戶內燃氣泄漏爆燃事故調查技術體系及應用

段衛東工程師 汪建平工程師 史立軍 荊亞州 張 淇

(北京市燃氣集團公司有限責任公司，北京 100035)

0 引言

隨著近幾年農村煤改氣工程的實施，燃氣不僅在城市居民用戶得到普及，也進入廣大農村家庭，替代傳統的煤、木柴等燃料。然而，由于燃氣的易燃易爆特性，在建設和使用過程產生諸多安全問題，燃氣爆燃事故時有發生，極大地威脅著人民的生命財產安全。因此研究戶內燃氣爆燃事故分析認定技術，通過勘查分析確定燃爆氣源、分析事故原因，對于事故性質認定、減少和預防同類事故發生非常重要。

目前，相關學者對燃氣泄漏爆炸事故的研究多集中在調查程序、現場勘查或爆炸特征物質分析等方面，成體系的分析技術較少。本文從燃氣泄漏原因分析、點火源確定、爆燃氣體種類認定、爆炸當量及傷害分析幾個方面構建戶內燃氣事故分析技術體系，為戶內燃氣爆燃事故分析提供技術支撐。

1 燃氣爆燃現場特征

戶內燃氣爆燃事故中，爆炸沖擊波和火災對建筑結構、家具、電氣及燃燒器具等設施破壞嚴重，同時在事故救援過程中人員活動也會對事故現場造成破壞，這些因素導致事故現場雜亂，從而為事故分析帶來困難。

爆燃事故導致人員傷害、設施破壞，勢必留下一些痕跡和線索，如人員的傷害狀況，包括傷害的部位、程度；戶內及周邊設施、環境破壞留下的物證，如燃燒后的痕跡、物體的損壞特征和程度等；周圍人員目擊或監控監測畫面等。因此，根據這些痕跡和線索，結合多起燃氣事故現場分析，可總結出戶內燃氣事故現場勘驗中重點關注因素，如圖1。

圖1 戶內燃氣事故現場重點關注因素Fig.1 Key factors on the scene of the indoor gas accident

(1)室內人員：人員的傷害狀況、事故時位置和狀態、人員的社會關系、生活習慣等。

(2)室內物證：火災后燃燒痕跡、沖擊波破壞特征和損害程度、殘留物狀態。

(3)周邊環境：受沖擊波破壞的特征和程度。

(4)周邊人員：事故的目擊者、受害者、救援人員。

(5)拋出物體：拋出物的來源、方位及距離等。

2 燃氣爆燃分析程序

2.1 泄漏原因分析

根據中國城市燃氣協會公布的2011-2019年戶內燃氣泄漏爆燃事故分析，引起戶內燃氣泄漏的主要原因包括：瓶閥未關緊、燃氣灶閥門未關緊、軟管破損或脫落、管道閥門或接頭泄漏、壁掛爐等用氣設施使用不當、灶具意外熄火及其他等。各類戶內燃氣泄漏原因的占比統計情況，如圖2。

圖2 戶內燃氣泄漏原因(位置)統計Fig.2 The statistics of indoor gas leakage reasons/locations

2.2 點火源分析

戶內燃氣泄漏點火點根據引起爆炸的點火源來確定，若點火源位置難以確定，可以根據現場拋出物分布情況反推確定。由于燃氣泄漏在空間分布的不均勻性，有時點火點不一定是破壞最嚴重的地點，需要根據多方位的建筑物破壞情況進行分析。要結合氣體性質、點火源能量大小、點火點與泄漏點的關系分析認定點火源。對2011-2019年戶內燃氣泄漏爆燃事故統計分析發現，引起燃爆的點火源主要有以下幾類：

(1)持續性點火源。主要包括：燃燒的灶具、蠟燭、油燈等持續明火，電風扇、電熱爐、電燈、冰箱繼電器、配電箱、開關等運行中不防爆的電氣設備。

(2)臨時性點火源。如吸煙、焚燒、裝修作業中的焊接及切割等。

(3)靜電火花。如人體靜電、織物靜電、氣流產生的靜電等。靜電火花可在放電金屬上留下微小的痕跡，在電子顯微鏡下可看到像火山口一樣的凹坑痕跡。

對于持續性點火源，當點火點距泄漏點較近時，爆炸可能會在燃氣泄漏的早期發生，引起破壞較小；反之，當點火點距泄漏點較遠時，燃氣泄漏已經持續一段時間，若引發爆炸，則破壞性較大。因此根據爆炸破壞程度，結合爆炸當量分析判斷點火源位置。

