埋深對城市地下管道爆炸的影響規(guī)律*

牟 杰張金鋒黃 武夏一峰汪圣華

1.浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 2.浙江省安全工程與技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

埋深對城市地下管道爆炸的影響規(guī)律*

牟 杰1，2張金鋒1，2黃 武1，2夏一峰1，2汪圣華1，2

1.浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 2.浙江省安全工程與技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在特定情況下，城市地下空間廢棄管道中會因?yàn)橛蜌獾男孤兜纫蛩匦纬杀ōh(huán)境，利用AUTODYN建立合適的數(shù)值模擬模型，圍繞管道內(nèi)部爆炸后對覆蓋層的毀傷效應(yīng)和對地表面空氣超壓影響展開研究，給埋地管道內(nèi)部爆炸模擬提供了新的思路。運(yùn)用建立的模型對不同埋深管道上方覆蓋層在爆炸荷載作用下的破壞過程、毀傷規(guī)律以及空氣中爆炸沖擊波的衰減規(guī)律進(jìn)行研究，為建立全面的城市地下管道風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系和確定安全防護(hù)規(guī)范提供了參考。研究結(jié)果表明：對于不同埋深管道爆炸，管道上層覆土層的厚度對爆炸后管壁產(chǎn)生的壓力影響不大；隨著埋深的增加，在空氣中形成的傷害破壞范圍變小，空氣超壓衰減符合空氣中爆炸后沖擊波的衰減規(guī)律，埋深每增加0.1m，其空氣超壓減小4.5%～5.1%左右。

埋地管道爆炸；AUTODYN；數(shù)值模擬；安全防護(hù)距離

埋地管道在正常運(yùn)行情況下，管道內(nèi)部為正壓，且助燃物含量低，難以形成爆炸環(huán)境。但是在一些特定情況下，由于在城市中存在著大量的市政管道、暗渠等有限空間，易形成爆炸環(huán)境空間。本項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容即以此實(shí)際存在的特殊定情況為基礎(chǔ)，假設(shè)在廢棄的市政管道中形成了這樣的爆炸環(huán)境，對于其爆炸的最嚴(yán)重后果進(jìn)行分析，分析相關(guān)因素對于埋地管道內(nèi)部爆炸后果的影響規(guī)律。

1 管道爆炸等效模型

1.1 管道爆炸TNT當(dāng)量等效可行性分析

目前，對于壓力容器的物理爆炸（如蒸汽管道爆炸）和化學(xué)爆炸（如可燃?xì)庠票迹﹩栴}，均可采用等效TNT[1]模型計(jì)算沖擊波超壓。等效TNT模型采用能量相當(dāng)法則，將氣體爆炸產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為TNT爆炸產(chǎn)生的能量，從而預(yù)測爆炸威力。張麗[2]在對工業(yè)過程中爆炸破壞效應(yīng)的計(jì)算模型采用TNT當(dāng)量法分析爆炸的破壞效應(yīng)；程華瑞[3]等利用TNT當(dāng)量模型對鍋爐爆炸機(jī)理進(jìn)行了研究，計(jì)算鍋爐爆炸能量和危害半徑；劉華東[4]徐慧[5]孔德森[6]等也利用TNT當(dāng)量法進(jìn)行爆炸能量，峰值超壓的計(jì)算和模擬。

1.2 管道爆炸能量計(jì)算

采用總能量相同的等效方法，凝聚相TNT質(zhì)量通過下式計(jì)算，首先通過熱力學(xué)計(jì)算得到可燃?xì)怏w燃燒釋放的熱量，之后通過下式轉(zhuǎn)化成TNT當(dāng)量（kg）：

依據(jù)此公式可以看出須對氣相空間可燃?xì)怏w爆炸能量進(jìn)行求解。參考城市燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)規(guī)范[7]的內(nèi)容，選擇了管道直徑為600mm，外壁厚10mm的高壓（A）型燃?xì)夤艿?，選取20m長度作為數(shù)值建模的初始管道模型。假定在一些特殊情況下，泄漏到管道中的可燃?xì)怏w為甲烷，管道內(nèi)壓力為4MPa，地下空間的內(nèi)部可以形成封閉爆炸環(huán)境，理論上可燃性氣體與助燃性氣體以化學(xué)計(jì)量比濃度混合時(shí)，爆炸強(qiáng)度最大，故假定氫氧按化學(xué)計(jì)量比濃度配合。

