城市排水涵道油氣混合氣體爆炸研究現狀及展望

楊 凱，呂淑然，楊 進

（1.首都經濟貿易大學安全與環境工程學院，北京 100070；2.中國寰球工程公司，北京 100012）

隨著我國城鎮化進程與城市建設規模的發展，城市規劃與城市建設發展不匹配、不協調的現象也越來越突出，在構筑城市生命線的各類管網的規劃布局方面則更為顯著，其中危險性、風險性極高的油氣運輸管道與各種市政管網以及與居民區、街道、學校等各種大規模人員聚集區未能科學合理布局，出現諸如：油氣運輸管道與各種市政管網等距離近或交叉布置，城市基礎設施壓占油氣運輸管道，甚至有的油氣運輸管道從居民社區、學校、廠區地下穿過。油氣運輸管道與市政管網、暗渠交叉，甚至出現油氣運輸管道在排水涵道內懸空架設，這些管道一旦腐蝕或因外力破壞而發生泄漏，泄漏的油氣將直接進入排水涵道，并在涵道內流淌蔓延。同時，油氣運輸管道與居民區、學校的安全距離不符合規范要求，一旦油氣泄漏并在排水涵道內發生爆炸，將對居民及城市的安全構成巨大威脅。

國內外關于油氣管道和儲庫泄漏，大量油氣進入下水涵道進而引起嚴重爆炸的事故屢有發生，如：1985年6月27日，重慶市中區、大溪溝、羅家院一帶曾發生轟動全國的下水道爆炸事故，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，墨西哥瓜達拉哈拉市發生過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輸管道與市政管道的接觸處發生腐蝕，造成汽油泄漏進而引發污水排放管道的爆炸；1995年8月20日，在侯馬市的繁華地區400多米路段的下水道發生了強烈的爆炸，此次爆炸事故的原因是可燃液體（汽油）泄漏進入下水道，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91處，長度達1 800m；2010年1月11日，南京白下區柏果樹47號附近路面疑因地下管道氣體泄漏爆炸，導致地面2～3m2塌陷，現場地下管道錯綜復雜且附近有高壓電纜，爆炸原因無法確定；2012年12月31日，湖南省永順縣因為汽油流入下水管道發生爆炸事故，經調查發現事故原因為該縣某加油站工作人員在油罐轉油過程中違規操作，汽油溢出后經加油站排水溝流入城區下水道燃燒并引發輕微爆炸，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，導致62人死亡、136人受傷，造成事故的原因是輸油管道破裂導致原油泄漏，原油部分反沖出路面，大部分從泄漏處直接進入排水暗渠，最終造成數千米暗渠發生爆炸事故；等等［1-4］。針對山東省青島市“11·22”石油泄漏爆炸事故，國務院關于“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查報告的批復”中要求：吸取事故教訓，加快安全保障技術研究，健全完善安全標準規范；深入研究油氣管道可能發生事故的成因機理，開展油氣管道長周期運行、泄漏檢測報警、泄漏處置和應急技術研究，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，有必要對石油泄漏進入下水涵道內發生爆炸的機理、石油蒸汽在排水涵道內的爆炸機理進行深入的研究，進而為保證石化行業安全生產提供理論支持。

1 國內外研究現狀

目前，國內外對油氣混合物爆炸主要針對爆炸性混合氣體的爆炸機理以及爆炸指數、爆炸極限、爆炸在不同受限空間內的傳播機理等方面進行了研究，主要采用實驗研究和數值仿真計算等研究方法，研究主要集中于石油天然氣罐區、地下儲庫、油氣運輸管道等場所的油氣泄漏爆炸，而關于下水涵道內氣體爆炸的研究主要集中于城市地下排水涵道內有毒易爆氣體的監測和氣體爆炸風險評估模型的建立等方面［6-9］。

