城市排水涵道油氣混合氣體爆炸研究現(xiàn)狀及展望

楊 凱，呂淑然，楊 進(jìn)

（1.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100070；2.中國(guó)寰球工程公司，北京 100012）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程與城市建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，城市規(guī)劃與城市建設(shè)發(fā)展不匹配、不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象也越來(lái)越突出，在構(gòu)筑城市生命線的各類管網(wǎng)的規(guī)劃布局方面則更為顯著，其中危險(xiǎn)性、風(fēng)險(xiǎn)性極高的油氣運(yùn)輸管道與各種市政管網(wǎng)以及與居民區(qū)、街道、學(xué)校等各種大規(guī)模人員聚集區(qū)未能科學(xué)合理布局，出現(xiàn)諸如：油氣運(yùn)輸管道與各種市政管網(wǎng)等距離近或交叉布置，城市基礎(chǔ)設(shè)施壓占油氣運(yùn)輸管道，甚至有的油氣運(yùn)輸管道從居民社區(qū)、學(xué)校、廠區(qū)地下穿過(guò)。油氣運(yùn)輸管道與市政管網(wǎng)、暗渠交叉，甚至出現(xiàn)油氣運(yùn)輸管道在排水涵道內(nèi)懸空架設(shè)，這些管道一旦腐蝕或因外力破壞而發(fā)生泄漏，泄漏的油氣將直接進(jìn)入排水涵道，并在涵道內(nèi)流淌蔓延。同時(shí)，油氣運(yùn)輸管道與居民區(qū)、學(xué)校的安全距離不符合規(guī)范要求，一旦油氣泄漏并在排水涵道內(nèi)發(fā)生爆炸，將對(duì)居民及城市的安全構(gòu)成巨大威脅。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于油氣管道和儲(chǔ)庫(kù)泄漏，大量油氣進(jìn)入下水涵道進(jìn)而引起嚴(yán)重爆炸的事故屢有發(fā)生，如：1985年6月27日，重慶市中區(qū)、大溪溝、羅家院一帶曾發(fā)生轟動(dòng)全國(guó)的下水道爆炸事故，造成人員重大傷亡，這次事故的原因不是沼氣的積累，而是由于85號(hào)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，墨西哥瓜達(dá)拉哈拉市發(fā)生過(guò)一次油氣大爆炸事故，造成200多人死亡、1 470人受傷、多人失蹤，1 124座住宅、450多家商店、600多輛汽車、8km 長(zhǎng)的街道以及通信和輸電線路被毀壞，造成事故的主要原因是汽油運(yùn)輸管道與市政管道的接觸處發(fā)生腐蝕，造成汽油泄漏進(jìn)而引發(fā)污水排放管道的爆炸；1995年8月20日，在侯馬市的繁華地區(qū)400多米路段的下水道發(fā)生了強(qiáng)烈的爆炸，此次爆炸事故的原因是可燃液體（汽油）泄漏進(jìn)入下水道，遇明火后引起爆炸；2001年10月30日，安徽省滁州市城區(qū)某加油站汽油泄漏，引起市政排污管道爆炸并多處起火，爆炸點(diǎn)91處，長(zhǎng)度達(dá)1 800m；2010年1月11日，南京白下區(qū)柏果樹(shù)47號(hào)附近路面疑因地下管道氣體泄漏爆炸，導(dǎo)致地面2～3m2塌陷，現(xiàn)場(chǎng)地下管道錯(cuò)綜復(fù)雜且附近有高壓電纜，爆炸原因無(wú)法確定；2012年12月31日，湖南省永順縣因?yàn)槠土魅胂滤艿腊l(fā)生爆炸事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)事故原因?yàn)樵摽h某加油站工作人員在油罐轉(zhuǎn)油過(guò)程中違規(guī)操作，汽油溢出后經(jīng)加油站排水溝流入城區(qū)下水道燃燒并引發(fā)輕微爆炸，最終造成2人死亡；2013年11月22日，山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故，導(dǎo)致62人死亡、136人受傷，造成事故的原因是輸油管道破裂導(dǎo)致原油泄漏，原油部分反沖出路面，大部分從泄漏處直接進(jìn)入排水暗渠，最終造成數(shù)千米暗渠發(fā)生爆炸事故；等等［1-4］。針對(duì)山東省青島市“11·22”石油泄漏爆炸事故，國(guó)務(wù)院關(guān)于“山東省青島市‘11·22’中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故調(diào)查報(bào)告的批復(fù)”中要求：吸取事故教訓(xùn)，加快安全保障技術(shù)研究，健全完善安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；深入研究油氣管道可能發(fā)生事故的成因機(jī)理，開(kāi)展油氣管道長(zhǎng)周期運(yùn)行、泄漏檢測(cè)報(bào)警、泄漏處置和應(yīng)急技術(shù)研究，提高油氣管道安全保障能力［5］。基于上述事故原因和事故處理意見(jiàn)，有必要對(duì)石油泄漏進(jìn)入下水涵道內(nèi)發(fā)生爆炸的機(jī)理、石油蒸汽在排水涵道內(nèi)的爆炸機(jī)理進(jìn)行深入的研究，進(jìn)而為保證石化行業(yè)安全生產(chǎn)提供理論支持。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)油氣混合物爆炸主要針對(duì)爆炸性混合氣體的爆炸機(jī)理以及爆炸指數(shù)、爆炸極限、爆炸在不同受限空間內(nèi)的傳播機(jī)理等方面進(jìn)行了研究，主要采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值仿真計(jì)算等研究方法，研究主要集中于石油天然氣罐區(qū)、地下儲(chǔ)庫(kù)、油氣運(yùn)輸管道等場(chǎng)所的油氣泄漏爆炸，而關(guān)于下水涵道內(nèi)氣體爆炸的研究主要集中于城市地下排水涵道內(nèi)有毒易爆氣體的監(jiān)測(cè)和氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的建立等方面［6-9］。