下面計(jì)算的數(shù)據(jù)將基于上述假設(shè)。根據(jù)維里氣體狀態(tài)方程可得：

標(biāo)準(zhǔn)狀況下，燃?xì)夤艿腊l(fā)生化學(xué)爆炸的反應(yīng)方程式如下：

CH4+O2→CO2+2H2O-890.31kJ/mol

將甲烷物質(zhì)的量帶入可得到釋放的能量為：

由上面的公式可以得到等效的TNT的量為WTNT=165.22kg。

2 管道爆炸數(shù)值模擬模型

2.1 數(shù)值模擬模型建立與計(jì)算

計(jì)算模型是按照1∶1比例建立的三維實(shí)體模型，分為空氣、土壤、管道、炸藥四個(gè)單元，土壤計(jì)算單元為20m×10m×4m，空氣計(jì)算單元為20m×10m×14m，管道建立了直徑600mm長度為20m的殼體單元，炸藥計(jì)算單元建立底面積為0.04m2，長度為2.4m的TNT炸藥源利用軟件建立的模型圖，如圖1。

圖1 三維模型圖和網(wǎng)格劃分圖

2.2 不同埋深條件下管道上方覆土層在爆炸沖擊作用下變化規(guī)律

運(yùn)用建立的模型對于不同埋深的管道爆炸進(jìn)行模擬，設(shè)置了五組對比實(shí)驗(yàn)，埋深（管道中心線到地表面的距離）分別為0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m。圖2為管道埋深為1.0m的在管道爆炸后其上方覆土層隆起高度隨時(shí)間的變化圖。

圖2 管道上方覆土層隨時(shí)間變化圖

從圖2中可以得到，管道上方覆土層隆起首先從等效炸藥中心處開始，并隨著時(shí)間推移沿管道長度方向地表面也出現(xiàn)隆起，最終管道上方地表面最高隆起高度為2.3m。此模型中，因?yàn)閷怏w爆炸等效為一定體積TNT藥包放置在管道中心處，中心起爆后，除了沿管道內(nèi)部長度方向進(jìn)行作用與傳播之外，對管道中心上方覆土層首先受到?jīng)_擊，先是爆炸沖擊波的作用，隨后生成的高溫高壓氣體對外做功，沖擊波壓力作用下管壁沿著爆炸波傳播的方向作橫向壓縮，如果早期運(yùn)動過程中不發(fā)生層裂失效破壞，管壁在這階段仍會保持整體狀態(tài)，繼續(xù)向外產(chǎn)生膨脹運(yùn)動。膨脹運(yùn)動使材料單元在環(huán)向受拉伸作用，最終發(fā)生斷裂，同時(shí)還對包圍管道的土介質(zhì)壓縮，使兩者一齊向外擴(kuò)散運(yùn)動，爆炸沖擊波傳播到地表面時(shí)，會在界面處形成拉伸作用的稀疏波，此時(shí)爆炸沖擊波和稀疏波同時(shí)作用于覆土層，使其隆起。隨著時(shí)間的推移，沿管道長度方向爆炸產(chǎn)生的氣體和爆炸沖擊波的能量逐漸降低，其上方覆土層不會像管道中心處隆起很高。此模型模擬的結(jié)果與歷次發(fā)生的管道爆炸對地表面的毀壞效應(yīng)相一致。不同的是一般的管道爆炸是可燃?xì)怏w泄露到一定的密閉空間中發(fā)生爆炸，再有可能引起管道內(nèi)部氣體的二次爆炸，此處是假設(shè)在管道內(nèi)形成了密閉的爆炸空間。此模型的建立給埋地管道爆炸模擬提供了新的思路。

2.3 不同埋深條件下空氣中爆炸超壓變化規(guī)律

利用模型中設(shè)置的GAUGE點(diǎn)對垂直管道距離地表面1m的空氣超壓進(jìn)行記錄，以距離管道中心即爆炸點(diǎn)的距離為橫坐標(biāo)，得到下面的不同埋深埋地管道爆炸后地表面空氣超壓隨距離變化圖，如圖3。

