開敞空間燃氣爆炸分析

李 勇 鋒

(中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 210007)

1 研究背景

當前，我國正在大力推進生態文明社會建設，為了有效控制和解決環境污染問題，政府一直倡導和推廣使用無污染的新能源、新技術。相對煤炭和石油等傳統能源，天然氣不僅在開采、儲運和使用等方面具有一定優勢，更因其清潔、燃燒效能高、使用方便等優點，被廣泛使用于城市燃氣、工業燃料、發電和化工生產中。隨著西氣東輸、川氣東送等大型天然氣工程以及北方地區煤改氣等政策的實施，我國天然氣管道網絡得以迅猛發展，城鎮天然氣管道網普及率逐步提高，燃氣用戶數量和燃氣消耗量逐年增加。2017年，國內天然氣消費量超過2 300億m3，同比增長超過15%，消費增幅居全球首位。2018年，國內1月～7月天然氣消費量約1 572億m3，同比增長17.8%，成為全球天然氣消費的最大驅動力量[1]。

燃氣龐大的需求量使得其在生產、存儲、輸運和使用等諸多環節都面臨著巨大的安全挑戰。天然氣燃點較低，具有易燃易爆的特性，燃氣裝置因外界條件異常、設備老化以及人為疏忽等因素導致燃氣泄漏后，即便是靜電火花、打電話、電源火花和金屬摩擦等細小行為都有可能引發火災和爆炸等重大安全事故。據不完全統計[2]，僅2017年發生的燃氣爆炸事件就超過950起，造成多人傷亡。其中僅7月份就發生112起燃氣爆炸事故。2018年上半年，發生燃氣爆炸事故390余起。

2 可燃氣體爆炸的特點及影響因素

可燃氣體泄漏形成燃氣和空氣混合的可燃氣云，在沒有點火源或者點火源能量沒有達到引爆條件(雖然可燃氣體發生爆炸所需的引爆能量極低)的情況下，混合氣云會隨風慢慢消散，當濃度達到燃氣發生爆炸的濃度下限時就難以對人員和建筑物造成較大的傷害，而一旦可燃氣云在較適宜的濃度被點燃，極有可能會發生火災或爆炸。

2.1 可燃氣體爆炸的特點

可燃氣體爆炸荷載的早期研究是以凝聚相炸藥爆炸荷載的相關研究為基礎的，通過能量法將可燃氣體爆炸等效為一定當量的凝聚相炸藥爆炸，但燃氣爆炸與炸藥爆炸在以下兩個方面還是存在較大的差異：

1)密閉空間燃氣爆炸所產生的理想超壓荷載峰值約為700 kPa，該數值在泄爆空間和開敞空間會得到極大削弱，遠小于凝聚相炸藥爆炸可以產生的兆帕級超壓荷載峰值。

2)燃氣爆炸過程(包括升壓和降壓等過程在內)相對于近乎瞬發的凝固相炸藥爆炸而言顯得十分緩慢，往往需要幾百毫秒才能完成。

2.2 可燃氣體爆炸荷載的影響因素

可燃氣體爆炸產生的荷載受多種內部因素和外部因素影響。

1)氣體種類。

不同種類的氣體燃燒熱不同，在相同體積條件下，氣體爆炸產生的能量也不相同。在相似的實驗條件下，不同種類的可燃氣云會產生不同的爆炸荷載。

2)氣體濃度。

燃氣爆炸本質上是一個發生化學反應并釋放能量的過程，而可燃氣體的濃度會直接影響到化學反應速率和化學平衡狀態。每種可燃氣體都有各自的爆炸下限濃度、爆炸上限濃度和化學計量濃度，當氣體濃度低于爆炸下限或高于爆炸上限時，氣體不會發生爆炸；當氣體濃度處于爆炸濃度區間(即氣體濃度大于爆炸下限濃度并且小于爆炸上限濃度)并且接近極限濃度時，爆炸產生的概率會很低；即使發生爆炸，其產生的爆炸荷載也較小；最大的爆炸荷載通常產生于化學計量濃度附近。

3)體積大小。

對于單一氣體，其燃燒熱是固定的，體積越大，氣云所含能量越大，所以通常情況下，氣體爆炸產生的爆炸強度與氣體體積具有明顯的正相關關系，但是二者不具有明顯的正比關系。

4)流動狀態。

氣體在流動過程中可以分為層流和湍流兩種主要流動狀態，在燃燒過程中仍然具有這種性質。湍流相對于層流，會大大增加火焰面積，從而加快燃燒速度。

5)約束條件。

氣體爆炸根據爆炸邊界的約束不同，可以粗略地分為開敞空間爆炸，泄爆空間爆炸和密閉空間爆炸，在不同的爆炸模式下，爆炸荷載的大小和計算方法也不相同。在其他條件一致時，通常情況下，密閉空間爆炸荷載最大，開敞空間爆炸荷載最小，泄爆空間爆炸荷載居中。

另外，障礙物以及點火源強度和位置等也會對燃氣爆炸荷載產生較大影響。

3 國內外研究現狀

近年來，國內外學者對開敞空間或半開敞空間氣體爆炸荷載進行了研究。

Sato等[4]在體積分別為5.2 m3和37 m3的聚乙烯薄膜內進行了濃度為20%～50%的氫氣/空氣混合氣體爆炸試驗，試驗發現：化學計量濃度(約30%)的超壓和沖量大于其他濃度的相應量，爆炸超壓隨傳播距離增大而減小，不同體積的爆炸試驗在比例爆距相等的位置爆炸荷載幾乎相同。

任新見等[5]在半徑為1.2 m的半球形塑料薄膜內進行了濃度為4.47%～9.50%的液化氣氣云的爆炸試驗，發現在弱點火條件下，液化氣氣云發生爆燃存在濃度極限，爆炸濃度區間為3.68%～9.50%，爆燃超壓與爆心距之間近似成反比關系。