1.1 沼氣與油氣在排水涵道內(nèi)的聚集和運(yùn)移規(guī)律研究

目前我國(guó)城市污水管道和雨水管道都是共用一條管道，而根據(jù)我國(guó)居民的生活習(xí)慣，在排放的城市生活污水中包含大量的食用油污、餐廚垃圾等有機(jī)物，這些食用油污、有機(jī)物是地下沼氣的主要來(lái)源；同時(shí)，在臨近加油站、汽車修理廠附近的地面上聚集了大量汽油、機(jī)油等油污，這些油污在下雨季節(jié)會(huì)隨著雨水排入城市污水管道，在排水涵道內(nèi)與食用油污等有機(jī)物共同作用，形成復(fù)雜的油氣混合物，其主要成分有甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）等有毒易燃易爆氣體。因此，國(guó)內(nèi)污水管道或窨井發(fā)生爆炸的事故時(shí)有發(fā)生，如2008年6月廣東湛江下水管道發(fā)生連環(huán)爆炸；2011年12 月香港牛池灣新清水灣道一個(gè)水管接駁工程地盤(pán)發(fā)生一起沼氣爆炸事故，造成一死三傷的慘劇；2014年8 月臺(tái)灣高雄市前鎮(zhèn)區(qū)多條街道陸續(xù)發(fā)生可燃?xì)怏w外泄，并引發(fā)排水涵道多次大爆炸，造成多人傷亡。

我國(guó)學(xué)者對(duì)城市污水管道內(nèi)氣體爆炸進(jìn)行了一些研究，如李代明［10］對(duì)城市下水道爆炸的特點(diǎn)和原因進(jìn)行了研究，提出了處置下水道爆炸應(yīng)采取的措施；米莉［11］對(duì)城市下水道氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估開(kāi)展了研究，基于現(xiàn)有下水道氣體的安全管理經(jīng)驗(yàn)，建立了城市下水道氣體爆炸半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，認(rèn)為城市下水道氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)是可燃?xì)怏w積聚可能性與爆炸后果的綜合體現(xiàn)；胡修穩(wěn)［12］對(duì)重慶主城區(qū)污水管道氣體安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行了研究，從理論上分析了影響爆炸的因素，并基于爆炸波模型，計(jì)算了污水管道體系的爆炸極限；方德瓊［13］對(duì)山地城市污水管道中有害氣體的檢測(cè)及分布規(guī)律開(kāi)展了研究。由于國(guó)外污水管道發(fā)生爆炸事故少，因此國(guó)外對(duì)排污管道爆炸方面的研究很少，只有Sayers Source［14］研究認(rèn)為下水道內(nèi)可能存在CH4、H2S、氨氣（NH3）、氫氣（H2）、CO等內(nèi)源性氣體，還可能存在由于企業(yè)排放或居民傾倒而產(chǎn)生的外源性氣體，如苯、二甲苯、乙醇、揮發(fā)性有機(jī)物等；Lim 等［15］對(duì)排污管道的污水收集系統(tǒng)中用于氣體檢測(cè)的傳感器進(jìn)行了研究；等等。目前研究得出排水涵道內(nèi)氣體分布和濃度變化與環(huán)境、壓力、檢測(cè)位置有關(guān)，但是對(duì)排水涵道內(nèi)氣體的聚集和轉(zhuǎn)移規(guī)律還沒(méi)有系統(tǒng)的研究。由于排水涵道的尺寸、形狀的不同，涵道鋪設(shè)時(shí)的坡度也不一樣，有緩坡式的，也有臺(tái)階式的；有的排水涵道因排水量大，從而形成對(duì)氣體的堵塞，這些都是影響涵道內(nèi)氣體聚集的因素，這也是在上千米的排水涵道內(nèi)不同的地方相繼發(fā)生爆炸且爆炸危害程度不同的原因。

