段衛(wèi)東工程師 汪建平工程師 史立軍 荊亞州 張 淇
(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)公司有限責(zé)任公司,北京 100035)
隨著近幾年農(nóng)村煤改氣工程的實(shí)施,燃?xì)獠粌H在城市居民用戶得到普及,也進(jìn)入廣大農(nóng)村家庭,替代傳統(tǒng)的煤、木柴等燃料。然而,由于燃?xì)獾囊兹家妆匦裕诮ㄔO(shè)和使用過程產(chǎn)生諸多安全問題,燃?xì)獗际鹿蕰r(shí)有發(fā)生,極大地威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此研究戶內(nèi)燃?xì)獗际鹿史治稣J(rèn)定技術(shù),通過勘查分析確定燃爆氣源、分析事故原因,對(duì)于事故性質(zhì)認(rèn)定、減少和預(yù)防同類事故發(fā)生非常重要。
目前,相關(guān)學(xué)者對(duì)燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿实难芯慷嗉性谡{(diào)查程序、現(xiàn)場(chǎng)勘查或爆炸特征物質(zhì)分析等方面,成體系的分析技術(shù)較少。本文從燃?xì)庑孤┰蚍治?、點(diǎn)火源確定、爆燃?xì)怏w種類認(rèn)定、爆炸當(dāng)量及傷害分析幾個(gè)方面構(gòu)建戶內(nèi)燃?xì)馐鹿史治黾夹g(shù)體系,為戶內(nèi)燃?xì)獗际鹿史治鎏峁┘夹g(shù)支撐。
戶內(nèi)燃?xì)獗际鹿手校_擊波和火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、家具、電氣及燃燒器具等設(shè)施破壞嚴(yán)重,同時(shí)在事故救援過程中人員活動(dòng)也會(huì)對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)造成破壞,這些因素導(dǎo)致事故現(xiàn)場(chǎng)雜亂,從而為事故分析帶來困難。
爆燃事故導(dǎo)致人員傷害、設(shè)施破壞,勢(shì)必留下一些痕跡和線索,如人員的傷害狀況,包括傷害的部位、程度;戶內(nèi)及周邊設(shè)施、環(huán)境破壞留下的物證,如燃燒后的痕跡、物體的損壞特征和程度等;周圍人員目擊或監(jiān)控監(jiān)測(cè)畫面等。因此,根據(jù)這些痕跡和線索,結(jié)合多起燃?xì)馐鹿尸F(xiàn)場(chǎng)分析,可總結(jié)出戶內(nèi)燃?xì)馐鹿尸F(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)中重點(diǎn)關(guān)注因素,如圖1。
圖1 戶內(nèi)燃?xì)馐鹿尸F(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)關(guān)注因素Fig.1 Key factors on the scene of the indoor gas accident
(1)室內(nèi)人員:人員的傷害狀況、事故時(shí)位置和狀態(tài)、人員的社會(huì)關(guān)系、生活習(xí)慣等。
(2)室內(nèi)物證:火災(zāi)后燃燒痕跡、沖擊波破壞特征和損害程度、殘留物狀態(tài)。
(3)周邊環(huán)境:受沖擊波破壞的特征和程度。
(4)周邊人員:事故的目擊者、受害者、救援人員。
(5)拋出物體:拋出物的來源、方位及距離等。
