城市排水涵道油气混合气体爆炸研究现状及展望

杨 凯，吕淑然，杨 进

（1.首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京 100070；2.中国寰球工程公司，北京 100012）

随着我国城镇化进程与城市建设规模的发展，城市规划与城市建设发展不匹配、不协调的现象也越来越突出，在构筑城市生命线的各类管网的规划布局方面则更为显著，其中危险性、风险性极高的油气运输管道与各种市政管网以及与居民区、街道、学校等各种大规模人员聚集区未能科学合理布局，出现诸如：油气运输管道与各种市政管网等距离近或交叉布置，城市基础设施压占油气运输管道，甚至有的油气运输管道从居民社区、学校、厂区地下穿过。油气运输管道与市政管网、暗渠交叉，甚至出现油气运输管道在排水涵道内悬空架设，这些管道一旦腐蚀或因外力破坏而发生泄漏，泄漏的油气将直接进入排水涵道，并在涵道内流淌蔓延。同时，油气运输管道与居民区、学校的安全距离不符合规范要求，一旦油气泄漏并在排水涵道内发生爆炸，将对居民及城市的安全构成巨大威胁。

国内外关于油气管道和储库泄漏，大量油气进入下水涵道进而引起严重爆炸的事故屡有发生，如：1985年6月27日，重庆市中区、大溪沟、罗家院一带曾发生轰动全国的下水道爆炸事故，造成人员重大伤亡，这次事故的原因不是沼气的积累，而是由于85号汽油大量漏入下水道中，遇到明火而引起的爆炸；1992年4月22日，墨西哥瓜达拉哈拉市发生过一次油气大爆炸事故，造成200多人死亡、1 470人受伤、多人失踪，1 124座住宅、450多家商店、600多辆汽车、8km 长的街道以及通信和输电线路被毁坏，造成事故的主要原因是汽油运输管道与市政管道的接触处发生腐蚀，造成汽油泄漏进而引发污水排放管道的爆炸；1995年8月20日，在侯马市的繁华地区400多米路段的下水道发生了强烈的爆炸，此次爆炸事故的原因是可燃液体（汽油）泄漏进入下水道，遇明火后引起爆炸；2001年10月30日，安徽省滁州市城区某加油站汽油泄漏，引起市政排污管道爆炸并多处起火，爆炸点91处，长度达1 800m；2010年1月11日，南京白下区柏果树47号附近路面疑因地下管道气体泄漏爆炸，导致地面2～3m2塌陷，现场地下管道错综复杂且附近有高压电缆，爆炸原因无法确定；2012年12月31日，湖南省永顺县因为汽油流入下水管道发生爆炸事故，经调查发现事故原因为该县某加油站工作人员在油罐转油过程中违规操作，汽油溢出后经加油站排水沟流入城区下水道燃烧并引发轻微爆炸，最终造成2人死亡；2013年11月22日，山东省青岛市“11·22”中石化东黄输油管道泄漏爆炸特别重大事故，导致62人死亡、136人受伤，造成事故的原因是输油管道破裂导致原油泄漏，原油部分反冲出路面，大部分从泄漏处直接进入排水暗渠，最终造成数千米暗渠发生爆炸事故；等等［1-4］。针对山东省青岛市“11·22”石油泄漏爆炸事故，国务院关于“山东省青岛市‘11·22’中石化东黄输油管道泄漏爆炸特别重大事故调查报告的批复”中要求：吸取事故教训，加快安全保障技术研究，健全完善安全标准规范；深入研究油气管道可能发生事故的成因机理，开展油气管道长周期运行、泄漏检测报警、泄漏处置和应急技术研究，提高油气管道安全保障能力［5］。基于上述事故原因和事故处理意见，有必要对石油泄漏进入下水涵道内发生爆炸的机理、石油蒸汽在排水涵道内的爆炸机理进行深入的研究，进而为保证石化行业安全生产提供理论支持。

1 国内外研究现状

目前，国内外对油气混合物爆炸主要针对爆炸性混合气体的爆炸机理以及爆炸指数、爆炸极限、爆炸在不同受限空间内的传播机理等方面进行了研究，主要采用实验研究和数值仿真计算等研究方法，研究主要集中于石油天然气罐区、地下储库、油气运输管道等场所的油气泄漏爆炸，而关于下水涵道内气体爆炸的研究主要集中于城市地下排水涵道内有毒易爆气体的监测和气体爆炸风险评估模型的建立等方面［6-9］。

