天然气管廊爆炸特性及泄爆技术研究综述*

周星 郝永梅 杨健 邢志祥 吴凡 蒋军成

（1.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164；2.常州港华燃气有限公司，江苏 常州 213161）

0 引言

随着我国城市化进程不断推进，城市地下不断被开发利用，缓解了城市拥挤状况，地面上的管道慢慢转到地下，城市地下综合管廊应运而生，天然气管道也很快纳入综合管廊［1］。天然气属于可燃性气体，当与适量空气混合，在受限空间内会发生爆炸。地下管廊满足受限空间条件，而且地下管廊一般会有很多开口和外界相通，用于地下管廊内部通风或物料投放，地下管廊有足够空气；天然气管道投入使用过程中，可能会受到施工损伤、焊接缺陷、腐蚀等多种因素干扰，容易发生天然气泄漏到管廊、坑道等狭长受限空间，遇点火源发生爆炸事故。如2021年6月13日，湖北十堰市天然气泄漏，未及时处理，引发爆炸，造成11人遇难，37人重伤。由此可见，天然气管廊安全建设是城市安全建设重要一环。国内外学者做了大量关于天然气爆炸特性与泄爆技术研究。基于此，通过文献调研的方法，对地下管廊安全防护技术研究现状进行系统整理与讨论，为天然气管廊安全工程提供理论依据。

1 天然气管廊爆炸特性研究

天然气的主要可燃成分为甲烷，天然气爆炸是甲烷和空气在一定比例下，遇足够能量火源，混合气体在局限空间内发生剧烈反应的过程。天然气在空气中的爆炸极限下限为4.75%，上限为14.75%［2］。天然气管廊中，主要爆炸反应物为甲烷；天然气发生爆炸时，甲烷完全反应情况下，基本反应方程式为：

天然气管廊爆炸特性研究，其实就是甲烷在受限空间内与空气混合爆炸特性的研究。国内外学者研究甲烷爆炸性质，主要通过实验法和模拟法。实验法，搭建实验平台，再通过设备采集爆炸数据（火焰形状、传播速度等）；模拟法，结合实验数据编程分析爆炸特性，或者通过建立模型模拟仿真，再采集模拟数据分析。

1.1 初始压力对可燃气体爆炸影响研究

不同初始压力环境下，可燃气体的爆炸特性是有差异的。使用VISUALBASIC语言编程分析爆轰，发现初始压力对可燃气体混合物爆轰参数的影响明显大于初始温度。谢烽等［3］通过甲烷/空气预混气体燃烧实验，研究发现随着初始压力增大，在反应过程中封闭空间内的压力上升速率增大，峰值压力也增大。吕鹏飞等［4］结合现场排污空间分析初始压力对甲烷/空气混合物爆燃特性的影响，采用FLUIDYN-MP多物理场数值模拟软件，同样分析出随着初始压力增大，峰值压力会急速增大，但达到峰值压力时间会变长。

1.2 初始温度对可燃气体爆炸影响研究

初始温度不同导致可燃气体的爆炸性质差异，通过研究其爆炸影响规律，便可以有效预防气体爆炸。可燃气体从泄漏扩散到发生爆炸前，在封闭空间中扩散形成可燃气云，初始温度越高，可燃气体与周围空气交换速度越快，越有利于可燃气云的形成和均匀化［5］。结合甲烷与空气混合试验，发现火焰速度随初始温度的升高而增加。黄子超［6］通过预混瓦斯气体爆炸实验，发现当封闭空间内初始温度升高时，爆炸压力峰值及持续时间会随之减少，而瓦斯爆炸上限浓度随之逐渐增大，下限浓度逐渐减小，导致爆炸极限范围变大，更容易发生爆炸，初始温度和瓦斯浓度关系见表1。

表1 不同初始温度条件下瓦斯爆炸极限浓度

1.3 点火情况对可燃气体爆炸影响研究

点火研究一般分成点火位置和点火能量两个方面研究。当点火能量变大时，可燃气体爆炸极限范围也会变大。可燃气体燃烧过程中，更高点火能量值会让自由基生成速度变快，导致爆炸变得更剧烈。通过大量国内外瓦斯爆炸试验，结果显示，点火能量越高，混气越容易被点燃，爆炸压力峰值也越大。然而，相较于点火能量，点火位置更重要，不同位置点火，导致爆炸压力有显著区别。通过搭建球形爆炸容器实验平台，明显发现在球体中心位置点火，爆炸威力最大；同样，有人用圆柱形爆炸容器实验，却发现尾部点火爆炸威力最大。现实生活中，方形空间居多，在方形规则爆室内做爆炸实验，实验结果与球体类似，相比较在爆室四壁处点火，实验发现在爆室中心处点火更加危险，爆炸更加剧烈。CAO Y等［7］用氢气活泼气体做爆炸实验，明确提出在中心点火时，封闭空间内火焰传播速度和峰值压力最大。

