綜合管廊燃氣艙運營風險及應對措施探討

黃志華

(廈門市政集團有限公司，福建 廈門 361000)

0 引言

綜合管廊是建造于城市地下，用于敷設給水、再生水、雨水、污水、天然氣、電力、熱力、通信等工程管線的市政公用設施。綜合管廊可以避免管線敷設和維修時對道路的頻繁開挖，降低管線維修對路面多次開挖而產生的維修費用。綜合管廊實行統籌規劃，集中管理，具有綜合性、可靠性、長久性、智慧性等特點。

在綜合管廊燃氣艙內，燃氣管道發生泄漏一般是小孔泄漏，其主要原因為自然腐蝕、應力穿孔等。如果泄漏口很小，在自然通風的影響下，可能長時間持續泄漏而不觸發可燃氣體探測器報警，人員巡檢也難以發現這樣的微量泄漏。微量泄漏的燃氣在通風設備停止工作的情況下產生積聚，即使艙室內燃氣濃度達到可燃氣體探測器報警的濃度，到爆炸下限仍需要一定時間。在燃氣濃度達到設定值觸發事故通風、管道緊急切斷的情況下，目前的通風設施可以在15min內讓艙室內燃氣濃度降到遠小于爆炸下限，基本恢復到安全狀態。如果燃氣泄漏口較大，泄漏后的燃氣首先會積聚在泄漏口的頂部，同時由于通風的影響，向通風口的出口流動擴散，很快就會達到爆炸極限范圍內，此時如果存在點火源，會發生爆炸。

爆炸產生的超壓沖擊波和火焰可對人員造成傷害，并損壞設備、管廊艙室墻體等。謝尚群的研究顯示綜合管廊燃氣艙內發生甲烷爆炸，其爆炸的超壓值可以破壞防火分區盡頭的防火墻，并且火焰傳播范圍遠超預混燃氣原有體積，即火焰和沖擊波可以進入到沿管廊縱向前后相鄰的防火分區中(關于綜合管廊爆炸研究，通常關注不同管線艙室間的壁面破壞，即左右相鄰艙室，本文研究對象是燃氣艙不同防火分區間的影響，所以使用“前后相鄰分區”)，對相鄰分區造成影響。

國內目前在綜合管廊燃氣爆炸對前后相鄰分區影響的研究尚少，本文對燃氣艙燃氣泄漏后可能發生的爆炸事故采用數值模擬方法進行研究，分析爆炸對前后相鄰分區的破壞，提出提高安全性的措施，并從綜合管廊運維管理的角度，對燃氣管廊智慧運維管理提出建議。

1 爆炸影響模擬

爆炸模擬使用開源軟件OpenFoam完成。該軟件基于計算流體力學方法和有限元計算，選用LES大渦模擬進行求解，其中的XiFoam求解器對氣體爆炸模擬計算精度高，平均誤差小，對于甲烷和空氣的混合物爆炸模擬計算得到的結果與實驗值極為接近。

按照廈門某綜合管廊燃氣艙實際情況建模，艙室模型俯視圖，如圖1。以防火隔斷右下角為原點建立笛卡爾三維直角坐標系，沿

X

軸正方向為爆炸發生分區，長20m(圖1中僅展示了10m)，沿

X

軸負方向為相鄰分區，長10m。分區的中間為防火墻，頂部距離墻0.3m處兩側的2個通風口大小均為0.8m×0.8m。艙室標準段寬度1.5m，在距離防火墻3.05m到3.8m處通過圖1虛線所示的銜接段連接。考慮到模擬計算的準確性，對銜接段進行了圖1實線所示的簡化。

圖1 艙室模型俯視圖Fig.1 The top view of cabin model

艙室A-A剖面圖，如圖2。艙室高3m，艙室最寬為通風口擴寬段，寬2.2m，防火門高2.1m，寬0.9m，距離墻0.1m。燃氣管道用外直徑0.3m的圓柱代替，管道正下方安裝有高0.7m，寬0.3m的支墩。

