埋地管道易燃易爆介質(zhì)爆炸極限聚集空腔的計(jì)算與分析

秦瑞紅，黃曉亮，黃漫

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450016）

在我國，壓力容器與鍋爐安全管理已建立一整套安全保證體系，近幾年安全事故大為減少，但埋地壓力管道安全事故時(shí)有發(fā)生，這種事故的發(fā)生大多都是管道泄漏引起的，埋地管道泄漏的介質(zhì)流入腔體，在腔體內(nèi)與空氣混合形成爆炸氣云，遇到明火發(fā)生爆炸。因爆炸威力與管道泄漏形成的爆炸氣體空腔體積成正比，重點(diǎn)是在容易形成爆炸極限的氣體空腔中設(shè)置可燃?xì)怏w探頭或巡檢空腔中是否有可燃?xì)怏w，一旦發(fā)現(xiàn)空腔中有可燃?xì)怏w，能準(zhǔn)確追蹤找到泄漏點(diǎn)，給予及時(shí)的修復(fù)，以防止爆炸事故的發(fā)生。根據(jù)國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)及模擬研究可知，天然氣泄漏后可以在氣體集聚空腔內(nèi)形成蒸氣云。目前，蒸氣云爆炸的常用理論分析方法TNT當(dāng)量法、TNO多能法、Baker-Strehlow模型。其中，TNT當(dāng)量法是將已知能量的可燃燃料等同于當(dāng)量質(zhì)量TNT的一種簡(jiǎn)單而成熟的經(jīng)典方法，本次研究采用TNT當(dāng)量法對(duì)爆炸能量、沖擊波壓力及死亡半徑進(jìn)行計(jì)算。

1 爆炸能量計(jì)算

天然氣泄漏后與空氣混合形成可燃蒸氣云，通過TNT當(dāng)量法對(duì)蒸氣云爆炸能量進(jìn)行預(yù)測(cè)。式（1）是蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量WTNT估算公式：

式中，WTNT為蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；

A為當(dāng)量系數(shù)，取0．04；

Wf為氣體集聚空腔內(nèi)天然氣總質(zhì)量，kg；

Qf為天然氣燃燒熱，kJ/kg；

QTNT 為 TNT爆炸熱，kJ/kg，取 4．52×103kJ/kg；

ρ為天然氣密度，kg/m3，其值為0．764 kg/m3；

V為氣體集聚空腔體積，m3。

2 沖擊波超壓計(jì)算

對(duì)距爆炸中心某一距離進(jìn)行等效，從而計(jì)算該處的爆炸壓力。等效距離用式（3）計(jì)算：

式中：RL為離爆炸點(diǎn)的實(shí)際距離，m；

R為RL的等效距離，m。

由此可以計(jì)算出RL處產(chǎn)生的沖擊波壓力△p：

△p或R相關(guān)系數(shù)k1和k2取值范圍具體見表1。

表1 沖擊波壓力的計(jì)算系數(shù)

3 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域計(jì)算

根據(jù)蒸氣云TNT當(dāng)時(shí)值，選用超壓-沖量標(biāo)準(zhǔn)粗算死亡區(qū)半徑，選用超壓標(biāo)準(zhǔn)粗算重傷區(qū)半徑及輕傷區(qū)半徑。假設(shè)爆炸沖擊波以同心圓向外傳播，R≤R1為死亡區(qū)半徑，R1表示爆炸死亡幾率為50%時(shí)對(duì)應(yīng)的半徑大小，它與爆炸能量間的關(guān)系式由式（5）確定：

設(shè)R1≤R≤R2為重傷區(qū)半徑，重傷是指人體耳膜破損，R2表示受到重傷幾率為50%時(shí)的半徑大小，要求沖擊波峰值超壓為44 kPa。應(yīng)用超壓準(zhǔn)則，△p由式（6）計(jì)算：

式中：R2為重傷區(qū)外邊界半徑，m；

P0為環(huán)境壓力，Pa，取101325Pa；

E為爆炸產(chǎn)生的總能量，J。

設(shè)R2≤R≤R3為輕傷區(qū)半徑，輕傷是指爆炸至耳膜破損幾率為1%，R3表示爆炸至耳膜破損幾率為1%時(shí)的輕傷區(qū)外界半徑大小，要求沖擊波峰值超壓為17 kPa。計(jì)算R3仍采用式（6）、（7）、（8）來計(jì)算（式中R2換成R3）。

4 爆炸定量及危險(xiǎn)區(qū)半徑計(jì)算分析

運(yùn)用式（1）～（8）計(jì)算出不同氣體集聚空腔下的爆炸量和爆炸危險(xiǎn)區(qū)半徑，并計(jì)算距離爆炸中心5m 處的房屋外墻所受到的爆炸沖擊波壓力。

表2 不同氣體集聚空腔下的爆炸能量、爆炸危險(xiǎn)半徑結(jié)果

從表2可看出，爆炸產(chǎn)生的爆炸沖擊波壓力隨著氣體集聚空腔體積增加而增加，同一位置爆炸沖擊波增強(qiáng)，所造成的破壞也增加。爆炸沖擊波壓力對(duì)建筑的破壞作用和對(duì)人的傷害見表3和表4。

爆炸危險(xiǎn)半徑隨著氣體集聚空腔體積增加而增加，在氣體集聚空腔為1m3時(shí)，死亡區(qū)半徑約為0．24m，重傷區(qū)半徑約為1．03m。當(dāng)在氣體集聚空腔為1m3上下浮動(dòng)時(shí)，爆炸會(huì)使門和窗戶的玻璃碎裂，房間內(nèi)的人員是安全的，爆炸產(chǎn)生的破壞差別很小，監(jiān)控集聚空腔太小會(huì)增加管道敷設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本，而太大則會(huì)造成更大的人員傷亡，因此確定監(jiān)控集聚空腔的大小極為重要，通過綜合對(duì)比分析，同時(shí)為了便于操作和運(yùn)用，本文取1m3作為氣體集聚空腔的最小監(jiān)控空腔體積，對(duì)大于等于1m3的氣體集聚空腔進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，降低埋地易燃易爆介質(zhì)管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

表3 沖擊波壓力對(duì)建筑的破壞作用

表4 沖擊波壓力對(duì)人的傷害

5 結(jié)語

（1）隨著氣體集聚空腔體積的增加，爆炸危險(xiǎn)半徑增加，本文通過計(jì)算及分析確定了天然氣管道發(fā)生氣體泄漏時(shí)需要重點(diǎn)監(jiān)控的最小集聚空腔的體積。

（2）本文以天然氣為例進(jìn)行計(jì)算、研究分析，其確定的集聚空腔大小僅適用于以天然氣為輸送介質(zhì)的管道。