黃志華

(廈門市政集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000)

0 引言

綜合管廊是建造于城市地下，用于敷設(shè)給水、再生水、雨水、污水、天然氣、電力、熱力、通信等工程管線的市政公用設(shè)施。綜合管廊可以避免管線敷設(shè)和維修時(shí)對(duì)道路的頻繁開挖，降低管線維修對(duì)路面多次開挖而產(chǎn)生的維修費(fèi)用。綜合管廊實(shí)行統(tǒng)籌規(guī)劃，集中管理，具有綜合性、可靠性、長(zhǎng)久性、智慧性等特點(diǎn)。

在綜合管廊燃?xì)馀搩?nèi)，燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏一般是小孔泄漏，其主要原因?yàn)樽匀桓g、應(yīng)力穿孔等。如果泄漏口很小，在自然通風(fēng)的影響下，可能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)泄漏而不觸發(fā)可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警，人員巡檢也難以發(fā)現(xiàn)這樣的微量泄漏。微量泄漏的燃?xì)庠谕L(fēng)設(shè)備停止工作的情況下產(chǎn)生積聚，即使艙室內(nèi)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警的濃度，到爆炸下限仍需要一定時(shí)間。在燃?xì)鉂舛冗_(dá)到設(shè)定值觸發(fā)事故通風(fēng)、管道緊急切斷的情況下，目前的通風(fēng)設(shè)施可以在15min內(nèi)讓艙室內(nèi)燃?xì)鉂舛冉档竭h(yuǎn)小于爆炸下限，基本恢復(fù)到安全狀態(tài)。如果燃?xì)庑孤┛谳^大，泄漏后的燃?xì)馐紫葧?huì)積聚在泄漏口的頂部，同時(shí)由于通風(fēng)的影響，向通風(fēng)口的出口流動(dòng)擴(kuò)散，很快就會(huì)達(dá)到爆炸極限范圍內(nèi)，此時(shí)如果存在點(diǎn)火源，會(huì)發(fā)生爆炸。

爆炸產(chǎn)生的超壓沖擊波和火焰可對(duì)人員造成傷害，并損壞設(shè)備、管廊艙室墻體等。謝尚群的研究顯示綜合管廊燃?xì)馀搩?nèi)發(fā)生甲烷爆炸，其爆炸的超壓值可以破壞防火分區(qū)盡頭的防火墻，并且火焰?zhèn)鞑シ秶h(yuǎn)超預(yù)混燃?xì)庠畜w積，即火焰和沖擊波可以進(jìn)入到沿管廊縱向前后相鄰的防火分區(qū)中(關(guān)于綜合管廊爆炸研究，通常關(guān)注不同管線艙室間的壁面破壞，即左右相鄰艙室，本文研究對(duì)象是燃?xì)馀摬煌阑鸱謪^(qū)間的影響，所以使用“前后相鄰分區(qū)”)，對(duì)相鄰分區(qū)造成影響。

國(guó)內(nèi)目前在綜合管廊燃?xì)獗▽?duì)前后相鄰分區(qū)影響的研究尚少，本文對(duì)燃?xì)馀撊細(xì)庑孤┖罂赡馨l(fā)生的爆炸事故采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究，分析爆炸對(duì)前后相鄰分區(qū)的破壞，提出提高安全性的措施，并從綜合管廊運(yùn)維管理的角度，對(duì)燃?xì)夤芾戎腔圻\(yùn)維管理提出建議。

1 爆炸影響模擬

爆炸模擬使用開源軟件OpenFoam完成。該軟件基于計(jì)算流體力學(xué)方法和有限元計(jì)算，選用LES大渦模擬進(jìn)行求解，其中的XiFoam求解器對(duì)氣體爆炸模擬計(jì)算精度高，平均誤差小，對(duì)于甲烷和空氣的混合物爆炸模擬計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值極為接近。

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圖1 艙室模型俯視圖Fig.1 The top view of cabin model

艙室A-A剖面圖，如圖2。艙室高3m，艙室最寬為通風(fēng)口擴(kuò)寬段，寬2.2m，防火門高2.1m，寬0.9m，距離墻0.1m。燃?xì)夤艿烙猛庵睆?.3m的圓柱代替，管道正下方安裝有高0.7m，寬0.3m的支墩。

圖2 艙室A-A剖面圖Fig.2 A-A section of the cabin

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當(dāng)預(yù)混燃?xì)忾L(zhǎng)度為10m時(shí)，最大超壓僅1.68kPa，火焰沒(méi)有明顯向外擴(kuò)散，影響基本可以忽略不計(jì)。當(dāng)預(yù)混燃?xì)忾L(zhǎng)度為20m時(shí)，超壓最高達(dá)到32.43kPa，這個(gè)超壓可以造成人員傷害，導(dǎo)致聽力受損，并且會(huì)對(duì)艙室防火隔斷表面造成一定破壞，根據(jù)文獻(xiàn)[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不會(huì)對(duì)管道本身造成損壞。