1.1 沼气与油气在排水涵道内的聚集和运移规律研究

目前我国城市污水管道和雨水管道都是共用一条管道，而根据我国居民的生活习惯，在排放的城市生活污水中包含大量的食用油污、餐厨垃圾等有机物，这些食用油污、有机物是地下沼气的主要来源；同时，在临近加油站、汽车修理厂附近的地面上聚集了大量汽油、机油等油污，这些油污在下雨季节会随着雨水排入城市污水管道，在排水涵道内与食用油污等有机物共同作用，形成复杂的油气混合物，其主要成分有甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）等有毒易燃易爆气体。因此，国内污水管道或窨井发生爆炸的事故时有发生，如2008年6月广东湛江下水管道发生连环爆炸；2011年12 月香港牛池湾新清水湾道一个水管接驳工程地盘发生一起沼气爆炸事故，造成一死三伤的惨剧；2014年8 月台湾高雄市前镇区多条街道陆续发生可燃气体外泄，并引发排水涵道多次大爆炸，造成多人伤亡。

我国学者对城市污水管道内气体爆炸进行了一些研究，如李代明［10］对城市下水道爆炸的特点和原因进行了研究，提出了处置下水道爆炸应采取的措施；米莉［11］对城市下水道气体爆炸风险评估开展了研究，基于现有下水道气体的安全管理经验，建立了城市下水道气体爆炸半定量风险评估模型，认为城市下水道气体爆炸风险是可燃气体积聚可能性与爆炸后果的综合体现；胡修稳［12］对重庆主城区污水管道气体安全风险评估模型进行了研究，从理论上分析了影响爆炸的因素，并基于爆炸波模型，计算了污水管道体系的爆炸极限；方德琼［13］对山地城市污水管道中有害气体的检测及分布规律开展了研究。由于国外污水管道发生爆炸事故少，因此国外对排污管道爆炸方面的研究很少，只有Sayers Source［14］研究认为下水道内可能存在CH4、H2S、氨气（NH3）、氢气（H2）、CO等内源性气体，还可能存在由于企业排放或居民倾倒而产生的外源性气体，如苯、二甲苯、乙醇、挥发性有机物等；Lim 等［15］对排污管道的污水收集系统中用于气体检测的传感器进行了研究；等等。目前研究得出排水涵道内气体分布和浓度变化与环境、压力、检测位置有关，但是对排水涵道内气体的聚集和转移规律还没有系统的研究。由于排水涵道的尺寸、形状的不同，涵道铺设时的坡度也不一样，有缓坡式的，也有台阶式的；有的排水涵道因排水量大，从而形成对气体的堵塞，这些都是影响涵道内气体聚集的因素，这也是在上千米的排水涵道内不同的地方相继发生爆炸且爆炸危害程度不同的原因。

1.2 石油蒸汽与沼气形成的多元性混合物爆炸机理研究

国内有关对油气混合物爆炸机理的研究主要是针对石油蒸汽中一二种气体与空气形成的混合物的爆炸特性进行的研究。如蒋勇等［16］对烷烃类燃料与空气的预混气着火过程进行了数值预测，研究了在不同点火温度、不同当量比和不同压力下的着火延迟时间，同时预测了火焰中反应物、主产物、自由基浓度以及温度变化的时间进程；胡洪宣等［17］对输油管道中汽油蒸汽爆炸的规律进行了研究，建立了简化的流动耦合化学反应机理的湍流燃烧模型，以有限体积法求解爆炸流动及反应控制方程，对二维压力管道中汽油蒸汽爆炸的过程及规律进行了数值模拟；Razus等［18］研究了液化石油气-空气混合物在密闭容器中的爆炸特性，得出爆炸参数对环境压力和混合比依赖性较大的结论；Movileanu等［19］研究了气体乙烯-空气混合物在密闭圆形容器中中间点火时的爆炸情况，得出爆燃指数受压力、浓度和容器的影响很大；Huzayyin等［20］对液化石油气-空气和丙烷-空气混合物的层流燃烧速度和爆炸指数进行了试验研究，并研究了混合气体的层流燃烧速度随温度、压力、当量比的变化情况，从而得到混合气体的爆炸指数，为危险废弃物防爆和储油罐通风提供了依据；Salzano等［21］对氢-甲烷-空气混合物在不同混合比和不同初始压力下的爆炸行为进行了试验研究，得到了包括最大压力、最大压力增长速度、燃烧速度等爆炸参数，并通过公式可以对燃烧情况进行预测；Dufaud等［22］研究了蒸汽-粉尘混合物的爆炸与蒸汽爆炸和粉尘爆炸的不同，得到了混合物促进了燃烧动力和爆炸压力增长，蒸汽的加入可以影响爆炸极限范围等结论。