根據(jù)中國(guó)城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì)公布的2011-2019年戶內(nèi)燃?xì)庑孤┍际鹿史治?,引起戶?nèi)燃?xì)庑孤┑闹饕虬ǎ浩块y未關(guān)緊、燃?xì)庠铋y門未關(guān)緊、軟管破損或脫落、管道閥門或接頭泄漏、壁掛爐等用氣設(shè)施使用不當(dāng)、灶具意外熄火及其他等。各類戶內(nèi)燃?xì)庑孤┰虻恼急冉y(tǒng)計(jì)情況,如圖2。
圖2 戶內(nèi)燃?xì)庑孤┰?位置)統(tǒng)計(jì)Fig.2 The statistics of indoor gas leakage reasons/locations
戶內(nèi)燃?xì)庑孤c(diǎn)火點(diǎn)根據(jù)引起爆炸的點(diǎn)火源來確定,若點(diǎn)火源位置難以確定,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拋出物分布情況反推確定。由于燃?xì)庑孤┰诳臻g分布的不均勻性,有時(shí)點(diǎn)火點(diǎn)不一定是破壞最嚴(yán)重的地點(diǎn),需要根據(jù)多方位的建筑物破壞情況進(jìn)行分析。要結(jié)合氣體性質(zhì)、點(diǎn)火源能量大小、點(diǎn)火點(diǎn)與泄漏點(diǎn)的關(guān)系分析認(rèn)定點(diǎn)火源。對(duì)2011-2019年戶內(nèi)燃?xì)庑孤┍际鹿式y(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),引起燃爆的點(diǎn)火源主要有以下幾類:
(1)持續(xù)性點(diǎn)火源。主要包括:燃燒的灶具、蠟燭、油燈等持續(xù)明火,電風(fēng)扇、電熱爐、電燈、冰箱繼電器、配電箱、開關(guān)等運(yùn)行中不防爆的電氣設(shè)備。
(2)臨時(shí)性點(diǎn)火源。如吸煙、焚燒、裝修作業(yè)中的焊接及切割等。
(3)靜電火花。如人體靜電、織物靜電、氣流產(chǎn)生的靜電等。靜電火花可在放電金屬上留下微小的痕跡,在電子顯微鏡下可看到像火山口一樣的凹坑痕跡。
對(duì)于持續(xù)性點(diǎn)火源,當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)距泄漏點(diǎn)較近時(shí),爆炸可能會(huì)在燃?xì)庑孤┑脑缙诎l(fā)生,引起破壞較?。环粗?,當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)距泄漏點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí),燃?xì)庑孤┮呀?jīng)持續(xù)一段時(shí)間,若引發(fā)爆炸,則破壞性較大。因此根據(jù)爆炸破壞程度,結(jié)合爆炸當(dāng)量分析判斷點(diǎn)火源位置。
居民常用的燃?xì)庵饕ㄌ烊粴夂鸵夯蜌?,其主要成分、理化特性不同,?dǎo)致爆燃現(xiàn)場(chǎng)的痕跡、殘留物和產(chǎn)物均有一定差異。因此在分析燃爆氣體種類時(shí),可從現(xiàn)場(chǎng)爆燃痕跡、爆燃后可燃?xì)怏w殘留物以及爆燃產(chǎn)物3個(gè)方面進(jìn)行分析。
2.3.1 爆燃痕跡特征
(1)天然氣爆燃痕跡特征。天然氣密度小于空氣,當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí),先向室內(nèi)的屋頂擴(kuò)散,逐漸由屋頂高位向低位擴(kuò)散,再向室內(nèi)空間擴(kuò)散、向空氣易流動(dòng)的地方擴(kuò)散,室內(nèi)不同高度不同部位分布的天然氣體積分?jǐn)?shù)不同,爆炸或者起火后,易在房間高位留下煙塵。因此,天然氣爆炸、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)煙塵往往會(huì)出現(xiàn)在墻、窗及屋頂?shù)雀咛?,尤其?huì)出現(xiàn)被爆炸沖擊波拋出去附著煙塵玻璃的現(xiàn)象。然而,天然氣爆燃現(xiàn)場(chǎng)煙熏痕跡并不會(huì)很明顯,因?yàn)樘烊粴庑孤┖蟮谋ㄒ话惆l(fā)生在化學(xué)計(jì)量濃度以下,接近或達(dá)到爆炸下限時(shí)發(fā)生,空氣充足,氣體燃燒充分,爆炸中心附近可能存在像噴射涂料顆粒、斑駁的灰白色痕跡。