圖2 艙室A-A剖面圖Fig.2 A-A section of the cabin

模擬中假設燃氣和空氣均勻混合(不考慮通風的影響)，充斥整個分區斷面，燃氣設置為純甲烷，其濃度為體積分數9.5%。預混空間設置為從防火隔斷位置(

X

=0m)開始，向

X

軸正方向，長度假設為10m和20m 2種情況。預混燃料中心設置為爆炸中心，當預混長度為10m時，爆炸中心位于

X

=5m處，當預混長度為20m時，爆炸中心位于

X

=10m處。計算域中的全部網格統一設置為0.05m×0.05m×0.05m的正方體，共計423 840個網格。邊界條件的設置分為2種，壁面和開放邊界，設置

X

軸兩端和

Z

軸正方向為開放邊界，表示沖擊波和火焰可以自由出入，其余選擇剛性壁面。

當預混燃氣長度為10m時，最大超壓僅1.68kPa，火焰沒有明顯向外擴散，影響基本可以忽略不計。當預混燃氣長度為20m時，超壓最高達到32.43kPa，這個超壓可以造成人員傷害，導致聽力受損，并且會對艙室防火隔斷表面造成一定破壞，根據文獻[7]的實驗結果，不會對管道本身造成損壞。

爆炸超壓(如圖3)雖然爆炸在右側分區發生，但是最大的超壓卻在相鄰分區中產生，而爆炸中心的壓力值并不高。這是因為爆炸產生的沖擊波到達防火墻位置時，會推開防火門，進入到左側分區中，而防火門的尺寸比艙室斷面面積小，起到了收束作用，讓沖擊波在通過防火門位置時加速，同理，相鄰分區銜接段位置，斷面面積再次發生改變，所以最大的超壓出現在相鄰分區中。

圖3 爆炸超壓Fig.3 The explosive overpressure

爆炸火焰(如圖4)隨著時間推移，火焰從爆炸中心位置逐漸向兩側擴散，并進入到相鄰分區，因為經過防火門，可流通面積減小，火焰受到約束，傳播到左側分區時立刻產生劇烈的擾動。火焰覆蓋范圍較廣，在距離爆炸中心20m，即

X

=-10m處仍會受到火焰影響。

圖4 爆炸火焰Fig.4 The explosive flame

隨著預混燃氣長度增加，超壓值增大，火焰覆蓋范圍更廣。目前綜合管廊防火墻普遍采用磚墻或磚混結構墻，并不是預制鋼筋混凝土結構，對于爆炸沖擊波的承載能力有限，如果預混氣體分布足夠長可能會被破壞。

事實上，燃氣管道本身在爆炸中不易受到破壞，經過爆破試驗，即使在超過0.6MPa超壓值的情況下，試驗用的鋼管仍然沒有明顯破壞痕跡。因為在燃氣管道軸向方向和爆炸沖擊波的傳遞方向一致，能夠有效減少爆炸負荷。同時，圓管四周都有燃氣存在，管道沒有受到單一方向的力，而圓管使得爆炸沖擊力向四周消散。

所以，在燃氣艙爆炸中，管道受到的破壞很小，除了對人員可能的傷害外，主要是對防火墻的破壞。

2 應對措施

模擬得到的結果，出現了違反常識的結論，即最大超壓出現在遠離爆炸中心的相鄰分區，會產生比爆炸中心更嚴重的破壞，這與“爆炸中心破壞最嚴重”的通常認知不同。針對這一問題，從防爆抑爆角度和本質安全角度提出如下改進措施。

2.1 做好燃氣艙本質安全防護

2.1.1 利用管道內部作業機器人檢測管道

注重燃氣管道的本質安全，加強入廊燃氣管道質量把控，對入廊燃氣管道管材及配件質量、施工工藝、驗收結果進行把控，運行中及早發現管道內部的腐蝕、裂紋等現象。靠人員或者機器人攜帶檢測設備從外部進行檢測探傷，因為艙室可作業空間小，管道支架或支墩多，以及設備大小、重量等原因限制，檢查的效率較低，如果采用直接從內部檢測可以提高效率。

