李 勇 鋒

(中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007)

1 研究背景

當(dāng)前，我國正在大力推進(jìn)生態(tài)文明社會建設(shè)，為了有效控制和解決環(huán)境污染問題，政府一直倡導(dǎo)和推廣使用無污染的新能源、新技術(shù)。相對煤炭和石油等傳統(tǒng)能源，天然氣不僅在開采、儲運(yùn)和使用等方面具有一定優(yōu)勢，更因其清潔、燃燒效能高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用于城市燃?xì)?、工業(yè)燃料、發(fā)電和化工生產(chǎn)中。隨著西氣東輸、川氣東送等大型天然氣工程以及北方地區(qū)煤改氣等政策的實(shí)施，我國天然氣管道網(wǎng)絡(luò)得以迅猛發(fā)展，城鎮(zhèn)天然氣管道網(wǎng)普及率逐步提高，燃?xì)庥脩魯?shù)量和燃?xì)庀牧恐鹉暝黾印?017年，國內(nèi)天然氣消費(fèi)量超過2 300億m3，同比增長超過15%，消費(fèi)增幅居全球首位。2018年，國內(nèi)1月～7月天然氣消費(fèi)量約1 572億m3，同比增長17.8%，成為全球天然氣消費(fèi)的最大驅(qū)動力量[1]。

燃?xì)恺嫶蟮男枨罅渴沟闷湓谏a(chǎn)、存儲、輸運(yùn)和使用等諸多環(huán)節(jié)都面臨著巨大的安全挑戰(zhàn)。天然氣燃點(diǎn)較低，具有易燃易爆的特性，燃?xì)庋b置因外界條件異常、設(shè)備老化以及人為疏忽等因素導(dǎo)致燃?xì)庑孤┖?，即便是靜電火花、打電話、電源火花和金屬摩擦等細(xì)小行為都有可能引發(fā)火災(zāi)和爆炸等重大安全事故。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[2]，僅2017年發(fā)生的燃?xì)獗ㄊ录统^950起，造成多人傷亡。其中僅7月份就發(fā)生112起燃?xì)獗ㄊ鹿省?018年上半年，發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿?90余起。

2 可燃?xì)怏w爆炸的特點(diǎn)及影響因素

可燃?xì)怏w泄漏形成燃?xì)夂涂諝饣旌系目扇細(xì)庠疲跊]有點(diǎn)火源或者點(diǎn)火源能量沒有達(dá)到引爆條件(雖然可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸所需的引爆能量極低)的情況下，混合氣云會隨風(fēng)慢慢消散，當(dāng)濃度達(dá)到燃?xì)獍l(fā)生爆炸的濃度下限時(shí)就難以對人員和建筑物造成較大的傷害，而一旦可燃?xì)庠圃谳^適宜的濃度被點(diǎn)燃，極有可能會發(fā)生火災(zāi)或爆炸。

2.1 可燃?xì)怏w爆炸的特點(diǎn)

可燃?xì)怏w爆炸荷載的早期研究是以凝聚相炸藥爆炸荷載的相關(guān)研究為基礎(chǔ)的，通過能量法將可燃?xì)怏w爆炸等效為一定當(dāng)量的凝聚相炸藥爆炸，但燃?xì)獗ㄅc炸藥爆炸在以下兩個(gè)方面還是存在較大的差異：

1)密閉空間燃?xì)獗ㄋa(chǎn)生的理想超壓荷載峰值約為700 kPa，該數(shù)值在泄爆空間和開敞空間會得到極大削弱，遠(yuǎn)小于凝聚相炸藥爆炸可以產(chǎn)生的兆帕級超壓荷載峰值。

2)燃?xì)獗ㄟ^程(包括升壓和降壓等過程在內(nèi))相對于近乎瞬發(fā)的凝固相炸藥爆炸而言顯得十分緩慢，往往需要幾百毫秒才能完成。

2.2 可燃?xì)怏w爆炸荷載的影響因素

可燃?xì)怏w爆炸產(chǎn)生的荷載受多種內(nèi)部因素和外部因素影響。

1)氣體種類。

不同種類的氣體燃燒熱不同，在相同體積條件下，氣體爆炸產(chǎn)生的能量也不相同。在相似的實(shí)驗(yàn)條件下，不同種類的可燃?xì)庠茣a(chǎn)生不同的爆炸荷載。

2)氣體濃度。

燃?xì)獗ū举|(zhì)上是一個(gè)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放能量的過程，而可燃?xì)怏w的濃度會直接影響到化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡狀態(tài)。每種可燃?xì)怏w都有各自的爆炸下限濃度、爆炸上限濃度和化學(xué)計(jì)量濃度，當(dāng)氣體濃度低于爆炸下限或高于爆炸上限時(shí)，氣體不會發(fā)生爆炸；當(dāng)氣體濃度處于爆炸濃度區(qū)間(即氣體濃度大于爆炸下限濃度并且小于爆炸上限濃度)并且接近極限濃度時(shí)，爆炸產(chǎn)生的概率會很低；即使發(fā)生爆炸，其產(chǎn)生的爆炸荷載也較小；最大的爆炸荷載通常產(chǎn)生于化學(xué)計(jì)量濃度附近。

3)體積大小。

對于單一氣體，其燃燒熱是固定的，體積越大，氣云所含能量越大，所以通常情況下，氣體爆炸產(chǎn)生的爆炸強(qiáng)度與氣體體積具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，但是二者不具有明顯的正比關(guān)系。

4)流動狀態(tài)。

氣體在流動過程中可以分為層流和湍流兩種主要流動狀態(tài)，在燃燒過程中仍然具有這種性質(zhì)。湍流相對于層流，會大大增加火焰面積，從而加快燃燒速度。

5)約束條件。

氣體爆炸根據(jù)爆炸邊界的約束不同，可以粗略地分為開敞空間爆炸，泄爆空間爆炸和密閉空間爆炸，在不同的爆炸模式下，爆炸荷載的大小和計(jì)算方法也不相同。在其他條件一致時(shí)，通常情況下，密閉空間爆炸荷載最大，開敞空間爆炸荷載最小，泄爆空間爆炸荷載居中。

另外，障礙物以及點(diǎn)火源強(qiáng)度和位置等也會對燃?xì)獗ê奢d產(chǎn)生較大影響。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對開敞空間或半開敞空間氣體爆炸荷載進(jìn)行了研究。

Sato等[4]在體積分別為5.2 m3和37 m3的聚乙烯薄膜內(nèi)進(jìn)行了濃度為20%～50%的氫氣/空氣混合氣體爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：化學(xué)計(jì)量濃度(約30%)的超壓和沖量大于其他濃度的相應(yīng)量，爆炸超壓隨傳播距離增大而減小，不同體積的爆炸試驗(yàn)在比例爆距相等的位置爆炸荷載幾乎相同。

任新見等[5]在半徑為1.2 m的半球形塑料薄膜內(nèi)進(jìn)行了濃度為4.47%～9.50%的液化氣氣云的爆炸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在弱點(diǎn)火條件下，液化氣氣云發(fā)生爆燃存在濃度極限，爆炸濃度區(qū)間為3.68%～9.50%，爆燃超壓與爆心距之間近似成反比關(guān)系。