2.3 爆燃可燃氣體種類認定

居民常用的燃氣主要包括天然氣和液化石油氣，其主要成分、理化特性不同，導致爆燃現場的痕跡、殘留物和產物均有一定差異。因此在分析燃爆氣體種類時，可從現場爆燃痕跡、爆燃后可燃氣體殘留物以及爆燃產物3個方面進行分析。

2.3.1 爆燃痕跡特征

(1)天然氣爆燃痕跡特征。天然氣密度小于空氣，當發生泄漏時，先向室內的屋頂擴散，逐漸由屋頂高位向低位擴散，再向室內空間擴散、向空氣易流動的地方擴散，室內不同高度不同部位分布的天然氣體積分數不同，爆炸或者起火后，易在房間高位留下煙塵。因此，天然氣爆炸、火災現場煙塵往往會出現在墻、窗及屋頂等高處，尤其會出現被爆炸沖擊波拋出去附著煙塵玻璃的現象。然而，天然氣爆燃現場煙熏痕跡并不會很明顯，因為天然氣泄漏后的爆炸一般發生在化學計量濃度以下，接近或達到爆炸下限時發生，空氣充足，氣體燃燒充分，爆炸中心附近可能存在像噴射涂料顆粒、斑駁的灰白色痕跡。

此外，戶內天然氣爆炸壓力不大，沖擊波作用弱，只產生推移性破壞，使墻體外移、開裂，門窗外凸、變形、拋落等。爆炸氣體有時能夠擴散到家具內部，將衣柜門、桌子抽屜鼓開或拉出。但可燃氣體彌漫整個空間，沖擊波作用范圍廣，易使人畜呼吸道燒傷，衣服被燒焦或脫落，從而造成群死群傷。圖3是一起典型戶內天然氣泄漏爆燃事故場景照片。

圖3 室內天然氣泄漏爆燃事故典型場景Fig.3 The typical scene of the indoor natural gas leakage and detonation accident

(2)液化石油氣爆燃痕跡特征。液化石油氣密度比空氣大，易聚集到低洼區域，發生燃燒爆炸后，現場會發現某些物體下方或者一般火災燒不到的低洼處存在細微可燃物的燒焦痕，特別是木質結構物質形成炭化層薄，龜裂紋小，十分均勻的低位燃燒痕跡。易燃液體泄漏后揮發引起的爆炸，木地板上可呈現液體流淌輪廓，出現木材紋理或炭化明顯的痕跡；不燃地面形成重質成分，游離碳附著在地面形成界限分明的燃燒圖痕，或形成炭化坑，或炸裂。

此外，現場是否有液化石油氣供氣設備設施(液化石油氣鋼瓶、管道等)也是判斷爆燃氣體是否為液化石油氣的重要證據之一。圖4為室內液化石油氣泄漏爆燃事故的典型場景照片。

圖4 室內液化石油氣泄漏爆燃事故典型場景Fig.4 The typical scene of the indoor liquefied petroleum gas leakage and detonation accident

2.3.2 爆燃現場殘留物

天然氣主要成分為烷烴類，其中甲烷體積百分比占90%以上，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。液化石油氣主要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等，體積含量達96%以上。天然氣和液化石油氣氣相色譜的圖譜區別比較大，因此從現場殘留氣體取樣分析能很容易區分。

此外，根據國家標準《燃氣工程項目規范》(GB 55009-2021)規定，民用燃氣需要具備可以察覺的臭味，故加入一定量的加臭劑。因此，檢測現場殘留氣體是否含有相應的加臭劑(如THT)，可以區分燃爆氣體是民用燃氣還是下水道等排出的沼氣。

2.3.3 爆燃產物

煙塵是燃氣爆燃現場主要殘留物之一，其含有的特征信息十分豐富，且在事故調查中爆燃煙塵樣品也易于獲取，因此分析燃氣爆燃現場煙塵信息可作為物證鑒定的重要手段。

據研究資料顯示，天然氣和液化石油氣爆燃煙塵特征離子除一些共有的之外，還有一些特征離子是其所特有的。經氣相色譜及氣相色譜—質譜連用技術測定，天然氣爆燃煙塵含有的出峰時間分別為25.94min(CHO)和27.572min(CHO)的特征離子為149m/z的鄰苯二甲酸酯類在液化石油氣爆燃煙塵中是不存在的。而液化石油氣爆燃煙塵中含有的部分產物，如特征離子為178m/z(CH)的蒽和菲；特征離子為202m/z(CH)的熒蒽和芘；特征離子為226m/z和228m/z(CH)的苯并菲、屈和并四苯、苯并(a)蒽；特征離子為252m/z(CH)的苯并(b)熒蒽、苯并(j)熒蒽、苯并(k)熒蒽和苯并(a)芘；特征離子為276m/z(CH)的茚并(1,2,3-cd)芘和苯并(g,h,i)苝，這些組分在天然氣爆炸煙塵中未被發現。