圖3 空氣中超壓隨距離變化圖

從圖3中可以看出，在垂直于管道地表面方向上，超壓大小隨著埋地管道深度的增加而減小，離管道中心的等效炸藥越近超壓下降得越快，隨著距離的增加，衰減趨于平緩，但是不同埋深管道爆炸后在空氣中超壓下降趨勢一致。埋深為0.6m的管道爆炸后地表面產(chǎn)生的空氣超壓最大，埋深為1.4m的管道爆炸后在地表面產(chǎn)生的空氣超壓最小，因?yàn)楣艿郎戏礁餐翆拥拇嬖?，管道爆炸后產(chǎn)生的沖擊波能量和爆炸生成氣體的能量經(jīng)過土壤層的吸收衰減才能傳播到地表面，在空氣中形成超壓，埋深越深爆炸后釋放到空氣中的能量越少，這也符合一般認(rèn)知規(guī)律，下面對其影響范圍和程度的規(guī)律進(jìn)行了研究。

利用超壓場分布可以預(yù)測埋地管道爆炸的超壓作用范圍。根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)，可分別獲得不同埋深垂直管道豎直方向上距離上峰值超壓的最小二乘擬合函數(shù)，其表達(dá)通式為：

式中：

?P—垂直埋地管道地表面以上豎直方向?qū)?yīng)的峰值超壓，MPa；

R—距離，m；

M—等效炸藥質(zhì)量，kg；

a、b和c—擬合常數(shù)。分別對五組不同深度管道數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

眾所周知，人員和設(shè)備在沖擊波作用下將受到不同程度的傷害和破壞作用，對人員的傷害范圍可以根據(jù)人員在超壓下致死或死亡的概率進(jìn)行描述，對建筑物的危害范圍可以使用側(cè)向超壓峰值估算爆炸的破壞程度，因此為明確不同超壓范圍，選取0.02MPa、0.03MPa、0.05MPa、0.1MPa臨界值作為計(jì)算依據(jù)，以埋深0.6m的超壓擬合圖為例，得出上述臨界值對應(yīng)的臨界距離，如圖4所示，其他四個(gè)埋深同樣的做法，結(jié)果如下表。

表 不同深度對應(yīng)的破壞距離

從上表可以看出，在此假設(shè)情況下，隨著埋深從0.6m到1.4m，其傷害距離逐漸變小，不同臨界值對應(yīng)的臨界距離分別減小40.8%、38.2%、36.1%、35.8%。

圖4 埋深0.6m空氣超壓擬合圖

圖5 不同埋深管壁壓力隨距離變化圖

2.4 不同埋深條件下管道爆炸后管壁壓力變化規(guī)律

在模擬過程中從起爆中心開始沿著管道的方向每隔0.5m設(shè)置了一個(gè)觀測點(diǎn)，用來記錄管壁在爆炸后受到的壓應(yīng)力，圖5為5組不同埋深管道爆炸后在管壁產(chǎn)生的壓力隨距離變化的點(diǎn)圖。從圖中可以看出，不同埋深的管道爆炸后管壁所受的壓力幾無差別，說明管壁所受壓力大小主要與內(nèi)部炸藥爆炸有關(guān)，與管道上方覆土層的厚度。管壁受到的壓力隨著與起爆點(diǎn)距離的增加先增大后迅速減小最后趨于平緩。這個(gè)變化過程是與模擬所做的假設(shè)相一致的爆炸能量首先疊加，在1m產(chǎn)生最大壓力外，后隨反應(yīng)完成，壓力迅速下降。

3 結(jié)論

在一定假設(shè)簡化條件下，利用ANSYS軟件中的WORKBENCH和AUTODYN模塊建立了埋地管道爆炸模型，并從理論、相關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)對比和模擬結(jié)果上說明了此模型的合理性，對于埋地燃?xì)鈮毫艿赖臄?shù)值模型的建立提供了新的思路，為管道安全性評估與設(shè)計(jì)提供了參考。主要得到下面幾個(gè)方面的結(jié)論：

（1）利用TNT當(dāng)量法作為假設(shè)來進(jìn)行埋地管道爆炸數(shù)值模擬是一種可行的方法，通過分析結(jié)果來看能夠有效地模擬埋地管道爆炸產(chǎn)生的破壞后果。

（2）對于不同埋深管道爆炸，管道上層覆土層的厚度對爆炸后管壁產(chǎn)生的壓力影響不大。此模擬結(jié)果中，爆炸中心附近隆起高度最大，破壞程度最嚴(yán)重，沿管道長度方向地表面會在爆炸能量作用下發(fā)生一定程度的隆起。

（3）隨著埋深的增加，在空氣中形成的傷害破壞范圍變小，空氣超壓衰減符合空氣中爆炸后沖擊波衰減規(guī)律，埋深每增加0.1m，其空氣超壓減小4.5%～5.1%左右。

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