开敞空间燃气爆炸分析

2018-03-23李勇锋

山西建筑 2018年35期

李勇锋

(中国人民解放军陆军工程大学，江苏南京 210007)

1 研究背景

当前，我国正在大力推进生态文明社会建设，为了有效控制和解决环境污染问题，政府一直倡导和推广使用无污染的新能源、新技术。相对煤炭和石油等传统能源，天然气不仅在开采、储运和使用等方面具有一定优势，更因其清洁、燃烧效能高、使用方便等优点，被广泛使用于城市燃气、工业燃料、发电和化工生产中。随着西气东输、川气东送等大型天然气工程以及北方地区煤改气等政策的实施，我国天然气管道网络得以迅猛发展，城镇天然气管道网普及率逐步提高，燃气用户数量和燃气消耗量逐年增加。2017年，国内天然气消费量超过2 300亿m3，同比增长超过15%，消费增幅居全球首位。2018年，国内1月～7月天然气消费量约1 572亿m3，同比增长17.8%，成为全球天然气消费的最大驱动力量[1]。

燃气庞大的需求量使得其在生产、存储、输运和使用等诸多环节都面临着巨大的安全挑战。天然气燃点较低，具有易燃易爆的特性，燃气装置因外界条件异常、设备老化以及人为疏忽等因素导致燃气泄漏后，即便是静电火花、打电话、电源火花和金属摩擦等细小行为都有可能引发火灾和爆炸等重大安全事故。据不完全统计[2]，仅2017年发生的燃气爆炸事件就超过950起，造成多人伤亡。其中仅7月份就发生112起燃气爆炸事故。2018年上半年，发生燃气爆炸事故390余起。

2 可燃气体爆炸的特点及影响因素

可燃气体泄漏形成燃气和空气混合的可燃气云，在没有点火源或者点火源能量没有达到引爆条件(虽然可燃气体发生爆炸所需的引爆能量极低)的情况下，混合气云会随风慢慢消散，当浓度达到燃气发生爆炸的浓度下限时就难以对人员和建筑物造成较大的伤害，而一旦可燃气云在较适宜的浓度被点燃，极有可能会发生火灾或爆炸。

2.1 可燃气体爆炸的特点

可燃气体爆炸荷载的早期研究是以凝聚相炸药爆炸荷载的相关研究为基础的，通过能量法将可燃气体爆炸等效为一定当量的凝聚相炸药爆炸，但燃气爆炸与炸药爆炸在以下两个方面还是存在较大的差异：

1)密闭空间燃气爆炸所产生的理想超压荷载峰值约为700 kPa，该数值在泄爆空间和开敞空间会得到极大削弱，远小于凝聚相炸药爆炸可以产生的兆帕级超压荷载峰值。

2)燃气爆炸过程(包括升压和降压等过程在内)相对于近乎瞬发的凝固相炸药爆炸而言显得十分缓慢，往往需要几百毫秒才能完成。

2.2 可燃气体爆炸荷载的影响因素

可燃气体爆炸产生的荷载受多种内部因素和外部因素影响。

1)气体种类。

不同种类的气体燃烧热不同，在相同体积条件下，气体爆炸产生的能量也不相同。在相似的实验条件下，不同种类的可燃气云会产生不同的爆炸荷载。

2)气体浓度。

燃气爆炸本质上是一个发生化学反应并释放能量的过程，而可燃气体的浓度会直接影响到化学反应速率和化学平衡状态。每种可燃气体都有各自的爆炸下限浓度、爆炸上限浓度和化学计量浓度，当气体浓度低于爆炸下限或高于爆炸上限时，气体不会发生爆炸；当气体浓度处于爆炸浓度区间(即气体浓度大于爆炸下限浓度并且小于爆炸上限浓度)并且接近极限浓度时，爆炸产生的概率会很低；即使发生爆炸，其产生的爆炸荷载也较小；最大的爆炸荷载通常产生于化学计量浓度附近。

3)体积大小。

对于单一气体，其燃烧热是固定的，体积越大，气云所含能量越大，所以通常情况下，气体爆炸产生的爆炸强度与气体体积具有明显的正相关关系，但是二者不具有明显的正比关系。

4)流动状态。

气体在流动过程中可以分为层流和湍流两种主要流动状态，在燃烧过程中仍然具有这种性质。湍流相对于层流，会大大增加火焰面积，从而加快燃烧速度。

5)约束条件。

气体爆炸根据爆炸边界的约束不同，可以粗略地分为开敞空间爆炸，泄爆空间爆炸和密闭空间爆炸，在不同的爆炸模式下，爆炸荷载的大小和计算方法也不相同。在其他条件一致时，通常情况下，密闭空间爆炸荷载最大，开敞空间爆炸荷载最小，泄爆空间爆炸荷载居中。

另外，障碍物以及点火源强度和位置等也会对燃气爆炸荷载产生较大影响。