此外,戶內(nèi)天然氣爆炸壓力不大,沖擊波作用弱,只產(chǎn)生推移性破壞,使墻體外移、開裂,門窗外凸、變形、拋落等。爆炸氣體有時(shí)能夠擴(kuò)散到家具內(nèi)部,將衣柜門、桌子抽屜鼓開或拉出。但可燃?xì)怏w彌漫整個(gè)空間,沖擊波作用范圍廣,易使人畜呼吸道燒傷,衣服被燒焦或脫落,從而造成群死群傷。圖3是一起典型戶內(nèi)天然氣泄漏爆燃事故場(chǎng)景照片。
圖3 室內(nèi)天然氣泄漏爆燃事故典型場(chǎng)景Fig.3 The typical scene of the indoor natural gas leakage and detonation accident
(2)液化石油氣爆燃痕跡特征。液化石油氣密度比空氣大,易聚集到低洼區(qū)域,發(fā)生燃燒爆炸后,現(xiàn)場(chǎng)會(huì)發(fā)現(xiàn)某些物體下方或者一般火災(zāi)燒不到的低洼處存在細(xì)微可燃物的燒焦痕,特別是木質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)形成炭化層薄,龜裂紋小,十分均勻的低位燃燒痕跡。易燃液體泄漏后揮發(fā)引起的爆炸,木地板上可呈現(xiàn)液體流淌輪廓,出現(xiàn)木材紋理或炭化明顯的痕跡;不燃地面形成重質(zhì)成分,游離碳附著在地面形成界限分明的燃燒圖痕,或形成炭化坑,或炸裂。
此外,現(xiàn)場(chǎng)是否有液化石油氣供氣設(shè)備設(shè)施(液化石油氣鋼瓶、管道等)也是判斷爆燃?xì)怏w是否為液化石油氣的重要證據(jù)之一。圖4為室內(nèi)液化石油氣泄漏爆燃事故的典型場(chǎng)景照片。
圖4 室內(nèi)液化石油氣泄漏爆燃事故典型場(chǎng)景Fig.4 The typical scene of the indoor liquefied petroleum gas leakage and detonation accident
2.3.2 爆燃現(xiàn)場(chǎng)殘留物
天然氣主要成分為烷烴類,其中甲烷體積百分比占90%以上,另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。液化石油氣主要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等,體積含量達(dá)96%以上。天然氣和液化石油氣氣相色譜的圖譜區(qū)別比較大,因此從現(xiàn)場(chǎng)殘留氣體取樣分析能很容易區(qū)分。
此外,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《燃?xì)夤こ添?xiàng)目規(guī)范》(GB 55009-2021)規(guī)定,民用燃?xì)庑枰邆淇梢圆煊X的臭味,故加入一定量的加臭劑。因此,檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)殘留氣體是否含有相應(yīng)的加臭劑(如THT),可以區(qū)分燃爆氣體是民用燃?xì)膺€是下水道等排出的沼氣。
2.3.3 爆燃產(chǎn)物
煙塵是燃?xì)獗棘F(xiàn)場(chǎng)主要?dú)埩粑镏?,其含有的特征信息十分豐富,且在事故調(diào)查中爆燃煙塵樣品也易于獲取,因此分析燃?xì)獗棘F(xiàn)場(chǎng)煙塵信息可作為物證鑒定的重要手段。