1.2 石油蒸汽與沼氣形成的多元性混合物爆炸機(jī)理研究

國(guó)內(nèi)有關(guān)對(duì)油氣混合物爆炸機(jī)理的研究主要是針對(duì)石油蒸汽中一二種氣體與空氣形成的混合物的爆炸特性進(jìn)行的研究。如蔣勇等［16］對(duì)烷烴類燃料與空氣的預(yù)混氣著火過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測(cè)，研究了在不同點(diǎn)火溫度、不同當(dāng)量比和不同壓力下的著火延遲時(shí)間，同時(shí)預(yù)測(cè)了火焰中反應(yīng)物、主產(chǎn)物、自由基濃度以及溫度變化的時(shí)間進(jìn)程；胡洪宣等［17］對(duì)輸油管道中汽油蒸汽爆炸的規(guī)律進(jìn)行了研究，建立了簡(jiǎn)化的流動(dòng)耦合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的湍流燃燒模型，以有限體積法求解爆炸流動(dòng)及反應(yīng)控制方程，對(duì)二維壓力管道中汽油蒸汽爆炸的過(guò)程及規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬；Razus等［18］研究了液化石油氣-空氣混合物在密閉容器中的爆炸特性，得出爆炸參數(shù)對(duì)環(huán)境壓力和混合比依賴性較大的結(jié)論；Movileanu等［19］研究了氣體乙烯-空氣混合物在密閉圓形容器中中間點(diǎn)火時(shí)的爆炸情況，得出爆燃指數(shù)受壓力、濃度和容器的影響很大；Huzayyin等［20］對(duì)液化石油氣-空氣和丙烷-空氣混合物的層流燃燒速度和爆炸指數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并研究了混合氣體的層流燃燒速度隨溫度、壓力、當(dāng)量比的變化情況，從而得到混合氣體的爆炸指數(shù)，為危險(xiǎn)廢棄物防爆和儲(chǔ)油罐通風(fēng)提供了依據(jù)；Salzano等［21］對(duì)氫-甲烷-空氣混合物在不同混合比和不同初始?jí)毫ο碌谋ㄐ袨檫M(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了包括最大壓力、最大壓力增長(zhǎng)速度、燃燒速度等爆炸參數(shù)，并通過(guò)公式可以對(duì)燃燒情況進(jìn)行預(yù)測(cè)；Dufaud等［22］研究了蒸汽-粉塵混合物的爆炸與蒸汽爆炸和粉塵爆炸的不同，得到了混合物促進(jìn)了燃燒動(dòng)力和爆炸壓力增長(zhǎng)，蒸汽的加入可以影響爆炸極限范圍等結(jié)論。

然而，上述研究中一個(gè)重要不足就是沒(méi)有涉及對(duì)石油蒸汽與排水涵道內(nèi)沼氣和空氣形成的多元性油氣混合物的爆炸機(jī)理的研究。由于輕質(zhì)石油的蒸汽以C2～C6烷類氣體為主，而沼氣由CH4、CO2、CO、H2S、NH3、N2等有毒易燃易爆氣體組成，并且普遍存在于城市地下的排水涵道內(nèi)，當(dāng)石油蒸汽與沼氣-空氣形成多元性油氣混合物后，沼氣中的CH4、CO、H2S等可燃性氣體含量在理論上會(huì)增加石油蒸汽的爆炸極限范圍，而CO2、N2等惰性氣體含量則會(huì)對(duì)爆炸有抑制作用。當(dāng)石油蒸汽與沼氣形成的多元性混合物爆炸時(shí)，與單獨(dú)一種氣體相比，其爆炸極限范圍將出現(xiàn)增加或減少的現(xiàn)象，而初始?jí)毫Αh(huán)境溫度、油氣當(dāng)量比對(duì)混合物爆炸的影響也將發(fā)生改變，爆炸點(diǎn)火能量也將有所不同，因此可以推斷石油蒸汽與沼氣形成的多元性混合物的爆炸極限范圍和爆炸點(diǎn)火能量都將與一二種氣體混合物的爆炸不同。

