城市排水涵道油氣混合氣體爆炸研究現(xiàn)狀及展望

楊 凱，呂淑然，楊 進

（1.首都經(jīng)濟貿(mào)易大學安全與環(huán)境工程學院，北京 100070；2.中國寰球工程公司，北京 100012）

隨著我國城鎮(zhèn)化進程與城市建設規(guī)模的發(fā)展，城市規(guī)劃與城市建設發(fā)展不匹配、不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象也越來越突出，在構(gòu)筑城市生命線的各類管網(wǎng)的規(guī)劃布局方面則更為顯著，其中危險性、風險性極高的油氣運輸管道與各種市政管網(wǎng)以及與居民區(qū)、街道、學校等各種大規(guī)模人員聚集區(qū)未能科學合理布局，出現(xiàn)諸如：油氣運輸管道與各種市政管網(wǎng)等距離近或交叉布置，城市基礎設施壓占油氣運輸管道，甚至有的油氣運輸管道從居民社區(qū)、學校、廠區(qū)地下穿過。油氣運輸管道與市政管網(wǎng)、暗渠交叉，甚至出現(xiàn)油氣運輸管道在排水涵道內(nèi)懸空架設，這些管道一旦腐蝕或因外力破壞而發(fā)生泄漏，泄漏的油氣將直接進入排水涵道，并在涵道內(nèi)流淌蔓延。同時，油氣運輸管道與居民區(qū)、學校的安全距離不符合規(guī)范要求，一旦油氣泄漏并在排水涵道內(nèi)發(fā)生爆炸，將對居民及城市的安全構(gòu)成巨大威脅。

國內(nèi)外關于油氣管道和儲庫泄漏，大量油氣進入下水涵道進而引起嚴重爆炸的事故屢有發(fā)生，如：1985年6月27日，重慶市中區(qū)、大溪溝、羅家院一帶曾發(fā)生轟動全國的下水道爆炸事故，造成人員重大傷亡，這次事故的原因不是沼氣的積累，而是由于85號汽油大量漏入下水道中，遇到明火而引起的爆炸；1992年4月22日，墨西哥瓜達拉哈拉市發(fā)生過一次油氣大爆炸事故，造成200多人死亡、1 470人受傷、多人失蹤，1 124座住宅、450多家商店、600多輛汽車、8km 長的街道以及通信和輸電線路被毀壞，造成事故的主要原因是汽油運輸管道與市政管道的接觸處發(fā)生腐蝕，造成汽油泄漏進而引發(fā)污水排放管道的爆炸；1995年8月20日，在侯馬市的繁華地區(qū)400多米路段的下水道發(fā)生了強烈的爆炸，此次爆炸事故的原因是可燃液體（汽油）泄漏進入下水道，遇明火后引起爆炸；2001年10月30日，安徽省滁州市城區(qū)某加油站汽油泄漏，引起市政排污管道爆炸并多處起火，爆炸點91處，長度達1 800m；2010年1月11日，南京白下區(qū)柏果樹47號附近路面疑因地下管道氣體泄漏爆炸，導致地面2～3m2塌陷，現(xiàn)場地下管道錯綜復雜且附近有高壓電纜，爆炸原因無法確定；2012年12月31日，湖南省永順縣因為汽油流入下水管道發(fā)生爆炸事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)事故原因為該縣某加油站工作人員在油罐轉(zhuǎn)油過程中違規(guī)操作，汽油溢出后經(jīng)加油站排水溝流入城區(qū)下水道燃燒并引發(fā)輕微爆炸，最終造成2人死亡；2013年11月22日，山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故，導致62人死亡、136人受傷，造成事故的原因是輸油管道破裂導致原油泄漏，原油部分反沖出路面，大部分從泄漏處直接進入排水暗渠，最終造成數(shù)千米暗渠發(fā)生爆炸事故；等等［1-4］。針對山東省青島市“11·22”石油泄漏爆炸事故，國務院關于“山東省青島市‘11·22’中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故調(diào)查報告的批復”中要求：吸取事故教訓，加快安全保障技術研究，健全完善安全標準規(guī)范；深入研究油氣管道可能發(fā)生事故的成因機理，開展油氣管道長周期運行、泄漏檢測報警、泄漏處置和應急技術研究，提高油氣管道安全保障能力［5］?；谏鲜鍪鹿试蚝褪鹿侍幚硪庖姡斜匾獙κ托孤┻M入下水涵道內(nèi)發(fā)生爆炸的機理、石油蒸汽在排水涵道內(nèi)的爆炸機理進行深入的研究，進而為保證石化行業(yè)安全生產(chǎn)提供理論支持。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外對油氣混合物爆炸主要針對爆炸性混合氣體的爆炸機理以及爆炸指數(shù)、爆炸極限、爆炸在不同受限空間內(nèi)的傳播機理等方面進行了研究，主要采用實驗研究和數(shù)值仿真計算等研究方法，研究主要集中于石油天然氣罐區(qū)、地下儲庫、油氣運輸管道等場所的油氣泄漏爆炸，而關于下水涵道內(nèi)氣體爆炸的研究主要集中于城市地下排水涵道內(nèi)有毒易爆氣體的監(jiān)測和氣體爆炸風險評估模型的建立等方面［6-9］。