據(jù)研究資料顯示,天然氣和液化石油氣爆燃煙塵特征離子除一些共有的之外,還有一些特征離子是其所特有的。經(jīng)氣相色譜及氣相色譜—質(zhì)譜連用技術(shù)測(cè)定,天然氣爆燃煙塵含有的出峰時(shí)間分別為25.94min(CHO)和27.572min(CHO)的特征離子為149m/z的鄰苯二甲酸酯類在液化石油氣爆燃煙塵中是不存在的。而液化石油氣爆燃煙塵中含有的部分產(chǎn)物,如特征離子為178m/z(CH)的蒽和菲;特征離子為202m/z(CH)的熒蒽和芘;特征離子為226m/z和228m/z(CH)的苯并菲、屈和并四苯、苯并(a)蒽;特征離子為252m/z(CH)的苯并(b)熒蒽、苯并(j)熒蒽、苯并(k)熒蒽和苯并(a)芘;特征離子為276m/z(CH)的茚并(1,2,3-cd)芘和苯并(g,h,i)苝,這些組分在天然氣爆炸煙塵中未被發(fā)現(xiàn)。
戶內(nèi)燃?xì)獗▽?duì)人員產(chǎn)生的傷害主要來自沖擊波超壓,以及沖擊波造成的建筑物損壞坍塌。發(fā)生戶內(nèi)燃?xì)獗ㄊ鹿屎螅F(xiàn)場(chǎng)狀況復(fù)雜,需要通過現(xiàn)場(chǎng)破壞情況來反推可燃?xì)怏w的泄漏量,為了便于推算,需要選擇合理可行的理論計(jì)算方法。一般使用TNT當(dāng)量法,結(jié)合不同位置人員傷害和建筑物損壞情況來計(jì)算爆炸事故的TNT當(dāng)量,可以估算可燃?xì)怏w的泄漏量,為爆炸事故可燃?xì)怏w泄漏量的推算提供技術(shù)依據(jù)。
在理論計(jì)算中,通過現(xiàn)場(chǎng)人員傷害和建筑物損壞情況來反推爆炸能量,主要步驟如下:
(1)根據(jù)某一位置的人員傷害和建筑物的損壞情況用對(duì)應(yīng)閾值來判斷該位置的沖擊波超壓值,具體閾值標(biāo)準(zhǔn),見表1、2。
表1 沖擊波超壓對(duì)人體的傷害[9]Tab.1 The injury to the body by the shock wave overpressure[9]
表2 沖擊波超壓對(duì)建筑物的損壞[9]Tab.2 The damage to buildings caused by the shock wave overpressure[9]
(2)TNT當(dāng)量法中使用比距離,而不是距爆炸中心的實(shí)際距離,所以需要根據(jù)沖擊波超壓計(jì)算得到比距離。最常用的沖擊波峰值超壓與比距離的預(yù)測(cè)公式為亨利齊(Henrych)公式。Henrych用試驗(yàn)的方法得到?jīng)_擊波峰值超壓與比距離的關(guān)系:
(1)
式中:
P
—沖擊波峰值超壓,kPa。(3)得到比距離之后,通過其與真實(shí)距離以及TNT當(dāng)量的關(guān)系,可求得TNT當(dāng)量:
(2)
式中:
R
—測(cè)點(diǎn)與爆心之間的距離,m;W
—蒸氣云TNT當(dāng)量,kg。(4)根據(jù)TNT當(dāng)量與燃?xì)赓|(zhì)量的關(guān)系可求得泄漏的燃?xì)赓|(zhì)量。
W
=α
×W
×Q
/Q
(3)
式中:
α
—蒸氣云爆炸效率因子,表明參與爆炸的可燃?xì)怏w的分?jǐn)?shù);W
—蒸氣云中燃料的總質(zhì)量,kg;Q
—蒸氣的燃燒熱,J/kg;Q
—TNT的爆炸熱,一般取4.5MJ/kg。2018年5月某居民在使用天然氣烹飪過程中發(fā)生爆燃事故,導(dǎo)致戶內(nèi)裝修工人3人受傷。由于事故在煤改氣通氣不久后發(fā)生,居民一口咬定事故是天然氣泄漏引發(fā),對(duì)農(nóng)村煤改氣工程的實(shí)施帶來一定負(fù)面影響。
3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)勘查情況