然而，上述研究中一个重要不足就是没有涉及对石油蒸汽与排水涵道内沼气和空气形成的多元性油气混合物的爆炸机理的研究。由于轻质石油的蒸汽以C2～C6烷类气体为主，而沼气由CH4、CO2、CO、H2S、NH3、N2等有毒易燃易爆气体组成，并且普遍存在于城市地下的排水涵道内，当石油蒸汽与沼气-空气形成多元性油气混合物后，沼气中的CH4、CO、H2S等可燃性气体含量在理论上会增加石油蒸汽的爆炸极限范围，而CO2、N2等惰性气体含量则会对爆炸有抑制作用。当石油蒸汽与沼气形成的多元性混合物爆炸时，与单独一种气体相比，其爆炸极限范围将出现增加或减少的现象，而初始压力、环境温度、油气当量比对混合物爆炸的影响也将发生改变，爆炸点火能量也将有所不同，因此可以推断石油蒸汽与沼气形成的多元性混合物的爆炸极限范围和爆炸点火能量都将与一二种气体混合物的爆炸不同。

1.3 油气混合物爆炸在管道等受限空间内的传播规律研究

国内外一些学者对油气混合物爆炸在管道等受限空间内的传播规律进行了研究。如周凯元等［23］对丙烷-空气爆燃波的火焰面在直管道中加速运动的规律及其影响因素进行了初步试验研究，包括爆燃火焰在光滑内壁管道中的传播状况，管道直径和点火能量的变化以及当管道内有障碍物时对火焰加速度的影响；蒋新生等［24］对油气混合物在复杂受限空间中主坑道爆炸波发展进行了数值模拟试验研究，得出了湍流对爆炸特性的影响机理；毕明树等［25］对管道内可燃气体爆燃进行了一维数值模拟，获得了不同时刻爆燃的压力场、温度场、密度场，并讨论了可燃气体活性、组分以及管道长度对爆燃压力和压力上升速率的影响；Emami等［26］对氢-空气预混和氢-甲烷-空气混合物在90°弯管中的爆炸进行了试验研究，得到了爆炸产生的火焰速度、火焰传播和超压等参数；Razus等［27］对碳氢化合物-空气混合物在密闭容器中的爆炸压力进行了研究，测试了不同长度和直径比下的圆柱形容器中的压力值；Gieras等［28］研究了燃烧室容积对己烷-空气混合物的爆炸上限的影响，得出随着液滴平均粒径和燃烧室容积的增加，气体爆炸上限也在增加；Tauseef等［29］利用流体力学理论对液化石油气蒸汽云的爆炸进行了研究，并考察了障碍物的形状对蒸汽云爆炸威力的影响以及障碍物产生的湍流对爆炸火焰传播速度的影响；Náinna等［30］研究了管道中两个障碍物形成的不同分割间距对火焰传播和爆炸威力产生的影响。

以上研究只是针对爆炸腔室尺寸、形状以及爆炸腔室内固体障碍物位置改变对爆炸机理和爆炸传播规律的影响进行的试验模型研究，但没有考虑爆炸腔室内的水等液体对爆炸极限和爆炸传播规律的作用。由于城市地下的排水涵道本身的尺寸和形状各异，加之排水涵道内还含有污泥和污水，污泥对排水涵道的尺寸会有影响，而涵道内污水液面的不同也对爆炸极限、爆炸超压、爆炸指数、最大压力增长速度、燃烧速度与爆炸传播规律会产生一定的影响。

2 研究展望

总之，针对目前城市排水涵道内的油气混合物爆炸研究方面仍存在的问题，今后应当重点开展以下方面的研究：

（1）开展排水涵道内气体聚集和运移规律的系统研究，从而有针对性地对油气易聚集的地方进行检测和预防。

（2）开展排水涵道内的沼气对石油蒸汽爆炸极限、点火能量等爆炸特性参数的影响研究，这对预防城市排水涵道内油气混合气体爆炸有着重要的意义。

（3）开展石油蒸汽在下水涵道内的爆炸传播规律研究，从而为通过控制涵道内的水位来控制爆炸产生的危害提供理论支持。

通过以上研究，不仅能够对预防油气混合物在排水涵道内发生爆炸起到促进作用，而且还可以根据气体在排水涵道内的聚集规律有针对性地对涵道内的气体进行监测，提出有效的防治技术并促进相关学科理论的完善，具有重要的学术意义。

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