周星 郝永梅 楊健 邢志祥 吳凡 蔣軍成

（1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州港華燃?xì)庥邢薰?，江蘇 常州 213161）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市地下不斷被開發(fā)利用，緩解了城市擁擠狀況，地面上的管道慢慢轉(zhuǎn)到地下，城市地下綜合管廊應(yīng)運(yùn)而生，天然氣管道也很快納入綜合管廊［1］。天然氣屬于可燃性氣體，當(dāng)與適量空氣混合，在受限空間內(nèi)會(huì)發(fā)生爆炸。地下管廊滿足受限空間條件，而且地下管廊一般會(huì)有很多開口和外界相通，用于地下管廊內(nèi)部通風(fēng)或物料投放，地下管廊有足夠空氣；天然氣管道投入使用過程中，可能會(huì)受到施工損傷、焊接缺陷、腐蝕等多種因素干擾，容易發(fā)生天然氣泄漏到管廊、坑道等狹長受限空間，遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸事故。如2021年6月13日，湖北十堰市天然氣泄漏，未及時(shí)處理，引發(fā)爆炸，造成11人遇難，37人重傷。由此可見，天然氣管廊安全建設(shè)是城市安全建設(shè)重要一環(huán)。國內(nèi)外學(xué)者做了大量關(guān)于天然氣爆炸特性與泄爆技術(shù)研究?；诖耍ㄟ^文獻(xiàn)調(diào)研的方法，對(duì)地下管廊安全防護(hù)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)整理與討論，為天然氣管廊安全工程提供理論依據(jù)。

1 天然氣管廊爆炸特性研究

天然氣的主要可燃成分為甲烷，天然氣爆炸是甲烷和空氣在一定比例下，遇足夠能量火源，混合氣體在局限空間內(nèi)發(fā)生劇烈反應(yīng)的過程。天然氣在空氣中的爆炸極限下限為4.75%，上限為14.75%［2］。天然氣管廊中，主要爆炸反應(yīng)物為甲烷；天然氣發(fā)生爆炸時(shí)，甲烷完全反應(yīng)情況下，基本反應(yīng)方程式為：

天然氣管廊爆炸特性研究，其實(shí)就是甲烷在受限空間內(nèi)與空氣混合爆炸特性的研究。國內(nèi)外學(xué)者研究甲烷爆炸性質(zhì)，主要通過實(shí)驗(yàn)法和模擬法。實(shí)驗(yàn)法，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，再通過設(shè)備采集爆炸數(shù)據(jù)（火焰形狀、傳播速度等）；模擬法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編程分析爆炸特性，或者通過建立模型模擬仿真，再采集模擬數(shù)據(jù)分析。

1.1 初始?jí)毫?duì)可燃?xì)怏w爆炸影響研究

不同初始?jí)毫Νh(huán)境下，可燃?xì)怏w的爆炸特性是有差異的。使用VISUALBASIC語言編程分析爆轟，發(fā)現(xiàn)初始?jí)毫?duì)可燃?xì)怏w混合物爆轟參數(shù)的影響明顯大于初始溫度。謝烽等［3］通過甲烷/空氣預(yù)混氣體燃燒實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)隨著初始?jí)毫υ龃?，在反?yīng)過程中封閉空間內(nèi)的壓力上升速率增大，峰值壓力也增大。呂鵬飛等［4］結(jié)合現(xiàn)場排污空間分析初始?jí)毫?duì)甲烷/空氣混合物爆燃特性的影響，采用FLUIDYN-MP多物理場數(shù)值模擬軟件，同樣分析出隨著初始?jí)毫υ龃螅逯祲毫?huì)急速增大，但達(dá)到峰值壓力時(shí)間會(huì)變長。

1.2 初始溫度對(duì)可燃?xì)怏w爆炸影響研究

初始溫度不同導(dǎo)致可燃?xì)怏w的爆炸性質(zhì)差異，通過研究其爆炸影響規(guī)律，便可以有效預(yù)防氣體爆炸?？扇?xì)怏w從泄漏擴(kuò)散到發(fā)生爆炸前，在封閉空間中擴(kuò)散形成可燃?xì)庠?，初始溫度越高，可燃?xì)怏w與周圍空氣交換速度越快，越有利于可燃?xì)庠频男纬珊途鶆蚧?］。結(jié)合甲烷與空氣混合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火焰速度隨初始溫度的升高而增加。黃子超［6］通過預(yù)混瓦斯氣體爆炸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)封閉空間內(nèi)初始溫度升高時(shí)，爆炸壓力峰值及持續(xù)時(shí)間會(huì)隨之減少，而瓦斯爆炸上限濃度隨之逐漸增大，下限濃度逐漸減小，導(dǎo)致爆炸極限范圍變大，更容易發(fā)生爆炸，初始溫度和瓦斯?jié)舛汝P(guān)系見表1。