1.1 沼氣與油氣在排水涵道內(nèi)的聚集和運移規(guī)律研究

目前我國城市污水管道和雨水管道都是共用一條管道，而根據(jù)我國居民的生活習慣，在排放的城市生活污水中包含大量的食用油污、餐廚垃圾等有機物，這些食用油污、有機物是地下沼氣的主要來源；同時，在臨近加油站、汽車修理廠附近的地面上聚集了大量汽油、機油等油污，這些油污在下雨季節(jié)會隨著雨水排入城市污水管道，在排水涵道內(nèi)與食用油污等有機物共同作用，形成復雜的油氣混合物，其主要成分有甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）等有毒易燃易爆氣體。因此，國內(nèi)污水管道或窨井發(fā)生爆炸的事故時有發(fā)生，如2008年6月廣東湛江下水管道發(fā)生連環(huán)爆炸；2011年12 月香港牛池灣新清水灣道一個水管接駁工程地盤發(fā)生一起沼氣爆炸事故，造成一死三傷的慘?。?014年8 月臺灣高雄市前鎮(zhèn)區(qū)多條街道陸續(xù)發(fā)生可燃氣體外泄，并引發(fā)排水涵道多次大爆炸，造成多人傷亡。

我國學者對城市污水管道內(nèi)氣體爆炸進行了一些研究，如李代明［10］對城市下水道爆炸的特點和原因進行了研究，提出了處置下水道爆炸應采取的措施；米莉［11］對城市下水道氣體爆炸風險評估開展了研究，基于現(xiàn)有下水道氣體的安全管理經(jīng)驗，建立了城市下水道氣體爆炸半定量風險評估模型，認為城市下水道氣體爆炸風險是可燃氣體積聚可能性與爆炸后果的綜合體現(xiàn)；胡修穩(wěn)［12］對重慶主城區(qū)污水管道氣體安全風險評估模型進行了研究，從理論上分析了影響爆炸的因素，并基于爆炸波模型，計算了污水管道體系的爆炸極限；方德瓊［13］對山地城市污水管道中有害氣體的檢測及分布規(guī)律開展了研究。由于國外污水管道發(fā)生爆炸事故少，因此國外對排污管道爆炸方面的研究很少，只有Sayers Source［14］研究認為下水道內(nèi)可能存在CH4、H2S、氨氣（NH3）、氫氣（H2）、CO等內(nèi)源性氣體，還可能存在由于企業(yè)排放或居民傾倒而產(chǎn)生的外源性氣體，如苯、二甲苯、乙醇、揮發(fā)性有機物等；Lim 等［15］對排污管道的污水收集系統(tǒng)中用于氣體檢測的傳感器進行了研究；等等。目前研究得出排水涵道內(nèi)氣體分布和濃度變化與環(huán)境、壓力、檢測位置有關，但是對排水涵道內(nèi)氣體的聚集和轉(zhuǎn)移規(guī)律還沒有系統(tǒng)的研究。由于排水涵道的尺寸、形狀的不同，涵道鋪設時的坡度也不一樣，有緩坡式的，也有臺階式的；有的排水涵道因排水量大，從而形成對氣體的堵塞，這些都是影響涵道內(nèi)氣體聚集的因素，這也是在上千米的排水涵道內(nèi)不同的地方相繼發(fā)生爆炸且爆炸危害程度不同的原因。

