基于超壓值地鐵上覆管道爆炸對隧道及人員安全影響研究*

石杰紅,史聰靈,劉晶晶

(1.中國安全生產科學研究院,北京 100012; 2.地鐵火災與客流疏運安全北京市重點實驗室，北京 100012)

0 引言

我國地鐵建設始于20世紀60年代，截止2019年12月，全國已有40個城市開通地鐵軌道交通，運營線路總長6 882.13 km。我國軌道建設目前處于高速發展階段，北京、上海、成都等城市規劃地鐵建設規模較大,線路總長均超過1 000 km。

實際工程中，地鐵線路可能鄰近或下穿油氣管道，油氣管道泄漏易引發爆炸事故，且泄漏方式及原因多樣。前人針對油氣管道泄漏方式展開研究：李強等[1]采用當量計算法和應力計算法分析法蘭泄漏方式；孫博等[2]對管道泄漏原因進行分析。部分學者對埋地管道泄漏后果展開研究[3-18]，霍成索等[19]應用三維CFD模擬軟件KFX研究海底輸氣管道泄漏對鄰近海上平臺影響；肖華華[20]研究管道氣體爆炸動力學模型。目前研究主要集中于管道泄漏原因、泄漏方式及泄漏對地面物體影響，針對管線泄漏爆炸給地下建筑，尤其是地下空間人員安全影響方面研究較少。本文結合實際工程案例，重點研究地鐵上覆燃氣管道爆炸對隧道及人員安全影響，研究結果可為地下工程下穿油氣管線安全影響分析提供理論支撐。

1 分析方法

1.1 泄漏尺寸確定

油氣管道泄漏模式主要包括瞬時泄漏與連續泄漏，其中，泄漏口尺寸、形狀與泄漏源嚴重性直接相關，是計算事故后果影響范圍、確定事故發生概率的關鍵指標，需根據裝置中各重要設備設施、管道及附屬裝置等接口實際尺寸分布情況，確定合適的典型性泄漏尺寸。管道典型泄漏尺寸等級主要包括小型、中型、大型及特大型。世界銀行推薦以管道20%及100%破裂作為典型泄漏尺寸，該劃分方法主要考慮管道大型泄漏與災難性破裂等情況，忽視管道日常運行中因密封不嚴、腐蝕、缺陷、不規則裂紋等原因造成的小型泄漏；挪威船級社在QRA研究中推薦的典型泄漏尺寸范圍與代表性孔徑，更貼近實際工程情況，見表1。

表1 典型泄漏孔徑分類及代表性孔徑Table 1 Classification of typical leakage diameter and representative hole diameter mm

1.2 泄漏速率

根據氣體流動狀態不同將氣體管道泄漏分為臨界流與亞臨界流:最大出口速度等于聲速為臨界流；反之為亞臨界流。根據判斷準則[21]，可知音速流動與亞音速流動如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：P0為環境大氣壓力，Pa；P為容器壓力，Pa；k為氣體絕熱指數，即定壓比熱CP與定容比熱Cv比值。

研究過程中，設定環境溫度20 ℃，k=1.3，管道內氣體壓力8.5 MPa，經計算可知燃氣管道泄漏屬于音速流動。

臨界流質量泄漏速率如式(3)所示：

(3)

式中：Q為氣體泄漏速率，kg/s；Cd為氣體泄漏系數；A為裂口面積，m2；M為氣體相對分子質量；R為普適氣體常數；T為氣體儲存溫度，K。

1.3 事故后果計算模型

基于泄漏尺寸與泄漏速率，確定泄漏后果模型。燃氣管道可能發生的重大事故后果主要包括蒸氣云爆炸(VCE)、火災、物理爆炸等，其中，蒸汽云爆炸后果最嚴重。蒸氣云爆炸會產生沖擊波超壓、熱輻射、破片作用等多種破壞效應，沖擊波超壓最危險且破壞力最強。

爆炸沖擊波經上覆土層、隧道、空氣、地鐵車輛外殼作用于乘客。因此，本文采用蒸氣云爆炸超壓評判事故后果對乘客的影響。

燃氣蒸氣云爆炸能量通過TNT當量法確定。

1.4 事故后果傷害準則

采用超壓模型界定沖擊波傷害區域。沖擊傷害區域依據后果嚴重程度劃分為死亡區域、重傷區域、輕傷區域、財產損失半徑4種，沖擊波超壓影響半徑見表2。

表2 沖擊波超壓影響半徑Table 2 Influence radius of shock wave overpressure

2 工程實例

2.1 概況

以某市地鐵下穿既有高壓燃氣管道為研究對象，分析燃氣管道泄漏爆炸對地鐵隧道及乘客安全影響。地鐵隧道埋深10 m，管道埋深1.04 m，直徑0.6 m，運行壓力8.5 MPa，隧道頂距離管道底部約8.4 m。隧道主要穿越可塑、硬塑砂質黏性土。

