户内燃气泄漏爆燃事故调查技术体系及应用

段卫东工程师 汪建平工程师 史立军 荆亚州 张 淇

(北京市燃气集团公司有限责任公司，北京 100035)

0 引言

随着近几年农村煤改气工程的实施，燃气不仅在城市居民用户得到普及，也进入广大农村家庭，替代传统的煤、木柴等燃料。然而，由于燃气的易燃易爆特性，在建设和使用过程产生诸多安全问题，燃气爆燃事故时有发生，极大地威胁着人民的生命财产安全。因此研究户内燃气爆燃事故分析认定技术，通过勘查分析确定燃爆气源、分析事故原因，对于事故性质认定、减少和预防同类事故发生非常重要。

目前，相关学者对燃气泄漏爆炸事故的研究多集中在调查程序、现场勘查或爆炸特征物质分析等方面，成体系的分析技术较少。本文从燃气泄漏原因分析、点火源确定、爆燃气体种类认定、爆炸当量及伤害分析几个方面构建户内燃气事故分析技术体系，为户内燃气爆燃事故分析提供技术支撑。

1 燃气爆燃现场特征

户内燃气爆燃事故中，爆炸冲击波和火灾对建筑结构、家具、电气及燃烧器具等设施破坏严重，同时在事故救援过程中人员活动也会对事故现场造成破坏，这些因素导致事故现场杂乱，从而为事故分析带来困难。

爆燃事故导致人员伤害、设施破坏，势必留下一些痕迹和线索，如人员的伤害状况，包括伤害的部位、程度；户内及周边设施、环境破坏留下的物证，如燃烧后的痕迹、物体的损坏特征和程度等；周围人员目击或监控监测画面等。因此，根据这些痕迹和线索，结合多起燃气事故现场分析，可总结出户内燃气事故现场勘验中重点关注因素，如图1。

图1 户内燃气事故现场重点关注因素Fig.1 Key factors on the scene of the indoor gas accident

(1)室内人员：人员的伤害状况、事故时位置和状态、人员的社会关系、生活习惯等。

(2)室内物证：火灾后燃烧痕迹、冲击波破坏特征和损害程度、残留物状态。

(3)周边环境：受冲击波破坏的特征和程度。

(4)周边人员：事故的目击者、受害者、救援人员。

(5)抛出物体：抛出物的来源、方位及距离等。

2 燃气爆燃分析程序

2.1 泄漏原因分析

根据中国城市燃气协会公布的2011-2019年户内燃气泄漏爆燃事故分析，引起户内燃气泄漏的主要原因包括：瓶阀未关紧、燃气灶阀门未关紧、软管破损或脱落、管道阀门或接头泄漏、壁挂炉等用气设施使用不当、灶具意外熄火及其他等。各类户内燃气泄漏原因的占比统计情况，如图2。

图2 户内燃气泄漏原因(位置)统计Fig.2 The statistics of indoor gas leakage reasons/locations

2.2 点火源分析

户内燃气泄漏点火点根据引起爆炸的点火源来确定，若点火源位置难以确定，可以根据现场抛出物分布情况反推确定。由于燃气泄漏在空间分布的不均匀性，有时点火点不一定是破坏最严重的地点，需要根据多方位的建筑物破坏情况进行分析。要结合气体性质、点火源能量大小、点火点与泄漏点的关系分析认定点火源。对2011-2019年户内燃气泄漏爆燃事故统计分析发现，引起燃爆的点火源主要有以下几类：

(1)持续性点火源。主要包括：燃烧的灶具、蜡烛、油灯等持续明火，电风扇、电热炉、电灯、冰箱继电器、配电箱、开关等运行中不防爆的电气设备。

(2)临时性点火源。如吸烟、焚烧、装修作业中的焊接及切割等。

(3)静电火花。如人体静电、织物静电、气流产生的静电等。静电火花可在放电金属上留下微小的痕迹，在电子显微镜下可看到像火山口一样的凹坑痕迹。

对于持续性点火源，当点火点距泄漏点较近时，爆炸可能会在燃气泄漏的早期发生，引起破坏较小；反之，当点火点距泄漏点较远时，燃气泄漏已经持续一段时间，若引发爆炸，则破坏性较大。因此根据爆炸破坏程度，结合爆炸当量分析判断点火源位置。