該居民為煤改氣用戶,管道天然氣已入戶并作為廚房炊事用燃?xì)?,且天然氣軟?黃色)與燃?xì)庠罹哌B接緊密。但事故現(xiàn)場(chǎng)另存放一只15kg液化石油氣鋼瓶,其燃?xì)廛浌?紅色)一端通過調(diào)壓閥與液化氣瓶連接,另一端未連接燃燒器具。
事故導(dǎo)致廚房?jī)?nèi)下水道及自來水閥井井蓋飛出并有沖擊廚房吊頂?shù)暮圹E,櫥柜內(nèi)的物品下部、櫥柜周邊塑料制品的下部有不同程度的過火或輕微燃燒變形的痕跡,櫥柜上擺放的物品無(wú)燃燒痕跡;爆燃沖擊波使廚房北側(cè)窗戶向外破裂,廚房?jī)?nèi)其他門窗等建構(gòu)筑物無(wú)明顯損傷痕跡。現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)可燃的液態(tài)與固態(tài)物質(zhì)發(fā)生爆燃的痕跡。
3.2.2 人員傷害情況
事故發(fā)生時(shí)燃?xì)庠罹咛幱诔掷m(xù)燃燒狀態(tài),烹飪?nèi)藛T離開廚房,事故導(dǎo)致廚房外站立的裝修人員衣服被燒毀的部位集中在小腿(如圖5),上半身無(wú)灼傷痕跡,初步判斷爆燃?xì)怏w為比空氣比重大的氣體在接近地面處發(fā)生爆燃。
圖5 人員傷害情況Fig.5 Personal injury
3.2.3 爆燃?xì)怏w分析
經(jīng)事故現(xiàn)場(chǎng)勘查,可能存在的爆燃?xì)怏w有3種,即下水井中的沼氣、鋼瓶中的液化石油氣和管道中的天然氣。
(1)沼氣。現(xiàn)場(chǎng)勘查,廚房下水井直徑0.6m、深1.3m,井內(nèi)無(wú)積水,事故后現(xiàn)場(chǎng)未檢出燃?xì)鉂舛?;該下水井周邊沒有化糞池、污水溝等,廚房水槽連接的下水管道直接向室外山墻外排出,無(wú)產(chǎn)生沼氣的條件,也沒有沼氣經(jīng)下水管道傳輸進(jìn)入廚房的路徑。因此,首先排除下水井內(nèi)沼氣爆燃的可能。
(2)管道天然氣。事故后,管道燃?xì)夤粳F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)穿墻入戶管道處有微量的燃?xì)鉂舛戎?~8ppm(0.004‰~0.008‰),疑似天然氣在管道連接處泄漏;在假設(shè)管道天然氣泄漏的前提下,該泄漏點(diǎn)大小與泄漏時(shí)間能否使廚房燃?xì)庠钕碌臋还駜?nèi)及其周邊的燃?xì)饬窟_(dá)到爆燃極限濃度范圍內(nèi),需做進(jìn)一步分析。
(3)液化石油氣。經(jīng)調(diào)查,事故現(xiàn)場(chǎng)傷者知曉櫥柜內(nèi)有液化石油氣瓶,但矢口否認(rèn)使用過液化石油氣鋼瓶?,F(xiàn)場(chǎng)液化石油氣連接軟管末端未與任何燃?xì)馊紵骶哌B接,存在誤開液化氣鋼瓶導(dǎo)致氣體泄漏的可能。
液化石油氣比重約為1.56~2.05,泄漏后向低處流動(dòng)并在低洼處積聚,同時(shí)在氣體濃度差的影響下逐漸向周邊空氣中擴(kuò)散;在遇點(diǎn)火源后極易引起回燃,且爆燃極限范圍(1.5%~9.5%)較寬,當(dāng)液化石油氣在空氣中的濃度低于1.5%時(shí),可燃?xì)怏w不足;在空氣中的濃度高于9.5%時(shí),氧氣不足,這2種情況下混合氣體均不會(huì)發(fā)生爆炸。
天然氣比重為0.55,泄漏后會(huì)向高處流動(dòng)并在高處空間內(nèi)積聚,同時(shí)在氣體濃度差的影響下逐漸向周邊空氣中擴(kuò)散。