1.2 石油蒸汽與沼氣形成的多元性混合物爆炸機理研究

國內(nèi)有關對油氣混合物爆炸機理的研究主要是針對石油蒸汽中一二種氣體與空氣形成的混合物的爆炸特性進行的研究。如蔣勇等［16］對烷烴類燃料與空氣的預混氣著火過程進行了數(shù)值預測，研究了在不同點火溫度、不同當量比和不同壓力下的著火延遲時間，同時預測了火焰中反應物、主產(chǎn)物、自由基濃度以及溫度變化的時間進程；胡洪宣等［17］對輸油管道中汽油蒸汽爆炸的規(guī)律進行了研究，建立了簡化的流動耦合化學反應機理的湍流燃燒模型，以有限體積法求解爆炸流動及反應控制方程，對二維壓力管道中汽油蒸汽爆炸的過程及規(guī)律進行了數(shù)值模擬；Razus等［18］研究了液化石油氣-空氣混合物在密閉容器中的爆炸特性，得出爆炸參數(shù)對環(huán)境壓力和混合比依賴性較大的結(jié)論；Movileanu等［19］研究了氣體乙烯-空氣混合物在密閉圓形容器中中間點火時的爆炸情況，得出爆燃指數(shù)受壓力、濃度和容器的影響很大；Huzayyin等［20］對液化石油氣-空氣和丙烷-空氣混合物的層流燃燒速度和爆炸指數(shù)進行了試驗研究，并研究了混合氣體的層流燃燒速度隨溫度、壓力、當量比的變化情況，從而得到混合氣體的爆炸指數(shù)，為危險廢棄物防爆和儲油罐通風提供了依據(jù)；Salzano等［21］對氫-甲烷-空氣混合物在不同混合比和不同初始壓力下的爆炸行為進行了試驗研究，得到了包括最大壓力、最大壓力增長速度、燃燒速度等爆炸參數(shù)，并通過公式可以對燃燒情況進行預測；Dufaud等［22］研究了蒸汽-粉塵混合物的爆炸與蒸汽爆炸和粉塵爆炸的不同，得到了混合物促進了燃燒動力和爆炸壓力增長，蒸汽的加入可以影響爆炸極限范圍等結(jié)論。

然而，上述研究中一個重要不足就是沒有涉及對石油蒸汽與排水涵道內(nèi)沼氣和空氣形成的多元性油氣混合物的爆炸機理的研究。由于輕質(zhì)石油的蒸汽以C2～C6烷類氣體為主，而沼氣由CH4、CO2、CO、H2S、NH3、N2等有毒易燃易爆氣體組成，并且普遍存在于城市地下的排水涵道內(nèi)，當石油蒸汽與沼氣-空氣形成多元性油氣混合物后，沼氣中的CH4、CO、H2S等可燃性氣體含量在理論上會增加石油蒸汽的爆炸極限范圍，而CO2、N2等惰性氣體含量則會對爆炸有抑制作用。當石油蒸汽與沼氣形成的多元性混合物爆炸時，與單獨一種氣體相比，其爆炸極限范圍將出現(xiàn)增加或減少的現(xiàn)象，而初始壓力、環(huán)境溫度、油氣當量比對混合物爆炸的影響也將發(fā)生改變，爆炸點火能量也將有所不同，因此可以推斷石油蒸汽與沼氣形成的多元性混合物的爆炸極限范圍和爆炸點火能量都將與一二種氣體混合物的爆炸不同。