1.1 沼氣與油氣在排水涵道內的聚集和運移規律研究

目前我國城市污水管道和雨水管道都是共用一條管道，而根據我國居民的生活習慣，在排放的城市生活污水中包含大量的食用油污、餐廚垃圾等有機物，這些食用油污、有機物是地下沼氣的主要來源；同時，在臨近加油站、汽車修理廠附近的地面上聚集了大量汽油、機油等油污，這些油污在下雨季節會隨著雨水排入城市污水管道，在排水涵道內與食用油污等有機物共同作用，形成復雜的油氣混合物，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，國內污水管道或窨井發生爆炸的事故時有發生，如2008年6月廣東湛江下水管道發生連環爆炸；2011年12 月香港牛池灣新清水灣道一個水管接駁工程地盤發生一起沼氣爆炸事故，造成一死三傷的慘劇；2014年8 月臺灣高雄市前鎮區多條街道陸續發生可燃氣體外泄，并引發排水涵道多次大爆炸，造成多人傷亡。

我國學者對城市污水管道內氣體爆炸進行了一些研究，如李代明［10］對城市下水道爆炸的特點和原因進行了研究，提出了處置下水道爆炸應采取的措施；米莉［11］對城市下水道氣體爆炸風險評估開展了研究，基于現有下水道氣體的安全管理經驗，建立了城市下水道氣體爆炸半定量風險評估模型，認為城市下水道氣體爆炸風險是可燃氣體積聚可能性與爆炸后果的綜合體現；胡修穩［12］對重慶主城區污水管道氣體安全風險評估模型進行了研究，從理論上分析了影響爆炸的因素，并基于爆炸波模型，計算了污水管道體系的爆炸極限；方德瓊［13］對山地城市污水管道中有害氣體的檢測及分布規律開展了研究。由于國外污水管道發生爆炸事故少，因此國外對排污管道爆炸方面的研究很少，只有Sayers Source［14］研究認為下水道內可能存在CH4、H2S、氨氣（NH3）、氫氣（H2）、CO等內源性氣體，還可能存在由于企業排放或居民傾倒而產生的外源性氣體，如苯、二甲苯、乙醇、揮發性有機物等；Lim 等［15］對排污管道的污水收集系統中用于氣體檢測的傳感器進行了研究；等等。目前研究得出排水涵道內氣體分布和濃度變化與環境、壓力、檢測位置有關，但是對排水涵道內氣體的聚集和轉移規律還沒有系統的研究。由于排水涵道的尺寸、形狀的不同，涵道鋪設時的坡度也不一樣，有緩坡式的，也有臺階式的；有的排水涵道因排水量大，從而形成對氣體的堵塞，這些都是影響涵道內氣體聚集的因素，這也是在上千米的排水涵道內不同的地方相繼發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理研究

國內有關對油氣混合物爆炸機理的研究主要是針對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行的研究。如蔣勇等［16］對烷烴類燃料與空氣的預混氣著火過程進行了數值預測，研究了在不同點火溫度、不同當量比和不同壓力下的著火延遲時間，同時預測了火焰中反應物、主產物、自由基濃度以及溫度變化的時間進程；胡洪宣等［17］對輸油管道中汽油蒸汽爆炸的規律進行了研究，建立了簡化的流動耦合化學反應機理的湍流燃燒模型，以有限體積法求解爆炸流動及反應控制方程，對二維壓力管道中汽油蒸汽爆炸的過程及規律進行了數值模擬；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，得出爆炸參數對環境壓力和混合比依賴性較大的結論；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火時的爆炸情況，得出爆燃指數受壓力、濃度和容器的影響很大；Huzayyin等［20］對液化石油氣-空氣和丙烷-空氣混合物的層流燃燒速度和爆炸指數進行了試驗研究，并研究了混合氣體的層流燃燒速度隨溫度、壓力、當量比的變化情況，從而得到混合氣體的爆炸指數，為危險廢棄物防爆和儲油罐通風提供了依據；Salzano等［21］對氫-甲烷-空氣混合物在不同混合比和不同初始壓力下的爆炸行為進行了試驗研究，得到了包括最大壓力、最大壓力增長速度、燃燒速度等爆炸參數，并通過公式可以對燃燒情況進行預測；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，得到了混合物促進了燃燒動力和爆炸壓力增長，蒸汽的加入可以影響爆炸極限范圍等結論。