2.3 爆燃可燃气体种类认定

居民常用的燃气主要包括天然气和液化石油气，其主要成分、理化特性不同，导致爆燃现场的痕迹、残留物和产物均有一定差异。因此在分析燃爆气体种类时，可从现场爆燃痕迹、爆燃后可燃气体残留物以及爆燃产物3个方面进行分析。

2.3.1 爆燃痕迹特征

(1)天然气爆燃痕迹特征。天然气密度小于空气，当发生泄漏时，先向室内的屋顶扩散，逐渐由屋顶高位向低位扩散，再向室内空间扩散、向空气易流动的地方扩散，室内不同高度不同部位分布的天然气体积分数不同，爆炸或者起火后，易在房间高位留下烟尘。因此，天然气爆炸、火灾现场烟尘往往会出现在墙、窗及屋顶等高处，尤其会出现被爆炸冲击波抛出去附着烟尘玻璃的现象。然而，天然气爆燃现场烟熏痕迹并不会很明显，因为天然气泄漏后的爆炸一般发生在化学计量浓度以下，接近或达到爆炸下限时发生，空气充足，气体燃烧充分，爆炸中心附近可能存在像喷射涂料颗粒、斑驳的灰白色痕迹。

此外，户内天然气爆炸压力不大，冲击波作用弱，只产生推移性破坏，使墙体外移、开裂，门窗外凸、变形、抛落等。爆炸气体有时能够扩散到家具内部，将衣柜门、桌子抽屉鼓开或拉出。但可燃气体弥漫整个空间，冲击波作用范围广，易使人畜呼吸道烧伤，衣服被烧焦或脱落，从而造成群死群伤。图3是一起典型户内天然气泄漏爆燃事故场景照片。

图3 室内天然气泄漏爆燃事故典型场景Fig.3 The typical scene of the indoor natural gas leakage and detonation accident

(2)液化石油气爆燃痕迹特征。液化石油气密度比空气大，易聚集到低洼区域，发生燃烧爆炸后，现场会发现某些物体下方或者一般火灾烧不到的低洼处存在细微可燃物的烧焦痕，特别是木质结构物质形成炭化层薄，龟裂纹小，十分均匀的低位燃烧痕迹。易燃液体泄漏后挥发引起的爆炸，木地板上可呈现液体流淌轮廓，出现木材纹理或炭化明显的痕迹；不燃地面形成重质成分，游离碳附着在地面形成界限分明的燃烧图痕，或形成炭化坑，或炸裂。

此外，现场是否有液化石油气供气设备设施(液化石油气钢瓶、管道等)也是判断爆燃气体是否为液化石油气的重要证据之一。图4为室内液化石油气泄漏爆燃事故的典型场景照片。

图4 室内液化石油气泄漏爆燃事故典型场景Fig.4 The typical scene of the indoor liquefied petroleum gas leakage and detonation accident

2.3.2 爆燃现场残留物

天然气主要成分为烷烃类，其中甲烷体积百分比占90%以上，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。液化石油气主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等，体积含量达96%以上。天然气和液化石油气气相色谱的图谱区别比较大，因此从现场残留气体取样分析能很容易区分。

此外，根据国家标准《燃气工程项目规范》(GB 55009-2021)规定，民用燃气需要具备可以察觉的臭味，故加入一定量的加臭剂。因此，检测现场残留气体是否含有相应的加臭剂(如THT)，可以区分燃爆气体是民用燃气还是下水道等排出的沼气。

2.3.3 爆燃产物

烟尘是燃气爆燃现场主要残留物之一，其含有的特征信息十分丰富，且在事故调查中爆燃烟尘样品也易于获取，因此分析燃气爆燃现场烟尘信息可作为物证鉴定的重要手段。

据研究资料显示，天然气和液化石油气爆燃烟尘特征离子除一些共有的之外，还有一些特征离子是其所特有的。经气相色谱及气相色谱—质谱连用技术测定，天然气爆燃烟尘含有的出峰时间分别为25.94min(CHO)和27.572min(CHO)的特征离子为149m/z的邻苯二甲酸酯类在液化石油气爆燃烟尘中是不存在的。而液化石油气爆燃烟尘中含有的部分产物，如特征离子为178m/z(CH)的蒽和菲；特征离子为202m/z(CH)的荧蒽和芘；特征离子为226m/z和228m/z(CH)的苯并菲、屈和并四苯、苯并(a)蒽；特征离子为252m/z(CH)的苯并(b)荧蒽、苯并(j)荧蒽、苯并(k)荧蒽和苯并(a)芘；特征离子为276m/z(CH)的茚并(1,2,3-cd)芘和苯并(g,h,i)苝，这些组分在天然气爆炸烟尘中未被发现。