1.3 油氣混合物爆炸在管道等受限空間內(nèi)的傳播規(guī)律研究

國內(nèi)外一些學者對油氣混合物爆炸在管道等受限空間內(nèi)的傳播規(guī)律進行了研究。如周凱元等［23］對丙烷-空氣爆燃波的火焰面在直管道中加速運動的規(guī)律及其影響因素進行了初步試驗研究，包括爆燃火焰在光滑內(nèi)壁管道中的傳播狀況，管道直徑和點火能量的變化以及當管道內(nèi)有障礙物時對火焰加速度的影響；蔣新生等［24］對油氣混合物在復雜受限空間中主坑道爆炸波發(fā)展進行了數(shù)值模擬試驗研究，得出了湍流對爆炸特性的影響機理；畢明樹等［25］對管道內(nèi)可燃氣體爆燃進行了一維數(shù)值模擬，獲得了不同時刻爆燃的壓力場、溫度場、密度場，并討論了可燃氣體活性、組分以及管道長度對爆燃壓力和壓力上升速率的影響；Emami等［26］對氫-空氣預混和氫-甲烷-空氣混合物在90°彎管中的爆炸進行了試驗研究，得到了爆炸產(chǎn)生的火焰速度、火焰?zhèn)鞑ズ统瑝旱葏?shù)；Razus等［27］對碳氫化合物-空氣混合物在密閉容器中的爆炸壓力進行了研究，測試了不同長度和直徑比下的圓柱形容器中的壓力值；Gieras等［28］研究了燃燒室容積對己烷-空氣混合物的爆炸上限的影響，得出隨著液滴平均粒徑和燃燒室容積的增加，氣體爆炸上限也在增加；Tauseef等［29］利用流體力學理論對液化石油氣蒸汽云的爆炸進行了研究，并考察了障礙物的形狀對蒸汽云爆炸威力的影響以及障礙物產(chǎn)生的湍流對爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊懀籒áinna等［30］研究了管道中兩個障礙物形成的不同分割間距對火焰?zhèn)鞑ズ捅ㄍΞa(chǎn)生的影響。

以上研究只是針對爆炸腔室尺寸、形狀以及爆炸腔室內(nèi)固體障礙物位置改變對爆炸機理和爆炸傳播規(guī)律的影響進行的試驗模型研究，但沒有考慮爆炸腔室內(nèi)的水等液體對爆炸極限和爆炸傳播規(guī)律的作用。由于城市地下的排水涵道本身的尺寸和形狀各異，加之排水涵道內(nèi)還含有污泥和污水，污泥對排水涵道的尺寸會有影響，而涵道內(nèi)污水液面的不同也對爆炸極限、爆炸超壓、爆炸指數(shù)、最大壓力增長速度、燃燒速度與爆炸傳播規(guī)律會產(chǎn)生一定的影響。

2 研究展望

總之，針對目前城市排水涵道內(nèi)的油氣混合物爆炸研究方面仍存在的問題，今后應當重點開展以下方面的研究：

（1）開展排水涵道內(nèi)氣體聚集和運移規(guī)律的系統(tǒng)研究，從而有針對性地對油氣易聚集的地方進行檢測和預防。

（2）開展排水涵道內(nèi)的沼氣對石油蒸汽爆炸極限、點火能量等爆炸特性參數(shù)的影響研究，這對預防城市排水涵道內(nèi)油氣混合氣體爆炸有著重要的意義。

（3）開展石油蒸汽在下水涵道內(nèi)的爆炸傳播規(guī)律研究，從而為通過控制涵道內(nèi)的水位來控制爆炸產(chǎn)生的危害提供理論支持。

通過以上研究，不僅能夠?qū)︻A防油氣混合物在排水涵道內(nèi)發(fā)生爆炸起到促進作用，而且還可以根據(jù)氣體在排水涵道內(nèi)的聚集規(guī)律有針對性地對涵道內(nèi)的氣體進行監(jiān)測，提出有效的防治技術并促進相關學科理論的完善，具有重要的學術意義。

［1］許鋒.對一起汽油泄漏爆炸事故處置的體會［J］.消防科學與技術，2002（2）：74-75.

［2］謝振輝，王秀芳，黃艷，等.下水道爆炸事故的原因及對策［J］.中國給水排水，1997，13（4）：44-45.

［3］陸譯.瓜達拉哈拉的人間地獄［J］.勞動保護，2008（6）：74-77.

［4］吳莉.追蹤青島“11·22”爆炸事故四大懸疑［N］.中國能源報，2013-12-16（14）.

［5］國務院山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故調(diào)查組.山東省青島市“11·22”中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特別重大事故調(diào)查報告［R／OL］.（2014-01-11）http：／／www.chinasafety.gov.cn／newpage／Contents／Channel.21140／2014／0111／229141／content-229141，htm.

［6］周毅，趙曉剛.山洞油庫地下管溝油氣泄漏聚集量的預測研究［J］.安全與環(huán)境工程，2012，19（3）：96-99.