1.4 当量比对可燃气体爆炸影响研究

甲烷与空气的混合只有在一定混合比例范围内才能发生爆炸，且不同当量比情况下，爆炸特性也有差异。李祥春等［8］用定容燃烧弹实验模型模拟甲烷不同浓度的爆炸反应，提髙初始甲烷浓度，爆炸压力也会随之逐渐升高。在实验研究中发现甲烷浓度升高，不仅影响爆炸压力，火焰传播速度也会受到影响，先增大后减小。然而，在高承压约束端面下，甲烷浓度对峰值压力影响不大。当在管道内做不同浓度梯度条件下甲烷/空气预混气体燃烧实验时，火焰传播会发生爆燃转爆轰现象，表明存在浓度梯度封闭空间内可燃气体燃烧火焰传播速度大于可燃气体均匀分布情况下。

2 天然气管廊泄爆技术研究

泄爆又称爆炸泄放，在封闭空间设置开口，当空间内部达到一定压力值，将未燃烧的可燃气体、粉尘等混合物和燃烧的气体排放到大气中，从而降低爆炸产生的危害。泄爆过程受诸多因素影响，国内外研究人员通过数值模拟和试验进行了大量的研究分析，泄爆口面积、强度以及布置情况都是影响泄爆效果的重要因素。

2.1 泄爆口面积

泄爆口可以释放掉内部空间由于爆炸产生的能量，泄爆口面积大小直接决定能量泄放速率。通过研究甲烷爆炸超压产生过程的影响，发现小尺寸泄爆口爆炸泄放能量所产生的超压峰值最大，随着泄爆口尺寸变大，爆炸容器的超压值减小。同样方法，SHENG Q等［9］用汽油作燃料在2 L的爆炸容器实验，研究泄爆口尺寸对汽油蒸汽爆炸的影响，得到类似结论，泄压面积越小，爆室内部火焰传播速度越快，爆炸压力越大。结合数值模拟研究，总结出爆室内火焰传播前期，泄爆口面积与爆炸压力和火焰传播速度成线性关系；到火焰传播后期，它们之间关系影响不大。

泄爆口面积作用规律适用于各种场合。姚元文［10］在方形结构容器内爆炸冲击波传播规律研究中，指出设置泄爆口会对结构的安全性产生积极作用，并且泄爆效果会随着泄爆口面积的增大而增大。同样，用柱形容器研究泄爆特性，得到类似的结论。结合具体建筑物泄爆案例研究，TOMLIN G等［11］发现泄爆口尺寸和建筑物内部的阻塞率也存在关联，如果没有足够大泄爆尺寸及时排放爆炸能量，很低的阻塞率就能导致内部空间超压。

2.2 泄爆口布置情况

泄爆口布置影响封闭空间泄爆效果，尤其针对狭长空间。AJRASHMJ等［12］用一个30 m长的爆轰管道研究侧向泄爆口位置对气体爆炸的影响，发现火焰传播速度和超压与侧向泄爆位置存在着显著关联，实验表明，泄爆口位置对应的爆轰上游和下游均有明显的压力上升和火焰爆燃速度下降现象。黄明［13］通过球面网壳结构模型研究，探索泄爆口位置与泄爆效果之间的关系，研究发现，在封闭空间中高位泄爆口泄爆效果优于低位泄爆口；在满足功能的前提下应减小洞口间的距离，以降低内部爆炸荷载下结构的动力响应。结合现场案例分析，研究地铁站岀口的泄爆作用发现，岀口与起爆位置距离越近其泄爆作用越明显。

2.3 泄爆口强度

泄爆口强度影响爆炸流场，泄爆口强度选择也是泄爆口设计的重要环节。文虎等［14］通过FLACS软件，与天然气爆炸实验对比分析，泄爆口处于封闭情况下，空间内压力达到一个峰值后会保持相对稳定；而泄爆口处于开口情况下，空间内压力达到峰值会很快下降，从而看出泄爆口在封闭空间防爆应用的意义。表2为不同泄爆口强度和火焰传播速度的关系，泄爆口开口情况下，火焰传播速度峰值最大。GUO J等［15］用圆柱形容器研究泄放压力对氢/空气混合物爆炸火焰传播和超压的影响，研究发现，在较低泄放压力下，爆炸过程中有4个压力峰值，也是爆炸的4个阶段：爆炸泄放阶段、已燃气体泄放、封闭空间内快速消耗和爆炸真空状态。CUI YY等［16］研究甲烷/空气爆炸泄放的影响因素，得到类似结论，泄压口承压越大，空间内的压力峰值也随之变大。