裸露狀態高壓燃氣管道泄漏特點為：氣體濃度隨高度增加逐漸降低，近地面濃度可達95%，且分布范圍窄；隨高度增加，分布范圍逐漸增大，燃氣分布呈倒三角；管道壓力為0.4 MPa～1.6 MPa時，高濃度區域主要分布于距地面3～6 m處；達到爆炸極限濃度燃氣主要分布在30 m以上高空[22]。本文研究燃氣管道壓力為8.5 MPa，埋深1.04 m，土體無法提供稀釋空間，高壓氣體突破土體釋放至空中進行泄壓，視為燃氣發生空中爆炸。其中，空氣、土壤對爆炸超壓均有阻擋作用，結合土體泄壓與燃氣爆炸濃度分布特點，等效TNT可近似視為近地面爆炸，從而建立爆炸超壓計算模型如圖1所示。

圖1 爆炸超壓計算模型Fig.1 Computational model

2.2 泄漏方式及泄漏強度

依據挪威船級社推薦方法，并結合實際工況，選擇代表性孔徑進行分析，見表3。

表3 典型泄漏孔徑分類及代表性孔徑Table 3 Classification of typical leakage hole diameter and representative hole diameter mm

物料泄漏速率按照式(3)計算，得到不同管道泄漏模式對應泄漏速率，見表4。

表4 管道泄漏模式及泄漏速率Table 4 Pipeline leakage mode and leakage rate

考慮燃氣管道自動斷氣裝置，本文僅考慮燃氣泄漏300 s及相鄰截斷閥間燃氣泄漏爆炸對地鐵隧道內人員安全影響，則TNT當量如式(4)所示：

(4)

式中：A為蒸氣云TNT當量系數，取4%；WTNT為蒸氣云TNT當量，kg；Wf為蒸氣云燃料總質量，kg；Qf為燃料燃燒熱，MJ/kg，根據管道輸送介質特性，取值70.72 MJ/kg；QTNT為TNT爆炸熱，取4 520 kJ/kg；TNT密度1.63 g/cm3。

TNT當量換算結果見表5。

表5 TNT當量換算結果Table 5 TNT equivalent conversion result

2.3 數值模擬分析結果

為研究管道泄漏爆炸沖擊波超壓對地鐵隧道及乘客影響，以距離隧道頂部約2.2 m處為測點位置，利用LS-DYNA模擬軟件，得到不同泄漏模式下，炸藥上方隧道超壓曲線，如圖2～8所示。由圖2～8可知，泄漏孔徑越大，爆炸能量越大，產生沖擊波傳遞速度越快，測點位置超壓值達到峰值時間越短，時間跨度分布在爆炸后0.027～0.035之間；超壓值峰值隨泄漏孔徑減小而減小，由150 mm孔徑27 Pa降至2 mm孔徑1.7 Pa，但均遠小于爆炸時人體可承受閾值。說明在該種工況下，管道泄漏爆炸經地面空氣、上覆土體及隧道結構緩沖后，不會造成區域內人員傷亡。

圖2 管道大孔泄漏(150 mm)超壓曲線Fig.2 Overpressure curve of large hole leakage (150 mm)

圖3 管道中孔泄漏(120 mm)超壓曲線Fig.3 Overpressure curve of hole leakage (120 mm)

圖4 管道中孔泄漏(80 mm)超壓曲線Fig.4 Overpressure curve of hole leakage (80 mm)

圖5 管道小孔泄漏(50 mm)超壓曲線Fig.5 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (50 mm)

圖6 管道小孔泄漏(20 mm)超壓曲線Fig.6 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (20 mm)

圖7 管道微小孔泄漏(6 mm)超壓曲線Fig.7 Overpressure curve of pipeline small hole leakage (6 mm)

圖8 管道針孔泄漏(2 mm)超壓曲線Fig.8 Pipeline pinhole leakage (2 mm) overpressure curve

3 結論

1)埋地管道發生泄漏導致爆炸事故，采用TNT當量法計算爆炸沖擊超壓值，分析管道泄漏爆炸對地鐵隧道及乘客影響。

2)天然氣管道一旦發生蒸氣云爆炸(小孔以上泄漏模式)，影響范圍會波及到地鐵區間隧道，但經地面空氣、上覆土體及隧道結構緩沖，管道爆炸沖擊波不會造成人員傷亡。