［7］任常興，馬千里，李晉，等.大型儲油罐區(qū)油氣抑爆技術探討［J］.安全與環(huán)境工程，2012，19（6）：122-124.

［8］劉國志，彭英偉，伍東，等.天然氣管道失效分析與防范對策［J］.安全與環(huán)境工程，2012，19（3）：100-104.

［9］曲文晶，張來斌，馬慶春.液化石油氣球罐泄漏擴散的數(shù)值模擬［J］.安全與環(huán)境工程，2012，19（4）：119-124.

［10］李代明.城市下水道爆炸的原因及處置措施［J］.消防技術與產(chǎn)品信息，2007（4）：35-36.

［11］米莉.城市下水道和化糞池氣體爆炸風險評估與預警機制研究［D］.重慶：重慶大學，2010.

［12］胡修穩(wěn).重慶主城區(qū)污水管道氣體安全風險評估模型研究［D］.重慶：重慶大學，2012.

［13］方德瓊.山地城市污水管道中有害氣體的檢測及分布規(guī)律研究［D］.重慶：重慶大學，2012.

［14］Sayers Source R R.Gas Hazards in Sewers and sewerage-treatment plants［J］.Public Health Reports（1896-1970），1997，112：145-155.

［15］Lim J S，Kim J，F(xiàn)riedman J.Sewer Snort：A drifting sensor for in situ Wastewater Collection System gas monitoring［J］.Ad Hoc Networks，2013，11：1456-1471.

［16］蔣勇，吳志新，朱寧，等.烷烴類燃料／空氣預混氣著火過程數(shù)值預測［J］.火災科學，2001（3）：135-139.

［17］胡洪宣，張國權(quán)，陳思維.輸油管道中汽油蒸汽爆炸的規(guī)律研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2011（4）：27-28，58.

［18］Razus D，Oancea D，Brinze V，et al.Experimental and computed burning velocities of propane-air mixtures［J］.Energy Conversion and Management，2010，51：2979-2984.

［19］Movileanu C，Gosa V，Razus D.Explosion of gaseous ethyleneair mixtures in closed cylindrical vessels with central ignition［J］.Journal of Hazardous Materials，2012，235／236：108-115.

［20］Huzayyin A S，Moneib H A，Shehatta M S.Laminar burning velocity and explosion index of LPG-air and propane-air mixtures［J］.Fuel，2008，87：39–57.

［21］Salzano E，Cammarota F，Benedetto A D，et al.Explosion behavior of hydrogen methane／air mixtures［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25：443-447.

［22］Dufaud O，Perrin L，Traore M，et al.Explosions of vapour／dust hybrid mixtures：A particular class［J］.Powder Technology，2009，190：269-273.

［23］周凱元，李宗芬.丙烷-空氣爆燃波的火焰面在直管道中的加速運動［J］.爆炸與沖擊，2000（2）：137-142.

［24］蔣新生，杜揚，袁占國，等.局部擾動對主坑道爆炸波發(fā)展的數(shù)值模擬與實驗研究［J］.安全與環(huán)境學報，2005（5）：19-23.

［25］畢明樹，尹旺華，丁信偉，等.管道內(nèi)可燃氣體爆燃的一維數(shù)值模擬［J］.天然氣工業(yè)，2003（4）：89-92，145.

［26］Emami S D，Rajabi M，Hassan C R C，et al.Experimental study on premixed hydrogen／air and hydrogen methane／air mixtures explosion in 90degree bend pipeline［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2013，38：14115-14120

［27］Razusa D，Movileanu C，Brinze V.Explosion pressures of hydrocarbon–air mixtures in closed vessels［J］.Journal of Hazardous Materials B，2006，135：58-65.

［28］Gierasa M，Klemensa R，Kuhl A.Influence of the chamber volume on the upper explosion limit for hexane–air mixtures［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2008，21：423-436.

［29］Tauseef S M，Rashtchian D，Abbasi T.A method for simulation of vapour cloud explosions based on computational fluid dynamics（CFD）［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2011，24：638-647.

［30］Na’inna A M，Phylaktou H N，Andrews G E.The acceleration of flames in tube explosions with two obstacles as a function of the obstacle separation distance［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2013，16：1597-1603.