級(jí)下的安全距離，m；K為安全系數(shù)，取值如表3所示；W為TNT當(dāng)量，kg；a為冪指數(shù)，取值如表3所示。

表3 與破壞等級(jí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)和冪指數(shù)Table 3 Safety coefficients and power exponents corresponding to failure grades

2.2 爆炸沖擊波作用下承載體動(dòng)力響應(yīng)

可燃?xì)庠票_擊波作用下動(dòng)力響應(yīng)研究可分為2大類：

一種是解析計(jì)算法，即以TNT當(dāng)量法、TNO多能法等理論模型為基礎(chǔ)計(jì)算可燃?xì)庠票_擊波強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上研究不同距離處建筑物破壞情況及人員受傷情況，該方法因簡(jiǎn)單易行而得到廣泛的應(yīng)用。周成[5]將蒸氣云爆炸能量用TNT當(dāng)量法進(jìn)行模擬計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對(duì)球罐泄漏蒸氣云爆炸時(shí)不同距離處的爆炸沖擊波隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行研究，得到距爆源同一距離處儲(chǔ)罐所受沖擊波超壓持續(xù)時(shí)間與儲(chǔ)罐距離爆源中心距離呈反比的結(jié)論；繆鵬飛等[54]基于TNO多能法計(jì)算LPG儲(chǔ)罐爆炸后果，并結(jié)合GIS對(duì)事故后果進(jìn)行仿真分析，研究表明，該方法可有效評(píng)估爆炸災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域、分析資源空間、規(guī)劃決策路線等，為LPG儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸事故的科學(xué)處置提供定性、定量的技術(shù)支撐。但是，該方法因1.2節(jié)所述計(jì)算模型假設(shè)條件的影響而導(dǎo)致計(jì)算精度不高。

另外一種，將CFD軟件與有限元軟件結(jié)合，該方法克服了CFD軟件在模擬計(jì)算氣體爆炸過程中難以求解承載體動(dòng)力響應(yīng)的弊端。余波[52]將FLUENT與ANSYS結(jié)合，分析氣云爆炸下抗爆結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)與破壞特征，研究發(fā)現(xiàn)，在氣云爆炸過程中，鋼筋混凝土2墻交界處由于負(fù)彎矩導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫，裂縫逐漸向支座處延伸，出現(xiàn)層裂破壞，隨著爆炸過程發(fā)展，結(jié)構(gòu)上更多的位置將破壞，直至結(jié)構(gòu)完全失效；Salaun N等[7]將CFD模擬軟件FLACS與非線性有限元軟件結(jié)合，把FLACS模擬計(jì)算得到的海上平臺(tái)氣體爆炸沖擊波超壓時(shí)程曲線作為有限元?jiǎng)恿Ψ治龅妮斎霔l件，模擬計(jì)算防火墻概率-超壓曲線，研究發(fā)現(xiàn)，該方法較Dimensioning Accidental Loads(DAL)方法計(jì)算結(jié)果更精確。

3 結(jié)論

1)開敞空間多元混合氣體爆炸沖擊波傳播規(guī)律研究尚較少見。當(dāng)前開敞空間可燃?xì)怏w爆炸沖擊波傳播規(guī)律研究多針對(duì)單一可燃?xì)怏w，而多元混合氣體爆炸研究多集中于受限空間爆炸極限和火焰?zhèn)鞑ヌ匦裕r有對(duì)開敞空間多元混合氣體爆炸沖擊波傳播規(guī)律研究。

2)多參數(shù)耦合作用下可燃?xì)庠票_擊波傳播規(guī)律定量分析有待深入研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)可燃?xì)庠票_擊波傳播規(guī)律研究多針對(duì)單一影響參數(shù)，且現(xiàn)有成果中未充分考慮點(diǎn)火能、可燃?xì)怏w混合比、初始溫度和初始?jí)毫Φ扔绊憛?shù)對(duì)爆炸沖擊波超壓影響的定量研究。

3)基于可燃?xì)庠票鲌?chǎng)沖擊波作用下承載體動(dòng)力響應(yīng)研究有待加強(qiáng)。近年來，在CFD軟件模擬計(jì)算氣體爆炸基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元軟件的動(dòng)力響應(yīng)研究成為熱點(diǎn)，而不同軟件之間數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換及計(jì)算結(jié)果的可靠性有待深入研究。