爆炸超壓(如圖3)雖然爆炸在右側(cè)分區(qū)發(fā)生，但是最大的超壓卻在相鄰分區(qū)中產(chǎn)生，而爆炸中心的壓力值并不高。這是因?yàn)楸óa(chǎn)生的沖擊波到達(dá)防火墻位置時(shí)，會(huì)推開防火門，進(jìn)入到左側(cè)分區(qū)中，而防火門的尺寸比艙室斷面面積小，起到了收束作用，讓沖擊波在通過(guò)防火門位置時(shí)加速，同理，相鄰分區(qū)銜接段位置，斷面面積再次發(fā)生改變，所以最大的超壓出現(xiàn)在相鄰分區(qū)中。

圖3 爆炸超壓Fig.3 The explosive overpressure

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圖4 爆炸火焰Fig.4 The explosive flame

隨著預(yù)混燃?xì)忾L(zhǎng)度增加，超壓值增大，火焰覆蓋范圍更廣。目前綜合管廊防火墻普遍采用磚墻或磚混結(jié)構(gòu)墻，并不是預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)于爆炸沖擊波的承載能力有限，如果預(yù)混氣體分布足夠長(zhǎng)可能會(huì)被破壞。

事實(shí)上，燃?xì)夤艿辣旧碓诒ㄖ胁灰资艿狡茐?，?jīng)過(guò)爆破試驗(yàn)，即使在超過(guò)0.6MPa超壓值的情況下，試驗(yàn)用的鋼管仍然沒(méi)有明顯破壞痕跡。因?yàn)樵谌細(xì)夤艿垒S向方向和爆炸沖擊波的傳遞方向一致，能夠有效減少爆炸負(fù)荷。同時(shí)，圓管四周都有燃?xì)獯嬖?，管道沒(méi)有受到單一方向的力，而圓管使得爆炸沖擊力向四周消散。

所以，在燃?xì)馀摫ㄖ?，管道受到的破壞很小，除了?duì)人員可能的傷害外，主要是對(duì)防火墻的破壞。

2 應(yīng)對(duì)措施

模擬得到的結(jié)果，出現(xiàn)了違反常識(shí)的結(jié)論，即最大超壓出現(xiàn)在遠(yuǎn)離爆炸中心的相鄰分區(qū)，會(huì)產(chǎn)生比爆炸中心更嚴(yán)重的破壞，這與“爆炸中心破壞最嚴(yán)重”的通常認(rèn)知不同。針對(duì)這一問(wèn)題，從防爆抑爆角度和本質(zhì)安全角度提出如下改進(jìn)措施。

2.1 做好燃?xì)馀摫举|(zhì)安全防護(hù)

2.1.1 利用管道內(nèi)部作業(yè)機(jī)器人檢測(cè)管道

注重燃?xì)夤艿赖谋举|(zhì)安全，加強(qiáng)入廊燃?xì)夤艿蕾|(zhì)量把控，對(duì)入廊燃?xì)夤艿拦懿募芭浼|(zhì)量、施工工藝、驗(yàn)收結(jié)果進(jìn)行把控，運(yùn)行中及早發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)部的腐蝕、裂紋等現(xiàn)象。靠人員或者機(jī)器人攜帶檢測(cè)設(shè)備從外部進(jìn)行檢測(cè)探傷，因?yàn)榕撌铱勺鳂I(yè)空間小，管道支架或支墩多，以及設(shè)備大小、重量等原因限制，檢查的效率較低，如果采用直接從內(nèi)部檢測(cè)可以提高效率。

目前已經(jīng)有適用于復(fù)雜管道且功能齊全的模塊化管道作業(yè)機(jī)器人，可以從管道內(nèi)部進(jìn)行管道的檢測(cè)、異物清理和焊縫打磨等。機(jī)器人可以主動(dòng)適應(yīng)直徑0.25 ～0.45m的復(fù)雜管道，具備較強(qiáng)的過(guò)彎能力。這種機(jī)器人各個(gè)模塊之間可以快速拆卸和安裝，在節(jié)約大量成本的同時(shí)還可以提升工作效率。模塊化管道作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在綜合管廊燃?xì)夤艿赖臋z測(cè)中，有助于從源頭上避免事故發(fā)生。

2.1.2 采用激光可燃?xì)怏w探測(cè)器

目前，管廊內(nèi)使用的可燃?xì)怏w探測(cè)器為點(diǎn)式分布，探測(cè)器常選用固定的點(diǎn)式催化燃燒型探測(cè)器和紅外光型探測(cè)器。點(diǎn)式探測(cè)器雖然具有技術(shù)成熟、價(jià)格低、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但也存在使用壽命短、校準(zhǔn)頻繁、易受紅外譜線干擾、探測(cè)面積小的缺點(diǎn)，影響探測(cè)的效果。