2.4 爆炸当量及伤害分析

户内燃气爆炸对人员产生的伤害主要来自冲击波超压，以及冲击波造成的建筑物损坏坍塌。发生户内燃气爆炸事故后，现场状况复杂，需要通过现场破坏情况来反推可燃气体的泄漏量，为了便于推算，需要选择合理可行的理论计算方法。一般使用TNT当量法，结合不同位置人员伤害和建筑物损坏情况来计算爆炸事故的TNT当量，可以估算可燃气体的泄漏量，为爆炸事故可燃气体泄漏量的推算提供技术依据。

在理论计算中，通过现场人员伤害和建筑物损坏情况来反推爆炸能量，主要步骤如下：

(1)根据某一位置的人员伤害和建筑物的损坏情况用对应阈值来判断该位置的冲击波超压值，具体阈值标准，见表1、2。

表1 冲击波超压对人体的伤害[9]Tab.1 The injury to the body by the shock wave overpressure[9]

表2 冲击波超压对建筑物的损坏[9]Tab.2 The damage to buildings caused by the shock wave overpressure[9]

(2)TNT当量法中使用比距离，而不是距爆炸中心的实际距离，所以需要根据冲击波超压计算得到比距离。最常用的冲击波峰值超压与比距离的预测公式为亨利齐(Henrych)公式。Henrych用试验的方法得到冲击波峰值超压与比距离的关系：

(1)

式中：

Δ

P

—冲击波峰值超压，kPa。

(3)得到比距离之后，通过其与真实距离以及TNT当量的关系，可求得TNT当量：

(2)

式中：

R

—测点与爆心之间的距离，m；

W

—蒸气云TNT当量，kg。

(4)根据TNT当量与燃气质量的关系可求得泄漏的燃气质量。

W

=

α

×

W

×

Q

/Q

(3)

式中：

α

—蒸气云爆炸效率因子，表明参与爆炸的可燃气体的分数；

W

—蒸气云中燃料的总质量，kg；

Q

—蒸气的燃烧热，J/kg；

Q

—TNT的爆炸热，一般取4.5MJ/kg。

3 典型事故分析

3.1 事故概况

2018年5月某居民在使用天然气烹饪过程中发生爆燃事故，导致户内装修工人3人受伤。由于事故在煤改气通气不久后发生，居民一口咬定事故是天然气泄漏引发，对农村煤改气工程的实施带来一定负面影响。

3.2 现场爆燃分析

3.2.1 现场勘查情况

该居民为煤改气用户，管道天然气已入户并作为厨房炊事用燃气，且天然气软管(黄色)与燃气灶具连接紧密。但事故现场另存放一只15kg液化石油气钢瓶，其燃气软管(红色)一端通过调压阀与液化气瓶连接，另一端未连接燃烧器具。

事故导致厨房内下水道及自来水阀井井盖飞出并有冲击厨房吊顶的痕迹，橱柜内的物品下部、橱柜周边塑料制品的下部有不同程度的过火或轻微燃烧变形的痕迹，橱柜上摆放的物品无燃烧痕迹；爆燃冲击波使厨房北侧窗户向外破裂，厨房内其他门窗等建构筑物无明显损伤痕迹。现场未发现可燃的液态与固态物质发生爆燃的痕迹。

3.2.2 人员伤害情况

事故发生时燃气灶具处于持续燃烧状态，烹饪人员离开厨房，事故导致厨房外站立的装修人员衣服被烧毁的部位集中在小腿(如图5)，上半身无灼伤痕迹，初步判断爆燃气体为比空气比重大的气体在接近地面处发生爆燃。

图5 人员伤害情况Fig.5 Personal injury

3.2.3 爆燃气体分析

经事故现场勘查，可能存在的爆燃气体有3种，即下水井中的沼气、钢瓶中的液化石油气和管道中的天然气。

(1)沼气。现场勘查，厨房下水井直径0.6m、深1.3m，井内无积水，事故后现场未检出燃气浓度；该下水井周边没有化粪池、污水沟等，厨房水槽连接的下水管道直接向室外山墙外排出，无产生沼气的条件，也没有沼气经下水管道传输进入厨房的路径。因此，首先排除下水井内沼气爆燃的可能。