表1 不同初始溫度條件下瓦斯爆炸極限濃度

1.3 點(diǎn)火情況對(duì)可燃?xì)怏w爆炸影響研究

點(diǎn)火研究一般分成點(diǎn)火位置和點(diǎn)火能量兩個(gè)方面研究。當(dāng)點(diǎn)火能量變大時(shí)，可燃?xì)怏w爆炸極限范圍也會(huì)變大?？扇?xì)怏w燃燒過程中，更高點(diǎn)火能量值會(huì)讓自由基生成速度變快，導(dǎo)致爆炸變得更劇烈。通過大量國內(nèi)外瓦斯爆炸試驗(yàn)，結(jié)果顯示，點(diǎn)火能量越高，混氣越容易被點(diǎn)燃，爆炸壓力峰值也越大。然而，相較于點(diǎn)火能量，點(diǎn)火位置更重要，不同位置點(diǎn)火，導(dǎo)致爆炸壓力有顯著區(qū)別。通過搭建球形爆炸容器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，明顯發(fā)現(xiàn)在球體中心位置點(diǎn)火，爆炸威力最大；同樣，有人用圓柱形爆炸容器實(shí)驗(yàn)，卻發(fā)現(xiàn)尾部點(diǎn)火爆炸威力最大?，F(xiàn)實(shí)生活中，方形空間居多，在方形規(guī)則爆室內(nèi)做爆炸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與球體類似，相比較在爆室四壁處點(diǎn)火，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在爆室中心處點(diǎn)火更加危險(xiǎn)，爆炸更加劇烈。CAO Y等［7］用氫氣活潑氣體做爆炸實(shí)驗(yàn)，明確提出在中心點(diǎn)火時(shí)，封閉空間內(nèi)火焰?zhèn)鞑ニ俣群头逯祲毫ψ畲蟆?/p>

1.4 當(dāng)量比對(duì)可燃?xì)怏w爆炸影響研究

甲烷與空氣的混合只有在一定混合比例范圍內(nèi)才能發(fā)生爆炸，且不同當(dāng)量比情況下，爆炸特性也有差異。李祥春等［8］用定容燃燒彈實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M甲烷不同濃度的爆炸反應(yīng)，提髙初始甲烷濃度，爆炸壓力也會(huì)隨之逐漸升高。在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)甲烷濃度升高，不僅影響爆炸壓力，火焰?zhèn)鞑ニ俣纫矔?huì)受到影響，先增大后減小。然而，在高承壓約束端面下，甲烷濃度對(duì)峰值壓力影響不大。當(dāng)在管道內(nèi)做不同濃度梯度條件下甲烷/空氣預(yù)混氣體燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)，火焰?zhèn)鞑?huì)發(fā)生爆燃轉(zhuǎn)爆轟現(xiàn)象，表明存在濃度梯度封閉空間內(nèi)可燃?xì)怏w燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥诳扇細(xì)怏w均勻分布情況下。

2 天然氣管廊泄爆技術(shù)研究

泄爆又稱爆炸泄放，在封閉空間設(shè)置開口，當(dāng)空間內(nèi)部達(dá)到一定壓力值，將未燃燒的可燃?xì)怏w、粉塵等混合物和燃燒的氣體排放到大氣中，從而降低爆炸產(chǎn)生的危害。泄爆過程受諸多因素影響，國內(nèi)外研究人員通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究分析，泄爆口面積、強(qiáng)度以及布置情況都是影響泄爆效果的重要因素。

2.1 泄爆口面積

泄爆口可以釋放掉內(nèi)部空間由于爆炸產(chǎn)生的能量，泄爆口面積大小直接決定能量泄放速率。通過研究甲烷爆炸超壓產(chǎn)生過程的影響，發(fā)現(xiàn)小尺寸泄爆口爆炸泄放能量所產(chǎn)生的超壓峰值最大，隨著泄爆口尺寸變大，爆炸容器的超壓值減小。同樣方法，SHENG Q等［9］用汽油作燃料在2 L的爆炸容器實(shí)驗(yàn)，研究泄爆口尺寸對(duì)汽油蒸汽爆炸的影響，得到類似結(jié)論，泄壓面積越小，爆室內(nèi)部火焰?zhèn)鞑ニ俣仍娇?，爆炸壓力越大。結(jié)合數(shù)值模擬研究，總結(jié)出爆室內(nèi)火焰?zhèn)鞑デ捌?，泄爆口面積與爆炸壓力和火焰?zhèn)鞑ニ俣瘸删€性關(guān)系；到火焰?zhèn)鞑ズ笃?，它們之間關(guān)系影響不大。