表2 不同泄爆口强度火焰传播特性数据

3 泄压尺寸设计及泄爆设备研究

泄爆是将封闭空间气体、粉尘爆炸能量及反应产物安全排放，从而削减或完全控制爆炸带来的破坏。泄爆技术是指通过泄爆设备将爆炸空间内的超高压能量和物质排放到指定区域中，使反应空间压力迅速降低，以防运输或储存可燃物质设备爆炸，泄放装置设计的关键是合理设计泄放面积。

3.1 泄爆口尺寸设计

合理的设计泄爆口将更有利于泄爆口发挥泄爆作用，从而更加显著地提高结构的安全性能。参照泄压面积研究公式，用以定量描述泄压面积与目标参数之间的关系：

式中，V为爆室体积，Kv为泄压面积比，Av为泄压面积。

通过大量泄爆试验分析出爆室内的最大爆炸压力Pmax，与泄压面积比Kv成负相关；ZHANG S等［17］结合数值模拟分析出最大爆炸压力Pmax与泄压面积比Kv的关系式：

泄爆技术一直是研究热点，泄爆口设计也是防爆工程中的重要组成部分。国内外标准有相应泄压口设计标准及要求，主要参考美国消防协会标准NFPA 68、原西德工程师协会标准VDI 3673和我国的标准GB/T 15605—2008。

3.2 泄压设备研究

直接泄爆是将爆炸产物直接通过泄爆口向外排放，而现场工作人员发现从封闭空间中爆炸泄放反应物及能量，排放到外界可能会发生二次爆炸。泄爆导管就是解决二次爆炸的比较常见的设备，目前较多应用于工业泄爆技术中。天然气管廊若采用泄爆技术，就可以使用泄爆导管，管廊位于地下，一般采取顶部泄爆，其出口必然位于地面，需借助泄爆导管将泄放的气体引向安全场所后再排放，防止未燃气体二次爆炸。

国内外学者研究发现，导管泄爆不是简单在爆炸空间接上泄爆导管，不同规格泄爆导管也会影响泄爆效果，甚至会让爆炸造成破坏变得更恶劣。FERRARAG等［18］对带有导管的容器进行了瓦斯爆炸数值模拟，通过改变点火位置、导管直径和长度，发现爆炸加剧的主要原因是导管内发生的剧烈二次爆炸引起的，而不是由导管流动阻力或声学增强引起的。喻健良等［19］搭建铝粉燃爆容器，研究发现泄爆压力峰值随着泄爆膜动作压力的增大而上升，泄爆导管内径越大，封闭空间内的泄爆压力峰值越低。张庆武等［20］构建了球形容器直接泄爆与导管泄爆实验平台，较系统地研究了甲烷/空气爆炸导管泄爆机制，泄爆导管越长，内部空间爆炸峰值压力越大；导管泄爆时的峰值压力高于直接泄爆时峰值压力。

4 结论

天然气管廊是运输天然气等能源物质的重要场所，对天然气地下管廊火灾、爆炸特性及其泄爆技术研究对城市公共安全有着极其重要的意义。由于我国天然气管廊建设起步较晚，加之现场环境比较复杂，现阶段的研究结果多为一般规律，为了进一步完善地下管廊可燃气体爆炸灾害的研究，需着重解决以下问题：

1）结合天然气管廊现场情况，分析狭长空间天然气爆炸特性。目前天然气爆炸研究大部分是实验研究和模拟分析，只能得出狭长空间爆炸一般规律（初始压力、初始温度、点火情况以及当量比），要进一步研究天然气管廊爆炸特点，需考虑现场不确定因素（环境、结构以及障碍物）。

2）结合天然气管廊现场情况，研究地下狭长空间泄爆特性。国内外学者大多数研究常规空间体（球体、圆柱以及长方体）泄爆效果，只能得出天然气管廊泄爆一般特性（泄爆口面积、强度以及布置），而天然气管廊属于地下狭长空间，结构复杂，受诸多因素影响（地势、设计以及施工等）。

3）结合天然气管廊现场情况，提出天然气管廊导管泄爆思路。开发一种应用于天然气管廊导管泄爆技术（导管长径比、导管数量、导管间距离等），建立导管泄爆设计关联公式，以控制爆炸事故后果，维护城市管廊安全。