(2)管道天然气。事故后，管道燃气公司现场检测穿墙入户管道处有微量的燃气浓度值4～8ppm(0.004‰～0.008‰)，疑似天然气在管道连接处泄漏；在假设管道天然气泄漏的前提下，该泄漏点大小与泄漏时间能否使厨房燃气灶下的橱柜内及其周边的燃气量达到爆燃极限浓度范围内，需做进一步分析。

(3)液化石油气。经调查，事故现场伤者知晓橱柜内有液化石油气瓶，但矢口否认使用过液化石油气钢瓶。现场液化石油气连接软管末端未与任何燃气燃烧器具连接，存在误开液化气钢瓶导致气体泄漏的可能。

液化石油气比重约为1.56～2.05，泄漏后向低处流动并在低洼处积聚，同时在气体浓度差的影响下逐渐向周边空气中扩散；在遇点火源后极易引起回燃，且爆燃极限范围(1.5%～9.5%)较宽，当液化石油气在空气中的浓度低于1.5%时，可燃气体不足；在空气中的浓度高于9.5%时，氧气不足，这2种情况下混合气体均不会发生爆炸。

天然气比重为0.55，泄漏后会向高处流动并在高处空间内积聚，同时在气体浓度差的影响下逐渐向周边空气中扩散。

从事故现场爆燃的痕迹，下水井发生爆燃并将井盖掀起，应有易燃易爆气体进入下水井内积聚并达到爆燃极限范围内；厨房内灶具上方、北侧窗户开启，厨房门没有关闭，有利于比空气比重小的气体稀释、扩散；燃烧的过火痕迹基本在橱柜内的下部、靠近燃气灶台周边物品的下部。因此，根据现场情况综合分析，此次事故符合液化石油气爆燃的特征，即比空气比重大的液化石油气泄漏后，经厨柜进入下水井(室内最低点)，并积聚达到爆燃极限浓度范围，且部分气体积聚在橱柜内，在明火作用下引燃可燃气体并迅速回燃，导致室内及下水井内爆燃。

3.3 爆炸当量核算

3.3.1 点火源与爆炸过程分析

由于液化石油气比重大于空气，且钢瓶置于橱柜内，液化气泄漏后可经橱柜流到地面，并经地面上的孔洞进入下水井，部分液化石油气经厨房门流到厨房外，在橱柜内、厨房地面、下水井、厨房外地面等低处相对封闭的区域达到爆炸极限浓度范围。

事故伤者在给肉焯水时，燃气灶具的明火(点火源)直接点燃泄漏至橱柜内的可燃气体，迅速回燃并导致井内气体和厨房内气体发生爆燃。

3.3.2 爆炸当量核算

根据厨房内窗框受损情况，取其遭受到的冲击波超压：

Δ

P

=18kPa=0.018MPa

厨房北侧窗户玻璃爆炸发生的点距离点火源最大值约为4m。

燃气爆炸等效TNT当量估算值为0.327kg，爆燃造成厨房窗户破损的液化石油气估算值为0.006 59m。

厨房内下水井体积为0.367 5m。液化石油气爆燃下限为1.5%，上限为9.5%。爆燃造成厨房下水井井盖掀起的液化石油气估算值在0.005 51～0.034 9m之间。从爆燃的破坏情况来看，厨房内下水井参与爆燃的液化石油气应略大于0.005 51m。

因此，从事故现场爆炸当量的核算，其造成的事故后果严重程度与现场实际达到爆炸极限浓度的燃气量基本吻合，可以有效佐证发生泄漏爆炸的气体为液化石油气，而不是天然气，也为本起事故的定性提供科学依据。

4 结论

户内燃气爆燃威力巨大，对室内设施、建构筑物破坏性强，对室内人员伤害非常大。燃气爆燃现场受爆炸、火灾作用，形成大量的特征信息，包括爆燃痕迹、建构筑物破坏和人员伤害、燃气设施的泄漏残留信息、爆燃产物等。通过科学手段分析这些特征信息，能够确定爆燃气体种类、泄漏和燃爆原因以及燃爆当时物体的状态等，为事故调查和认定提供科学依据。

通过总结与推理，提供户内燃气爆燃事故气体种类、泄漏原因、点火源、爆炸当量及伤害等分析手段。在具体调查工作中，调查人员需要认真勘查现场，结合现场条件，把多种特征信息结合，综合分析相关信息之间的关联关系，从而描绘整个事故现场的整体情况，做到事故性质、事故原因的科学认定。