泄爆口面積作用規(guī)律適用于各種場合。姚元文［10］在方形結(jié)構(gòu)容器內(nèi)爆炸沖擊波傳播規(guī)律研究中，指出設(shè)置泄爆口會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生積極作用，并且泄爆效果會(huì)隨著泄爆口面積的增大而增大。同樣，用柱形容器研究泄爆特性，得到類似的結(jié)論。結(jié)合具體建筑物泄爆案例研究，TOMLIN G等［11］發(fā)現(xiàn)泄爆口尺寸和建筑物內(nèi)部的阻塞率也存在關(guān)聯(lián)，如果沒有足夠大泄爆尺寸及時(shí)排放爆炸能量，很低的阻塞率就能導(dǎo)致內(nèi)部空間超壓。

2.2 泄爆口布置情況

泄爆口布置影響封閉空間泄爆效果，尤其針對(duì)狹長空間。AJRASHMJ等［12］用一個(gè)30 m長的爆轟管道研究側(cè)向泄爆口位置對(duì)氣體爆炸的影響，發(fā)現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣群统瑝号c側(cè)向泄爆位置存在著顯著關(guān)聯(lián)，實(shí)驗(yàn)表明，泄爆口位置對(duì)應(yīng)的爆轟上游和下游均有明顯的壓力上升和火焰爆燃速度下降現(xiàn)象。黃明［13］通過球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型研究，探索泄爆口位置與泄爆效果之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，在封閉空間中高位泄爆口泄爆效果優(yōu)于低位泄爆口；在滿足功能的前提下應(yīng)減小洞口間的距離，以降低內(nèi)部爆炸荷載下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)合現(xiàn)場案例分析，研究地鐵站岀口的泄爆作用發(fā)現(xiàn)，岀口與起爆位置距離越近其泄爆作用越明顯。

2.3 泄爆口強(qiáng)度

泄爆口強(qiáng)度影響爆炸流場，泄爆口強(qiáng)度選擇也是泄爆口設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。文虎等［14］通過FLACS軟件，與天然氣爆炸實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，泄爆口處于封閉情況下，空間內(nèi)壓力達(dá)到一個(gè)峰值后會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定；而泄爆口處于開口情況下，空間內(nèi)壓力達(dá)到峰值會(huì)很快下降，從而看出泄爆口在封閉空間防爆應(yīng)用的意義。表2為不同泄爆口強(qiáng)度和火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊年P(guān)系，泄爆口開口情況下，火焰?zhèn)鞑ニ俣确逯底畲蟆UO J等［15］用圓柱形容器研究泄放壓力對(duì)氫/空氣混合物爆炸火焰?zhèn)鞑ズ统瑝旱挠绊?，研究發(fā)現(xiàn)，在較低泄放壓力下，爆炸過程中有4個(gè)壓力峰值，也是爆炸的4個(gè)階段：爆炸泄放階段、已燃?xì)怏w泄放、封閉空間內(nèi)快速消耗和爆炸真空狀態(tài)。CUI YY等［16］研究甲烷/空氣爆炸泄放的影響因素，得到類似結(jié)論，泄壓口承壓越大，空間內(nèi)的壓力峰值也隨之變大。

表2 不同泄爆口強(qiáng)度火焰?zhèn)鞑ヌ匦詳?shù)據(jù)

3 泄壓尺寸設(shè)計(jì)及泄爆設(shè)備研究

泄爆是將封閉空間氣體、粉塵爆炸能量及反應(yīng)產(chǎn)物安全排放，從而削減或完全控制爆炸帶來的破壞。泄爆技術(shù)是指通過泄爆設(shè)備將爆炸空間內(nèi)的超高壓能量和物質(zhì)排放到指定區(qū)域中，使反應(yīng)空間壓力迅速降低，以防運(yùn)輸或儲(chǔ)存可燃物質(zhì)設(shè)備爆炸，泄放裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)泄放面積。

3.1 泄爆口尺寸設(shè)計(jì)

合理的設(shè)計(jì)泄爆口將更有利于泄爆口發(fā)揮泄爆作用，從而更加顯著地提高結(jié)構(gòu)的安全性能。參照泄壓面積研究公式，用以定量描述泄壓面積與目標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系：

式中，V為爆室體積，Kv為泄壓面積比，Av為泄壓面積。

通過大量泄爆試驗(yàn)分析出爆室內(nèi)的最大爆炸壓力Pmax，與泄壓面積比Kv成負(fù)相關(guān)；ZHANG S等［17］結(jié)合數(shù)值模擬分析出最大爆炸壓力Pmax與泄壓面積比Kv的關(guān)系式：