2.4 爆炸當量及傷害分析

戶內燃氣爆炸對人員產生的傷害主要來自沖擊波超壓，以及沖擊波造成的建筑物損壞坍塌。發生戶內燃氣爆炸事故后，現場狀況復雜，需要通過現場破壞情況來反推可燃氣體的泄漏量，為了便于推算，需要選擇合理可行的理論計算方法。一般使用TNT當量法，結合不同位置人員傷害和建筑物損壞情況來計算爆炸事故的TNT當量，可以估算可燃氣體的泄漏量，為爆炸事故可燃氣體泄漏量的推算提供技術依據。

在理論計算中，通過現場人員傷害和建筑物損壞情況來反推爆炸能量，主要步驟如下：

(1)根據某一位置的人員傷害和建筑物的損壞情況用對應閾值來判斷該位置的沖擊波超壓值，具體閾值標準，見表1、2。

表1 沖擊波超壓對人體的傷害[9]Tab.1 The injury to the body by the shock wave overpressure[9]

表2 沖擊波超壓對建筑物的損壞[9]Tab.2 The damage to buildings caused by the shock wave overpressure[9]

(2)TNT當量法中使用比距離，而不是距爆炸中心的實際距離，所以需要根據沖擊波超壓計算得到比距離。最常用的沖擊波峰值超壓與比距離的預測公式為亨利齊(Henrych)公式。Henrych用試驗的方法得到沖擊波峰值超壓與比距離的關系：

(1)

式中：

Δ

P

—沖擊波峰值超壓，kPa。

(3)得到比距離之后，通過其與真實距離以及TNT當量的關系，可求得TNT當量：

(2)

式中：

R

—測點與爆心之間的距離，m；

W

—蒸氣云TNT當量，kg。

(4)根據TNT當量與燃氣質量的關系可求得泄漏的燃氣質量。

W

=

α

×

W

×

Q

/Q

(3)

式中：

α

—蒸氣云爆炸效率因子，表明參與爆炸的可燃氣體的分數；

W

—蒸氣云中燃料的總質量，kg；

Q

—蒸氣的燃燒熱，J/kg；

Q

—TNT的爆炸熱，一般取4.5MJ/kg。

3 典型事故分析

3.1 事故概況

2018年5月某居民在使用天然氣烹飪過程中發生爆燃事故，導致戶內裝修工人3人受傷。由于事故在煤改氣通氣不久后發生，居民一口咬定事故是天然氣泄漏引發，對農村煤改氣工程的實施帶來一定負面影響。

3.2 現場爆燃分析

3.2.1 現場勘查情況

該居民為煤改氣用戶，管道天然氣已入戶并作為廚房炊事用燃氣，且天然氣軟管(黃色)與燃氣灶具連接緊密。但事故現場另存放一只15kg液化石油氣鋼瓶，其燃氣軟管(紅色)一端通過調壓閥與液化氣瓶連接，另一端未連接燃燒器具。

事故導致廚房內下水道及自來水閥井井蓋飛出并有沖擊廚房吊頂的痕跡，櫥柜內的物品下部、櫥柜周邊塑料制品的下部有不同程度的過火或輕微燃燒變形的痕跡，櫥柜上擺放的物品無燃燒痕跡；爆燃沖擊波使廚房北側窗戶向外破裂，廚房內其他門窗等建構筑物無明顯損傷痕跡。現場未發現可燃的液態與固態物質發生爆燃的痕跡。

3.2.2 人員傷害情況

事故發生時燃氣灶具處于持續燃燒狀態，烹飪人員離開廚房，事故導致廚房外站立的裝修人員衣服被燒毀的部位集中在小腿(如圖5)，上半身無灼傷痕跡，初步判斷爆燃氣體為比空氣比重大的氣體在接近地面處發生爆燃。

圖5 人員傷害情況Fig.5 Personal injury

3.2.3 爆燃氣體分析

經事故現場勘查，可能存在的爆燃氣體有3種，即下水井中的沼氣、鋼瓶中的液化石油氣和管道中的天然氣。

(1)沼氣。現場勘查，廚房下水井直徑0.6m、深1.3m，井內無積水，事故后現場未檢出燃氣濃度；該下水井周邊沒有化糞池、污水溝等，廚房水槽連接的下水管道直接向室外山墻外排出，無產生沼氣的條件，也沒有沼氣經下水管道傳輸進入廚房的路徑。因此，首先排除下水井內沼氣爆燃的可能。

