埋地管道易燃易爆介質爆炸極限聚集空腔的計算與分析

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有發生，這種事故的發生大多都是管道泄漏引起的，埋地管道泄漏的介質流入腔體，在腔體內與空氣混合形成爆炸氣云，遇到明火發生爆炸。因爆炸威力與管道泄漏形成的爆炸氣體空腔體積成正比，重點是在容易形成爆炸極限的氣體空腔中設置可燃氣體探頭或巡檢空腔中是否有可燃氣體，一旦發現空腔中有可燃氣體，能準確追蹤找到泄漏點，給予及時的修復，以防止爆炸事故的發生。根據國內外實驗及模擬研究可知，天然氣泄漏后可以在氣體集聚空腔內形成蒸氣云。目前，蒸氣云爆炸的常用理論分析方法TNT當量法、TNO多能法、Baker-Strehlow模型。其中，TNT當量法是將已知能量的可燃燃料等同于當量質量TNT的一種簡單而成熟的經典方法，本次研究采用TNT當量法對爆炸能量、沖擊波壓力及死亡半徑進行計算。

1 爆炸能量計算

天然氣泄漏后與空氣混合形成可燃蒸氣云，通過TNT當量法對蒸氣云爆炸能量進行預測。式（1）是蒸氣云爆炸的TNT當量WTNT估算公式：

式中，WTNT為蒸氣云的TNT當量，kg；

A為當量系數，取0．04；

Wf為氣體集聚空腔內天然氣總質量，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 沖擊波超壓計算

對距爆炸中心某一距離進行等效，從而計算該處的爆炸壓力。等效距離用式（3）計算：

式中：RL為離爆炸點的實際距離，m；

R為RL的等效距離，m。

由此可以計算出RL處產生的沖擊波壓力△p：

△p或R相關系數k1和k2取值范圍具體見表1。

表1 沖擊波壓力的計算系數

3 爆炸危險區域計算

根據蒸氣云TNT當時值，選用超壓-沖量標準粗算死亡區半徑，選用超壓標準粗算重傷區半徑及輕傷區半徑。假設爆炸沖擊波以同心圓向外傳播，R≤R1為死亡區半徑，R1表示爆炸死亡幾率為50%時對應的半徑大小，它與爆炸能量間的關系式由式（5）確定：

設R1≤R≤R2為重傷區半徑，重傷是指人體耳膜破損，R2表示受到重傷幾率為50%時的半徑大小，要求沖擊波峰值超壓為44 kPa。應用超壓準則，△p由式（6）計算：

式中：R2為重傷區外邊界半徑，m；

P0為環境壓力，Pa，取101325Pa；

E為爆炸產生的總能量，J。

設R2≤R≤R3為輕傷區半徑，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%時的輕傷區外界半徑大小，要求沖擊波峰值超壓為17 kPa。計算R3仍采用式（6）、（7）、（8）來計算（式中R2換成R3）。

4 爆炸定量及危險區半徑計算分析

運用式（1）～（8）計算出不同氣體集聚空腔下的爆炸量和爆炸危險區半徑，并計算距離爆炸中心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、爆炸危險半徑結果

從表2可看出，爆炸產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，所造成的破壞也增加。爆炸沖擊波壓力對建筑的破壞作用和對人的傷害見表3和表4。

爆炸危險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，死亡區半徑約為0．24m，重傷區半徑約為1．03m。當在氣體集聚空腔為1m3上下浮動時，爆炸會使門和窗戶的玻璃碎裂，房間內的人員是安全的，爆炸產生的破壞差別很小，監控集聚空腔太小會增加管道敷設的經濟成本，而太大則會造成更大的人員傷亡，因此確定監控集聚空腔的大小極為重要，通過綜合對比分析，同時為了便于操作和運用，本文取1m3作為氣體集聚空腔的最小監控空腔體積，對大于等于1m3的氣體集聚空腔進行重點監控，降低埋地易燃易爆介質管道運行風險。

表3 沖擊波壓力對建筑的破壞作用

表4 沖擊波壓力對人的傷害

5 結語

（1）隨著氣體集聚空腔體積的增加，爆炸危險半徑增加，本文通過計算及分析確定了天然氣管道發生氣體泄漏時需要重點監控的最小集聚空腔的體積。

（2）本文以天然氣為例進行計算、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的管道。