全尺寸干線輸氣管道爆炸地振動的空間分布和時頻分布特性*

馬華原，龍 源，李興華，鐘明壽，周 輝，吳建源

（1.陸軍工程大學，江蘇 南京 210007；2.白城兵器試驗中心，吉林 白城 137000；3.中國人民解放軍75833部隊，廣州 廣東 510000）

隨著世界能源趨向低碳化、無碳化，天然氣作為一種高效、清潔的能源已備受青睞。目前，天然氣在世界能源結構中已躍居第二位，預計將會超過石油而居第一[1]。盡管高壓天然氣管道具有高效、經濟等特點，但由于近域施工行為、環境腐蝕、機械或材料失效、自然災害及其他未知因素的影響，天然氣管道爆裂事故時有發生（見圖1）[2-4]。

圖1 天然氣管道爆炸事故Fig.1 Pipeline gas explosion accidents

目前，關于天然氣管道爆炸危害效應的研究主要以熱輻射和火焰危害為主[5-7]。關于振動的研究大多停留在數值模擬階段：Su[8]通過建立土層與管道耦合效應的非線性數學模型，對地下管道在復合振動加載模式下的動態響應進行研究，分析了振動對管道的影響，得到評估埋地管道抗震性能的方法；Mahdavi等[9]研究了地下管線在黏性土中的荷載傳遞特性，分析了管道回填土和溝道寬度的幾何效應，得到了土壤強度分布和響應因子。目前尚缺乏對全尺寸干線輸氣管道爆炸地震波傳播規律和時頻分布特性的研究，本文中針對高壓天然氣管道爆炸瞬間物理現象及其產生的振動危害效應展開研究，分析地震波的頻譜特性、衰減規律及時頻特性。研究成果不僅對并行管道安全設計具有理論指導意義和工程應用價值，同時對管線附近建（構）筑物和重要設施的抗震與防護設計也具有參考作用。

1 全尺寸富氣管道爆炸試驗

試驗選用第三代大輸量天然氣管道，該型管道大量應用于西氣東輸二線工程。管身材料采用X90級別管線鋼，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，屈服強度715 MPa，直徑1 219 mm，壁厚16.3 mm，內壓12 MPa，埋深1.2 m。管道總長約430 m，中間部分是長130 m的試驗段，為盡可能地模擬無限長輸氣管道爆炸時的泄壓狀態，在試驗段兩端各設置長150 m的儲氣段，如圖2所示。管內填充天然氣，壓力12 MPa，氣體摩爾分數分別為：x(CH4)=94.91%，x(C2H6)=2.55%，x(CO2)=0.94%，x(N2)=1.4%，x(其他)=0.2%。在試驗段中點沿軸線方向，設置長0.5 m的線型聚能切割器，以引入初始裂紋使管道發生爆裂。

試驗測線布設，以起爆點為原點，在與管道軸線分別呈0°、30°、60°和90°的4個方向上設置測線。其中，30°、60°和90°測線上設置6個測點，0°測線上設置5個測點。每個測點處安裝振動速度測試儀和振動加速度測試儀各1臺。具體布設方案如圖3所示，其中60°、30°以及0°測線的測點間距同90°測線。

圖2 試驗場Fig.2 Test field

圖3 測點布設方案Fig.3 Layout scheme of measuring points

試驗選用TC-4850和Blast-UM型振動測試儀。兩型儀器均配備集成式三通道傳感器，可同時記錄水平徑向（X軸）、水平切向（Y軸）和鉛垂方向（Z軸）3個方向的振動數據。試驗前，所有儀器均在江蘇省計量科學研究院進行了校準，以確保數據的真實性。

起爆瞬間以及爆后管道裂口如圖4所示。試驗起爆過程為：發射燃燒彈，聚能切割器點火。射流刀穿過管壁形成初始裂縫，管壁在初始裂紋和巨大內壓共同作用下裂紋產生擴展。管內高壓天然氣迅速噴出，氣團接觸到燃燒彈后被瞬間點燃。起爆后約3 s，氣團發生完全爆燃，現場形成巨大蘑菇云，直徑達150 m左右。爆炸后無人機傳回畫面，可看到有殘余氣體持續燃燒約5 min后熄滅。現場留下長約20 m、寬約5 m的漏斗坑，爆后測得裂口長度為17.43 m。

圖4 爆炸瞬間及爆后管道Fig.4 Explosions and pipeline affected

2 天然氣管道爆炸地振動的空間分布特性

試驗得到了各測點數據詳細信息，見表1～4（其中6# 和12# 測點設備未正常觸發）。表中，l為距離，VX、VY、VZ為X、Y、Z方向最大振動速度，fX、fY、fZ為X、Y、Z方向主頻，V為矢量和。為研究振動能量的衰減規律以及空間分布特性，選取各測點振動信號的矢量和數據進行深入研究。