(2)管道天然氣。事故后，管道燃氣公司現場檢測穿墻入戶管道處有微量的燃氣濃度值4～8ppm(0.004‰～0.008‰)，疑似天然氣在管道連接處泄漏；在假設管道天然氣泄漏的前提下，該泄漏點大小與泄漏時間能否使廚房燃氣灶下的櫥柜內及其周邊的燃氣量達到爆燃極限濃度范圍內，需做進一步分析。

(3)液化石油氣。經調查，事故現場傷者知曉櫥柜內有液化石油氣瓶，但矢口否認使用過液化石油氣鋼瓶。現場液化石油氣連接軟管末端未與任何燃氣燃燒器具連接，存在誤開液化氣鋼瓶導致氣體泄漏的可能。

液化石油氣比重約為1.56～2.05，泄漏后向低處流動并在低洼處積聚，同時在氣體濃度差的影響下逐漸向周邊空氣中擴散；在遇點火源后極易引起回燃，且爆燃極限范圍(1.5%～9.5%)較寬，當液化石油氣在空氣中的濃度低于1.5%時，可燃氣體不足；在空氣中的濃度高于9.5%時，氧氣不足，這2種情況下混合氣體均不會發生爆炸。

天然氣比重為0.55，泄漏后會向高處流動并在高處空間內積聚，同時在氣體濃度差的影響下逐漸向周邊空氣中擴散。

從事故現場爆燃的痕跡，下水井發生爆燃并將井蓋掀起，應有易燃易爆氣體進入下水井內積聚并達到爆燃極限范圍內；廚房內灶具上方、北側窗戶開啟，廚房門沒有關閉，有利于比空氣比重小的氣體稀釋、擴散；燃燒的過火痕跡基本在櫥柜內的下部、靠近燃氣灶臺周邊物品的下部。因此，根據現場情況綜合分析，此次事故符合液化石油氣爆燃的特征，即比空氣比重大的液化石油氣泄漏后，經廚柜進入下水井(室內最低點)，并積聚達到爆燃極限濃度范圍，且部分氣體積聚在櫥柜內，在明火作用下引燃可燃氣體并迅速回燃，導致室內及下水井內爆燃。

3.3 爆炸當量核算

3.3.1 點火源與爆炸過程分析

由于液化石油氣比重大于空氣，且鋼瓶置于櫥柜內，液化氣泄漏后可經櫥柜流到地面，并經地面上的孔洞進入下水井，部分液化石油氣經廚房門流到廚房外，在櫥柜內、廚房地面、下水井、廚房外地面等低處相對封閉的區域達到爆炸極限濃度范圍。

事故傷者在給肉焯水時，燃氣灶具的明火(點火源)直接點燃泄漏至櫥柜內的可燃氣體，迅速回燃并導致井內氣體和廚房內氣體發生爆燃。

3.3.2 爆炸當量核算

根據廚房內窗框受損情況，取其遭受到的沖擊波超壓：

Δ

P

=18kPa=0.018MPa

廚房北側窗戶玻璃爆炸發生的點距離點火源最大值約為4m。

燃氣爆炸等效TNT當量估算值為0.327kg，爆燃造成廚房窗戶破損的液化石油氣估算值為0.006 59m。

廚房內下水井體積為0.367 5m。液化石油氣爆燃下限為1.5%，上限為9.5%。爆燃造成廚房下水井井蓋掀起的液化石油氣估算值在0.005 51～0.034 9m之間。從爆燃的破壞情況來看，廚房內下水井參與爆燃的液化石油氣應略大于0.005 51m。

因此，從事故現場爆炸當量的核算，其造成的事故后果嚴重程度與現場實際達到爆炸極限濃度的燃氣量基本吻合，可以有效佐證發生泄漏爆炸的氣體為液化石油氣，而不是天然氣，也為本起事故的定性提供科學依據。

4 結論

戶內燃氣爆燃威力巨大，對室內設施、建構筑物破壞性強，對室內人員傷害非常大。燃氣爆燃現場受爆炸、火災作用，形成大量的特征信息，包括爆燃痕跡、建構筑物破壞和人員傷害、燃氣設施的泄漏殘留信息、爆燃產物等。通過科學手段分析這些特征信息，能夠確定爆燃氣體種類、泄漏和燃爆原因以及燃爆當時物體的狀態等，為事故調查和認定提供科學依據。

通過總結與推理，提供戶內燃氣爆燃事故氣體種類、泄漏原因、點火源、爆炸當量及傷害等分析手段。在具體調查工作中，調查人員需要認真勘查現場，結合現場條件，把多種特征信息結合，綜合分析相關信息之間的關聯關系，從而描繪整個事故現場的整體情況，做到事故性質、事故原因的科學認定。