1.3 油氣混合物爆炸在管道等受限空間內(nèi)的傳播規(guī)律研究

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)油氣混合物爆炸在管道等受限空間內(nèi)的傳播規(guī)律進(jìn)行了研究。如周凱元等［23］對(duì)丙烷-空氣爆燃波的火焰面在直管道中加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其影響因素進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究，包括爆燃火焰在光滑內(nèi)壁管道中的傳播狀況，管道直徑和點(diǎn)火能量的變化以及當(dāng)管道內(nèi)有障礙物時(shí)對(duì)火焰加速度的影響；蔣新生等［24］對(duì)油氣混合物在復(fù)雜受限空間中主坑道爆炸波發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)研究，得出了湍流對(duì)爆炸特性的影響機(jī)理；畢明樹(shù)等［25］對(duì)管道內(nèi)可燃?xì)怏w爆燃進(jìn)行了一維數(shù)值模擬，獲得了不同時(shí)刻爆燃的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、密度場(chǎng)，并討論了可燃?xì)怏w活性、組分以及管道長(zhǎng)度對(duì)爆燃?jí)毫蛪毫ι仙俾实挠绊懀籈mami等［26］對(duì)氫-空氣預(yù)混和氫-甲烷-空氣混合物在90°彎管中的爆炸進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了爆炸產(chǎn)生的火焰速度、火焰?zhèn)鞑ズ统瑝旱葏?shù)；Razus等［27］對(duì)碳?xì)浠衔?空氣混合物在密閉容器中的爆炸壓力進(jìn)行了研究，測(cè)試了不同長(zhǎng)度和直徑比下的圓柱形容器中的壓力值；Gieras等［28］研究了燃燒室容積對(duì)己烷-空氣混合物的爆炸上限的影響，得出隨著液滴平均粒徑和燃燒室容積的增加，氣體爆炸上限也在增加；Tauseef等［29］利用流體力學(xué)理論對(duì)液化石油氣蒸汽云的爆炸進(jìn)行了研究，并考察了障礙物的形狀對(duì)蒸汽云爆炸威力的影響以及障礙物產(chǎn)生的湍流對(duì)爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀籒áinna等［30］研究了管道中兩個(gè)障礙物形成的不同分割間距對(duì)火焰?zhèn)鞑ズ捅ㄍΞa(chǎn)生的影響。

以上研究只是針對(duì)爆炸腔室尺寸、形狀以及爆炸腔室內(nèi)固體障礙物位置改變對(duì)爆炸機(jī)理和爆炸傳播規(guī)律的影響進(jìn)行的試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯浚珱](méi)有考慮爆炸腔室內(nèi)的水等液體對(duì)爆炸極限和爆炸傳播規(guī)律的作用。由于城市地下的排水涵道本身的尺寸和形狀各異，加之排水涵道內(nèi)還含有污泥和污水，污泥對(duì)排水涵道的尺寸會(huì)有影響，而涵道內(nèi)污水液面的不同也對(duì)爆炸極限、爆炸超壓、爆炸指數(shù)、最大壓力增長(zhǎng)速度、燃燒速度與爆炸傳播規(guī)律會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2 研究展望

總之，針對(duì)目前城市排水涵道內(nèi)的油氣混合物爆炸研究方面仍存在的問(wèn)題，今后應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)開(kāi)展以下方面的研究：

（1）開(kāi)展排水涵道內(nèi)氣體聚集和運(yùn)移規(guī)律的系統(tǒng)研究，從而有針對(duì)性地對(duì)油氣易聚集的地方進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)防。

（2）開(kāi)展排水涵道內(nèi)的沼氣對(duì)石油蒸汽爆炸極限、點(diǎn)火能量等爆炸特性參數(shù)的影響研究，這對(duì)預(yù)防城市排水涵道內(nèi)油氣混合氣體爆炸有著重要的意義。

（3）開(kāi)展石油蒸汽在下水涵道內(nèi)的爆炸傳播規(guī)律研究，從而為通過(guò)控制涵道內(nèi)的水位來(lái)控制爆炸產(chǎn)生的危害提供理論支持。

通過(guò)以上研究，不僅能夠?qū)︻A(yù)防油氣混合物在排水涵道內(nèi)發(fā)生爆炸起到促進(jìn)作用，而且還可以根據(jù)氣體在排水涵道內(nèi)的聚集規(guī)律有針對(duì)性地對(duì)涵道內(nèi)的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提出有效的防治技術(shù)并促進(jìn)相關(guān)學(xué)科理論的完善，具有重要的學(xué)術(shù)意義。

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