表1 90° 測線振動速度Table 1 Data of vibration velocity of measuring line 90°

表2 60° 測線振動速度Table 2 Data of vibration velocity of measuring line 60°

表3 30° 測線振動速度Table 3 Data of vibration velocity of measuring line 30°

表4 0° 測線振動速度Table 4 Data of vibration velocity of measuring line 0°

由圖5可以看出，振動峰值的衰減呈現先快后慢的模式，為了進一步研究其衰減規律，分別用指數擬合和冪率擬合對各個測線上的數據進行擬合并對比效果，如圖6所示。

圖5 振動峰值分布圖Fig.5 Peak vibration distribution diagram

在文獻[10-11]中，爆破地震波的衰減規律遵循冪率分布。然而，由圖6的擬合效果對比可以看出，4條測線上數據的指數擬合結果均優于其冪率擬合結果，指數擬合有著更小的擬合誤差值（SSE），并且其確定系數（R-square）更接近1。因此，天然氣管道爆炸地振動衰減更符合指數分布，本次試驗中90°、60°、30°、0°測線上的衰減擬合結果分別為：

式中：V為振動速度，單位為cm/s；r為距爆心距離，單位為m。

從圖5～6以及擬合結果可以看出，振動強度和測線角度顯著相關。其中，90o測線振動強度最大，之后依次為30°測線、60°測線和0°測線。為了更直觀的反應振動強度在地面的分布，首先對采集到的數據在空間內進行兩次鏡像延拓，然后采用重調和方程對所得數據進行了三維擬合，得到了振動強度在空間內的分布場，效果如圖7所示。

圖7中，X軸（Y=0）與管道重合。可以看出，地震波在空間內不呈圓對稱分布，這一點與普通集團裝藥爆炸地震波特性不同。管道爆炸地震波在90°方向和30°方向較強，60°方向和0°方向較弱。這樣的分布特性意味著，在討論天然氣管道爆炸地震波損害范圍時，不能只考慮距離因素，還需考慮角度因素。

圖6 擬合效果對比Fig.6 Comparison of fitted effects

3 天然氣管道爆炸地振動的時頻分布特性

選用周輝等[12]優化的雙參數匹配追蹤算法聯合WVD分布的時頻分解算法。其中WVD分布是由Ville引入信號分析領域的。根據特征函數方法，推導信號X(t)的WVD分布為：

圖7 振動場三維擬合效果圖Fig.7 3D fitting diagram of vibration field

WVD擁有極高的時間-頻率分辨率，但由于其自身為二次型時頻解析，因此不具備線型可加性，嚴重影響了它在非平穩隨機信號分析領域的運用。為解決此問題，將匹配追蹤算法引入，其原理是將多成分混雜的原始信號分解為基礎子波，分別對子波進行WVD分解，再將所有子波的WVD結果相加，便可得到原始信號的真實WVD分布。另外，選用的雙參數匹配追蹤算法是結合了Hilbert變換，對原始信號的優勢頻率和瞬時相位先行確定，從而大大降低了匹配追蹤的運算量，為大數據量處理提供了基礎。

將1#、7#、13#和19#測點的振動信號采用改進型MP-WVD算法進行處理，得到其時頻分布如圖8～11所示。

由圖8～11可看出，各個測點振動數據的時頻分布呈現一定的規律性：振動能量頻率中心都分布在10～20 Hz范圍內，振動持續時長約為0.1～0.2 s。同時，X軸振動在時頻域內相對集中，而Y軸和Z軸振動在時頻域的分布相對比較分散。振動加強區與削弱區的時頻特性并沒有顯著區別。將時頻譜對時間軸做積分，得到頻率邊際譜[13-14]，相比于通過傅里葉變換得到的幅頻譜，頻率邊際譜可以更直觀地看到各個頻率成分在全局上的累加，如圖12所示。

圖8 1#測點振動信號時頻分布Fig.8 Time frequency distribution of measuring point 1#

圖9 7#測點振動信號時頻分布Fig.9 Time frequency distribution of measuring point 7#

圖10 13#測點振動信號時頻分布Fig.10 Time frequency distribution of measuring point 13#

圖11 19#測點振動信號時頻分布Fig.11 Time frequency distribution of measuring point 19#

圖12 頻率邊際譜Fig.12 Marginal spectrum

由圖12可以看出，天然氣管道爆炸地震波絕大部分能量分布在0～40 Hz頻帶，40 Hz以上頻帶所占比重極小。并且代表瑞利波的X軸、Z軸分量明顯強于代表勒夫波的Y軸分量，因此可以判斷管道爆炸地震波主要以瑞利波形式傳播。通過對振動速度信號的濾波和積分得到其質點運動軌跡如圖13所示，可以看出明顯的瑞利波“橢圓形”軌跡的特征，并且水平方向位移較大。

圖13 質點位移Fig.13 Particle displacement

4 結 論

經過試驗研究和數據分析，得到了管道外徑1 219 mm、內壓12 MPa的X90天然氣管道爆炸地振動的相關結論。

（1）天然氣管道爆炸地振動衰減符合指數分布，且其在各個方向上的衰減速度有所差異。

（2）天然氣管道爆炸地振動振動強度在空間上呈不均勻分布，在90°和30°方向較強，而在60°和0°方向較弱。因此在做天然氣管道爆炸隱患點防護、疏散或者損傷范圍估算時，要考慮到角度因素的影響。

（3）天然氣管道爆炸地振動的頻率范圍為10～20 Hz，加載時間為0.1～0.2 s。其中瑞利波強于勒夫波，因此在管道周邊建筑抗震安全設計時應優先考慮對此頻率范圍的載荷進行預防，并對建筑的水平徑向和垂直剛度進行加強。