然而，上述研究中一個重要不足就是沒有涉及對石油蒸汽與排水涵道內沼氣和空氣形成的多元性油氣混合物的爆炸機理的研究。由于輕質石油的蒸汽以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，當石油蒸汽與沼氣-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對爆炸有抑制作用。當石油蒸汽與沼氣形成的多元性混合物爆炸時，與單獨一種氣體相比，其爆炸極限范圍將出現增加或減少的現象，而初始壓力、環境溫度、油氣當量比對混合物爆炸的影響也將發生改變，爆炸點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的傳播規律研究

國內外一些學者對油氣混合物爆炸在管道等受限空間內的傳播規律進行了研究。如周凱元等［23］對丙烷-空氣爆燃波的火焰面在直管道中加速運動的規律及其影響因素進行了初步試驗研究，包括爆燃火焰在光滑內壁管道中的傳播狀況，管道直徑和點火能量的變化以及當管道內有障礙物時對火焰加速度的影響；蔣新生等［24］對油氣混合物在復雜受限空間中主坑道爆炸波發展進行了數值模擬試驗研究，得出了湍流對爆炸特性的影響機理；畢明樹等［25］對管道內可燃氣體爆燃進行了一維數值模擬，獲得了不同時刻爆燃的壓力場、溫度場、密度場，并討論了可燃氣體活性、組分以及管道長度對爆燃壓力和壓力上升速率的影響；Emami等［26］對氫-空氣預混和氫-甲烷-空氣混合物在90°彎管中的爆炸進行了試驗研究，得到了爆炸產生的火焰速度、火焰傳播和超壓等參數；Razus等［27］對碳氫化合物-空氣混合物在密閉容器中的爆炸壓力進行了研究，測試了不同長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］利用流體力學理論對液化石油氣蒸汽云的爆炸進行了研究，并考察了障礙物的形狀對蒸汽云爆炸威力的影響以及障礙物產生的湍流對爆炸火焰傳播速度的影響；Náinna等［30］研究了管道中兩個障礙物形成的不同分割間距對火焰傳播和爆炸威力產生的影響。

以上研究只是針對爆炸腔室尺寸、形狀以及爆炸腔室內固體障礙物位置改變對爆炸機理和爆炸傳播規律的影響進行的試驗模型研究，但沒有考慮爆炸腔室內的水等液體對爆炸極限和爆炸傳播規律的作用。由于城市地下的排水涵道本身的尺寸和形狀各異，加之排水涵道內還含有污泥和污水，污泥對排水涵道的尺寸會有影響，而涵道內污水液面的不同也對爆炸極限、爆炸超壓、爆炸指數、最大壓力增長速度、燃燒速度與爆炸傳播規律會產生一定的影響。

2 研究展望

總之，針對目前城市排水涵道內的油氣混合物爆炸研究方面仍存在的問題，今后應當重點開展以下方面的研究：

（1）開展排水涵道內氣體聚集和運移規律的系統研究，從而有針對性地對油氣易聚集的地方進行檢測和預防。

（2）開展排水涵道內的沼氣對石油蒸汽爆炸極限、點火能量等爆炸特性參數的影響研究，這對預防城市排水涵道內油氣混合氣體爆炸有著重要的意義。

（3）開展石油蒸汽在下水涵道內的爆炸傳播規律研究，從而為通過控制涵道內的水位來控制爆炸產生的危害提供理論支持。

通過以上研究，不僅能夠對預防油氣混合物在排水涵道內發生爆炸起到促進作用，而且還可以根據氣體在排水涵道內的聚集規律有針對性地對涵道內的氣體進行監測，提出有效的防治技術并促進相關學科理論的完善，具有重要的學術意義。

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