泄爆技術(shù)一直是研究熱點(diǎn)，泄爆口設(shè)計(jì)也是防爆工程中的重要組成部分。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有相應(yīng)泄壓口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及要求，主要參考美國消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 68、原西德工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)VDI 3673和我國的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15605—2008。

3.2 泄壓設(shè)備研究

直接泄爆是將爆炸產(chǎn)物直接通過泄爆口向外排放，而現(xiàn)場工作人員發(fā)現(xiàn)從封閉空間中爆炸泄放反應(yīng)物及能量，排放到外界可能會(huì)發(fā)生二次爆炸。泄爆導(dǎo)管就是解決二次爆炸的比較常見的設(shè)備，目前較多應(yīng)用于工業(yè)泄爆技術(shù)中。天然氣管廊若采用泄爆技術(shù)，就可以使用泄爆導(dǎo)管，管廊位于地下，一般采取頂部泄爆，其出口必然位于地面，需借助泄爆導(dǎo)管將泄放的氣體引向安全場所后再排放，防止未燃?xì)怏w二次爆炸。

國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)管泄爆不是簡單在爆炸空間接上泄爆導(dǎo)管，不同規(guī)格泄爆導(dǎo)管也會(huì)影響泄爆效果，甚至?xí)尡ㄔ斐善茐淖兊酶鼝毫印ERRARAG等［18］對(duì)帶有導(dǎo)管的容器進(jìn)行了瓦斯爆炸數(shù)值模擬，通過改變點(diǎn)火位置、導(dǎo)管直徑和長度，發(fā)現(xiàn)爆炸加劇的主要原因是導(dǎo)管內(nèi)發(fā)生的劇烈二次爆炸引起的，而不是由導(dǎo)管流動(dòng)阻力或聲學(xué)增強(qiáng)引起的。喻健良等［19］搭建鋁粉燃爆容器，研究發(fā)現(xiàn)泄爆壓力峰值隨著泄爆膜動(dòng)作壓力的增大而上升，泄爆導(dǎo)管內(nèi)徑越大，封閉空間內(nèi)的泄爆壓力峰值越低。張慶武等［20］構(gòu)建了球形容器直接泄爆與導(dǎo)管泄爆實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，較系統(tǒng)地研究了甲烷/空氣爆炸導(dǎo)管泄爆機(jī)制，泄爆導(dǎo)管越長，內(nèi)部空間爆炸峰值壓力越大；導(dǎo)管泄爆時(shí)的峰值壓力高于直接泄爆時(shí)峰值壓力。

4 結(jié)論

天然氣管廊是運(yùn)輸天然氣等能源物質(zhì)的重要場所，對(duì)天然氣地下管廊火災(zāi)、爆炸特性及其泄爆技術(shù)研究對(duì)城市公共安全有著極其重要的意義。由于我國天然氣管廊建設(shè)起步較晚，加之現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)階段的研究結(jié)果多為一般規(guī)律，為了進(jìn)一步完善地下管廊可燃?xì)怏w爆炸災(zāi)害的研究，需著重解決以下問題：

1）結(jié)合天然氣管廊現(xiàn)場情況，分析狹長空間天然氣爆炸特性。目前天然氣爆炸研究大部分是實(shí)驗(yàn)研究和模擬分析，只能得出狹長空間爆炸一般規(guī)律（初始?jí)毫?、初始溫度、點(diǎn)火情況以及當(dāng)量比），要進(jìn)一步研究天然氣管廊爆炸特點(diǎn)，需考慮現(xiàn)場不確定因素（環(huán)境、結(jié)構(gòu)以及障礙物）。

2）結(jié)合天然氣管廊現(xiàn)場情況，研究地下狹長空間泄爆特性。國內(nèi)外學(xué)者大多數(shù)研究常規(guī)空間體（球體、圓柱以及長方體）泄爆效果，只能得出天然氣管廊泄爆一般特性（泄爆口面積、強(qiáng)度以及布置），而天然氣管廊屬于地下狹長空間，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受諸多因素影響（地勢、設(shè)計(jì)以及施工等）。

3）結(jié)合天然氣管廊現(xiàn)場情況，提出天然氣管廊導(dǎo)管泄爆思路。開發(fā)一種應(yīng)用于天然氣管廊導(dǎo)管泄爆技術(shù)（導(dǎo)管長徑比、導(dǎo)管數(shù)量、導(dǎo)管間距離等），建立導(dǎo)管泄爆設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)公式，以控制爆炸事故后果，維護(hù)城市管廊安全。