室內(nèi)燃氣爆炸荷載規(guī)律試驗研究

淦 家 平

(解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

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室內(nèi)燃氣爆炸荷載規(guī)律試驗研究

淦 家 平

(解放軍理工大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，江蘇 南京 210007)

通過建立野外燃氣爆炸試驗系統(tǒng)，分析了甲烷濃度、泄壓強度和泄壓面積對室內(nèi)燃氣爆炸荷載的影響，得到了室內(nèi)燃氣爆炸荷載的特性和變化規(guī)律，有利于了解室內(nèi)燃氣爆炸荷載規(guī)律和作用機理。

燃氣，爆炸荷載，甲烷，作用機理

隨著天然氣應用的普及，燃氣爆炸事故頻繁發(fā)生，對建筑結(jié)構(gòu)和人員造成了極為嚴重的傷害。1968年英國Radon Point公寓發(fā)生燃氣爆炸事故，造成了墻體和樓板連續(xù)性倒塌[1,2]。頻發(fā)的爆炸事故使得結(jié)構(gòu)在燃氣爆炸荷載下的抗爆問題成為了研究的熱點[3]。因此，對室內(nèi)燃氣爆炸荷載規(guī)律進行研究非常必要。

國內(nèi)外學者對燃氣爆炸荷載的產(chǎn)生機理和傳播規(guī)律進行了研究，并取得了一些成果。Cooper和Fairweather等[4]對燃氣泄爆狀態(tài)下荷載的產(chǎn)生機理進行了較為詳細的分析。王寶興和經(jīng)建生等[5]分析了一起嚴重的廚房天然氣爆炸事故，指出事故原因是室內(nèi)發(fā)生了聲振不穩(wěn)定燃燒。張秀華和王鈞等[6]利用有限元方法，對室內(nèi)燃氣爆炸沖擊波的特性及傳播規(guī)律進行了分析。本文對室內(nèi)燃氣爆炸荷載規(guī)律進行了試驗研究，分析了燃氣濃度、泄壓強度和泄壓面積對荷載的影響，有利于了解室內(nèi)燃氣爆炸荷載規(guī)律，并對進一步研究燃氣爆炸荷載下結(jié)構(gòu)的動力響應和破壞形態(tài)具有重要的實際意義。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

試驗場地應選擇野外的空曠場地。試驗系統(tǒng)由燃氣爆炸反應氣室、燃氣填充與濃度測定裝置、起爆裝置和數(shù)據(jù)采集裝置組成，如圖1所示。

1.2 試驗工況

本文主要研究了燃氣濃度、泄壓強度和泄壓面積對燃氣爆炸荷載的影響，試驗工況如表1所示。

表1 燃氣爆炸荷載試驗工況

2 試驗結(jié)果與分析

表2 燃氣爆炸壓力峰值(一)

2.1 甲烷濃度對室內(nèi)燃氣爆炸荷載的影響

本文所研究的燃氣爆炸是甲烷—空氣混合氣體的爆炸。甲烷—空氣混合氣體的爆炸極限為5%～15%[7]。工況1～工況8中的甲烷濃度分別為6.5%,7.5%,8.5%,9.5%,10.5%,11.5%,12.5%和13.5%，其他試驗條件完全相同。這8種工況的泄壓口封閉物均為5 mm厚的浮法玻璃，泄壓面積為800 mm×800 mm。8種工況得到的壓力時程曲線如圖2所示，壓力峰值情況如表2所示。

由圖2可以看出，當甲烷濃度為6.5%時，曲線存在三個明顯的壓力峰值。第一個峰值出現(xiàn)在0.37 s，大小為9.38 kPa，這個峰值與泄壓口封閉物的破壞有關(guān)。第二個壓力峰值出現(xiàn)在1.01 s，大小為1.12 kPa。在泄壓口打開之后，氣室內(nèi)部的燃燒反應還在進行，直到火焰到達氣室內(nèi)壁，反應速率不再增加，形成第二個峰值。第三個峰值出現(xiàn)在1.57 s，大小為5.94 kPa。這是由于氣室內(nèi)部發(fā)生了聲振不穩(wěn)定燃燒，在聲振波和燃燒波的耦合作用下，壓力繼續(xù)增加的結(jié)果。當濃度為7.5%,8.5%,9.5%和10.5%時，曲線存在兩個峰值。第一個峰值與泄壓口封閉物5 mm厚的浮法玻璃有關(guān)，第二個峰值是室內(nèi)發(fā)生聲振不穩(wěn)定燃燒的結(jié)果，且聲振壓力峰值要遠大于第一個峰值。當濃度為11.5%,12.5%和13.5%時，曲線只有一個明顯的壓力峰值，這個峰值僅與泄壓口封閉物有關(guān)。

由表2可以看出，當甲烷濃度由6.5%開始增加，燃氣爆炸壓力峰值也隨之增加；當濃度為9.5%時，爆炸反應最為劇烈，壓力峰值最大，可達133.41 kPa；當濃度高于9.5%時，壓力峰值開始降低；濃度為13.5%時，壓力峰值已經(jīng)降到很低的水平，只有6.26 kPa。這是由于甲烷的理論混合比是9.5%，這個濃度下的甲烷—空氣混合氣體可以完全反應，引起的聲振不穩(wěn)定燃燒也越劇烈，產(chǎn)生的能量最大，而甲烷量過多或過少都會導致不完全反應。