目前已經有適用于復雜管道且功能齊全的模塊化管道作業機器人，可以從管道內部進行管道的檢測、異物清理和焊縫打磨等。機器人可以主動適應直徑0.25 ～0.45m的復雜管道，具備較強的過彎能力。這種機器人各個模塊之間可以快速拆卸和安裝，在節約大量成本的同時還可以提升工作效率。模塊化管道作業機器人應用在綜合管廊燃氣管道的檢測中，有助于從源頭上避免事故發生。

2.1.2 采用激光可燃氣體探測器

目前，管廊內使用的可燃氣體探測器為點式分布，探測器常選用固定的點式催化燃燒型探測器和紅外光型探測器。點式探測器雖然具有技術成熟、價格低、響應速度快的優點，但也存在使用壽命短、校準頻繁、易受紅外譜線干擾、探測面積小的缺點，影響探測的效果。

綜合管廊艙室結構特點是斷面尺寸小、長度長，針對該特點，可以采用線型探測器與點式氣體探測器聯合使用，因為線型探測器具有探測濃度范圍廣、精度高、抗干擾能力強、維護成本低等優點。通過設置線型激光探測器，大幅減少點式探測器數量，進一步優化和提高燃氣艙可燃氣體報警系統的可靠性、安全性、經濟性。

2.1.3 控制燃氣艙點火源

燃氣艙的電氣設備應符合現行國家標準《爆炸危險環境電力裝置設計規范》(GB 50058-2014)有關爆炸性氣體環境2區的防爆規定。此外，正常作業期間，應特別注意移動式操作設備進入艙室也必須滿足防爆要求。

燃氣艙地面應采用撞擊時不產生火花的材料，同時加強管廊施工階段的過程控制、監督、驗收工作質量，防止施工質量不滿足規范要求。

管廊艙室通過地面風亭與外界通風換氣，地面風亭數量較多，在城市公共區域，有一定的管理難度。因此，應加強地面風亭的安全管理，在重要區域還可設置隔離網、視頻監控等安全設施，防止第三方破壞，重點防范風亭和通風口周邊的點火源。

2.2 增強燃氣艙防爆抑爆措施

2.2.1 減少支墩和支架數量和體積

管道下方的支墩和支架屬于障礙物，爆炸發生時，會使得超壓和沖擊波更加劇烈，所以數量應該盡量減少，且使用較小體積，避免使用連續的混凝土支墩，可以減少艙室內的擁塞程度，有助于降低爆炸的超壓值。這樣即使在爆炸發生時，也不容易破壞管道，從而避免引發更大規模泄漏、爆炸的二次破壞。

2.2.2 預警相鄰分區

如果爆炸發生，那么破壞性很可能不止局限于單一分區，前后相鄰分區被破壞程度甚至更嚴重，所以對于探測到燃氣泄漏的分區，應該將該分區的前后相鄰分區同樣列入報警范圍，指導管廊內的工作人員緊急疏散，以免發生意外事故。

2.2.3 增大泄爆面積

增大泄爆口面積可以有效減小爆炸的破壞性，艙室的防火門也可以起到泄爆作用，適當增加防火門的高度，或者將防火門上方現有防火墻改造為可開啟的泄壓板，能夠有效減少爆炸對防火墻的破壞。

2.2.4 通風夾層防火防爆處理

在通風口上方和地面之間，有一處通風夾層用于放置設備，供人員緊急逃生用，同時在此處安置有大量設備。爆炸產生的沖擊波和火焰會進入通風夾層，雖然爆炸持續時間很短，但仍要進行防火防爆處理，使用符合防爆級別器械、涂層等，防止夾層空間起火。

3 結論

本文對燃氣泄漏后的爆炸事故影響進行分析，通過數值模擬方法研究爆炸產生的超壓和火焰對縱向前后相鄰分區的影響，發現最大超壓值可能在相鄰分區中出現，這一現象與常規認識——爆炸中心會出現最大超壓值不同。為保障綜合管廊的安全性，提高綜合管理效果，從本質安全和防爆抑爆2個角度，提出一系列防護措施。