從事故現(xiàn)場(chǎng)爆燃的痕跡,下水井發(fā)生爆燃并將井蓋掀起,應(yīng)有易燃易爆氣體進(jìn)入下水井內(nèi)積聚并達(dá)到爆燃極限范圍內(nèi);廚房?jī)?nèi)灶具上方、北側(cè)窗戶開啟,廚房門沒有關(guān)閉,有利于比空氣比重小的氣體稀釋、擴(kuò)散;燃燒的過火痕跡基本在櫥柜內(nèi)的下部、靠近燃?xì)庠钆_(tái)周邊物品的下部。因此,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況綜合分析,此次事故符合液化石油氣爆燃的特征,即比空氣比重大的液化石油氣泄漏后,經(jīng)廚柜進(jìn)入下水井(室內(nèi)最低點(diǎn)),并積聚達(dá)到爆燃極限濃度范圍,且部分氣體積聚在櫥柜內(nèi),在明火作用下引燃可燃?xì)怏w并迅速回燃,導(dǎo)致室內(nèi)及下水井內(nèi)爆燃。
3.3.1 點(diǎn)火源與爆炸過程分析
由于液化石油氣比重大于空氣,且鋼瓶置于櫥柜內(nèi),液化氣泄漏后可經(jīng)櫥柜流到地面,并經(jīng)地面上的孔洞進(jìn)入下水井,部分液化石油氣經(jīng)廚房門流到廚房外,在櫥柜內(nèi)、廚房地面、下水井、廚房外地面等低處相對(duì)封閉的區(qū)域達(dá)到爆炸極限濃度范圍。
事故傷者在給肉焯水時(shí),燃?xì)庠罹叩拿骰?點(diǎn)火源)直接點(diǎn)燃泄漏至櫥柜內(nèi)的可燃?xì)怏w,迅速回燃并導(dǎo)致井內(nèi)氣體和廚房?jī)?nèi)氣體發(fā)生爆燃。
3.3.2 爆炸當(dāng)量核算
根據(jù)廚房?jī)?nèi)窗框受損情況,取其遭受到的沖擊波超壓:
ΔP
=18kPa=0.018MPa廚房北側(cè)窗戶玻璃爆炸發(fā)生的點(diǎn)距離點(diǎn)火源最大值約為4m。
燃?xì)獗ǖ刃NT當(dāng)量估算值為0.327kg,爆燃造成廚房窗戶破損的液化石油氣估算值為0.006 59m。
廚房?jī)?nèi)下水井體積為0.367 5m。液化石油氣爆燃下限為1.5%,上限為9.5%。爆燃造成廚房下水井井蓋掀起的液化石油氣估算值在0.005 51~0.034 9m之間。從爆燃的破壞情況來看,廚房?jī)?nèi)下水井參與爆燃的液化石油氣應(yīng)略大于0.005 51m。
因此,從事故現(xiàn)場(chǎng)爆炸當(dāng)量的核算,其造成的事故后果嚴(yán)重程度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際達(dá)到爆炸極限濃度的燃?xì)饬炕疚呛?,可以有效佐證發(fā)生泄漏爆炸的氣體為液化石油氣,而不是天然氣,也為本起事故的定性提供科學(xué)依據(jù)。
戶內(nèi)燃?xì)獗纪薮?,?duì)室內(nèi)設(shè)施、建構(gòu)筑物破壞性強(qiáng),對(duì)室內(nèi)人員傷害非常大。燃?xì)獗棘F(xiàn)場(chǎng)受爆炸、火災(zāi)作用,形成大量的特征信息,包括爆燃痕跡、建構(gòu)筑物破壞和人員傷害、燃?xì)庠O(shè)施的泄漏殘留信息、爆燃產(chǎn)物等。通過科學(xué)手段分析這些特征信息,能夠確定爆燃?xì)怏w種類、泄漏和燃爆原因以及燃爆當(dāng)時(shí)物體的狀態(tài)等,為事故調(diào)查和認(rèn)定提供科學(xué)依據(jù)。
通過總結(jié)與推理,提供戶內(nèi)燃?xì)獗际鹿蕷怏w種類、泄漏原因、點(diǎn)火源、爆炸當(dāng)量及傷害等分析手段。在具體調(diào)查工作中,調(diào)查人員需要認(rèn)真勘查現(xiàn)場(chǎng),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,把多種特征信息結(jié)合,綜合分析相關(guān)信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,從而描繪整個(gè)事故現(xiàn)場(chǎng)的整體情況,做到事故性質(zhì)、事故原因的科學(xué)認(rèn)定。