綜合管廊艙室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是斷面尺寸小、長(zhǎng)度長(zhǎng)，針對(duì)該特點(diǎn)，可以采用線型探測(cè)器與點(diǎn)式氣體探測(cè)器聯(lián)合使用，因?yàn)榫€型探測(cè)器具有探測(cè)濃度范圍廣、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)設(shè)置線型激光探測(cè)器，大幅減少點(diǎn)式探測(cè)器數(shù)量，進(jìn)一步優(yōu)化和提高燃?xì)馀摽扇細(xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。

2.1.3 控制燃?xì)馀擖c(diǎn)火源

燃?xì)馀摰碾姎庠O(shè)備應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50058-2014)有關(guān)爆炸性氣體環(huán)境2區(qū)的防爆規(guī)定。此外，正常作業(yè)期間，應(yīng)特別注意移動(dòng)式操作設(shè)備進(jìn)入艙室也必須滿足防爆要求。

燃?xì)馀摰孛鎽?yīng)采用撞擊時(shí)不產(chǎn)生火花的材料，同時(shí)加強(qiáng)管廊施工階段的過(guò)程控制、監(jiān)督、驗(yàn)收工作質(zhì)量，防止施工質(zhì)量不滿足規(guī)范要求。

管廊艙室通過(guò)地面風(fēng)亭與外界通風(fēng)換氣，地面風(fēng)亭數(shù)量較多，在城市公共區(qū)域，有一定的管理難度。因此，應(yīng)加強(qiáng)地面風(fēng)亭的安全管理，在重要區(qū)域還可設(shè)置隔離網(wǎng)、視頻監(jiān)控等安全設(shè)施，防止第三方破壞，重點(diǎn)防范風(fēng)亭和通風(fēng)口周邊的點(diǎn)火源。

2.2 增強(qiáng)燃?xì)馀摲辣直胧?/h3>

2.2.1 減少支墩和支架數(shù)量和體積

管道下方的支墩和支架屬于障礙物，爆炸發(fā)生時(shí)，會(huì)使得超壓和沖擊波更加劇烈，所以數(shù)量應(yīng)該盡量減少，且使用較小體積，避免使用連續(xù)的混凝土支墩，可以減少艙室內(nèi)的擁塞程度，有助于降低爆炸的超壓值。這樣即使在爆炸發(fā)生時(shí)，也不容易破壞管道，從而避免引發(fā)更大規(guī)模泄漏、爆炸的二次破壞。

2.2.2 預(yù)警相鄰分區(qū)

如果爆炸發(fā)生，那么破壞性很可能不止局限于單一分區(qū)，前后相鄰分區(qū)被破壞程度甚至更嚴(yán)重，所以對(duì)于探測(cè)到燃?xì)庑孤┑姆謪^(qū)，應(yīng)該將該分區(qū)的前后相鄰分區(qū)同樣列入報(bào)警范圍，指導(dǎo)管廊內(nèi)的工作人員緊急疏散，以免發(fā)生意外事故。

2.2.3 增大泄爆面積

增大泄爆口面積可以有效減小爆炸的破壞性，艙室的防火門也可以起到泄爆作用，適當(dāng)增加防火門的高度，或者將防火門上方現(xiàn)有防火墻改造為可開啟的泄壓板，能夠有效減少爆炸對(duì)防火墻的破壞。

2.2.4 通風(fēng)夾層防火防爆處理

在通風(fēng)口上方和地面之間，有一處通風(fēng)夾層用于放置設(shè)備，供人員緊急逃生用，同時(shí)在此處安置有大量設(shè)備。爆炸產(chǎn)生的沖擊波和火焰會(huì)進(jìn)入通風(fēng)夾層，雖然爆炸持續(xù)時(shí)間很短，但仍要進(jìn)行防火防爆處理，使用符合防爆級(jí)別器械、涂層等，防止夾層空間起火。

3 結(jié)論

本文對(duì)燃?xì)庑孤┖蟮谋ㄊ鹿视绊戇M(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究爆炸產(chǎn)生的超壓和火焰對(duì)縱向前后相鄰分區(qū)的影響，發(fā)現(xiàn)最大超壓值可能在相鄰分區(qū)中出現(xiàn)，這一現(xiàn)象與常規(guī)認(rèn)識(shí)——爆炸中心會(huì)出現(xiàn)最大超壓值不同。為保障綜合管廊的安全性，提高綜合管理效果，從本質(zhì)安全和防爆抑爆2個(gè)角度，提出一系列防護(hù)措施。