2.2 泄壓強度對室內(nèi)燃氣爆炸荷載的影響

工況9～工況17分別對泄壓口封閉物為4 mm,8 mm和12 mm浮法玻璃在甲烷濃度為6.5%,9.5%和12.5%條件下的燃氣爆炸荷載進行了研究。泄壓面積均為800 mm×800 mm。9種工況得到的壓力時程曲線如圖3所示，壓力峰值情況如表3所示。

由圖3可以看出，當濃度為6.5%時，曲線存在兩個壓力峰值，且第二個峰值遠遠小于第一個。當濃度為9.5%時，曲線有兩個壓力峰值，但是第二峰值大于第一個，這是由于室內(nèi)發(fā)生了聲振不穩(wěn)定燃燒。當濃度為12.5%時，曲線只有一個壓力峰值。由試驗可知當濃度不變時，僅改變玻璃板厚度，試驗得到的壓力時程曲線波形基本不變。

表3 燃氣爆炸壓力峰值(二)

由圖3和表3可以看出，在相同燃氣濃度下，隨著玻璃板厚度的增加，也即泄壓強度的增加，燃氣爆炸的第一個壓力峰值均隨之增大。如濃度為9.5%，泄壓口分別采用4 mm，8 mm，12 mm厚的浮法玻璃時，測得的第一個壓力峰值P1分別為20.19 kPa,31.26 kPa,65.18 kPa。這是由于浮法玻璃板越厚，其破壞強度越大，造成泄壓口被打開的時間也就越滯后的緣故，這就意味著燃氣的爆燃氣體被封閉的時間也越長，反應也就越充分、劇烈，積聚的壓力當然也隨之增長，同時第一個峰值壓力出現(xiàn)的時間也被推遲了。

2.3 泄壓面積對室內(nèi)燃氣爆炸荷載的影響

工況18和工況19的燃氣濃度分別為9.5%和12.5%，泄壓口封閉物采用5 mm厚的浮法玻璃，泄壓面積為1 100 mm×1 100 mm，與工況4和工況7相比，僅僅改變了泄壓面積，后者的泄壓面積是800 mm×800 mm。四種工況得到的壓力時程曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，工況18和工況4都有兩個壓力峰值，且第二個壓力峰值大于第一個；工況19和工況7均只有一個壓力峰值出現(xiàn)，這個峰值與泄壓口封閉物有關(guān)。這表明在濃度為9.5%和12.5%，泄壓口封閉物為5 mm厚的浮法玻璃時，改變泄壓面積，壓力時程曲線的波形保持不變。

3 結(jié)語

本文通過對室內(nèi)燃氣爆炸荷載規(guī)律進行試驗，結(jié)論如下：

1)室內(nèi)燃氣爆炸荷載與燃氣濃度、泄壓強度和泄壓面積都有關(guān)系。

2)甲烷濃度較低時，燃氣爆炸很有可能引起聲振不穩(wěn)定燃燒，形成聲振壓力峰值；甲烷濃度較高時，聲振現(xiàn)象不容易出現(xiàn)，最大壓力峰值僅與泄壓口封閉物有關(guān)。甲烷濃度為9.5%時，符合甲烷的理論混合比，爆炸反應最為劇烈，聲振壓力峰值最大，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞作用最大。

3)當濃度不變時，僅改變泄壓強度，試驗得到的壓力時程曲線波形基本不變。增大泄壓強度，能夠?qū)е屡c泄壓口封閉物有關(guān)的第一個壓力峰值明顯增大，但是對由聲振不穩(wěn)定燃燒引起的第二個壓力峰值影響不大。

4)改變泄壓面積，壓力時程曲線波形基本不變。增大泄壓面積會導致第一個壓力峰值略微降低，而第二個聲振壓力峰值則會大幅降低。因此，在實際應用中增大結(jié)構(gòu)泄壓面積，有利于減小燃氣爆炸引起的危害。

[1] 郭文軍，江見鯨.城市燃氣爆炸事故及其防治對策[J].煤氣與熱力，1998,18(3):41-43.

[2] 郭文軍，江見鯨，崔京浩.民用建筑結(jié)構(gòu)燃爆事故及防災措施[J].災害學，1999,14(3):79-82.

[3] 李忠獻，劉志俠，丁 陽.爆炸荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)的動力響應與破壞模式[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2008，29(4)：106-111.

[4] Cooper M G, Fairweather M, Tite J P. On the mechanisms of Pressure Generation in Vented Explosions[J]. Combustion and Flame,1986(65)：1-14.

[5] 王寶興，經(jīng)建生，王榮基.廚房發(fā)生嚴重天然氣爆炸的可能原因[J].消防技術(shù)與科學,2007,26(6):702-703.

[6] 張秀華，王 鈞，趙金友.室內(nèi)燃氣爆炸沖擊波的特性及傳播規(guī)律[J].工程力學,2014,31(6):258-264.

[7] 田貫三，于 暢，李興泉.燃氣爆炸極限計算方法的研究[J].煤氣與熱力,2006,26(3):29-33.

Experimental investigation on regularity of internal gas blast loading

Gan Jiaping

(StateKeyLaboratoryofDisasterPrevention&MitigationofExploration&Impact,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

According to the outdoor gas blast experimental system, the paper analyzes the influence of the methane concentration, intensity of pressure, and pressure coverage on the indoor gas blast loading, concludes the features of the indoor gas blast and its changing law, so as to enhance the understanding about the load law for the indoor gas blast and its role mechanism.

gas, blast load, methane, role mechanism

1009-6825(2017)13-0032-03

2017-02-23

淦家平(1991- )，男，在讀碩士

X932

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