, 蔡继涛1, 赵亦孟1, 操阅1, 周睿2, 庞磊31. 中国矿业大学(北京) 应急管理与安全工程学院, 北京 100083;
2. 清华大学 公共安全研究院, 北京 100084;
3. 北京石油化工学院 安全工程学院, 北京 102617
收稿日期：2021-12-22
基金项目：北京市科技新星计划交叉学科合作课题（Z211100002121146）；国家重点研发计划项目（2017YFC0805001）
作者简介：吴建松(1985-), 男, 教授。E-mail: jiansongwu@163.com
摘要：随着中国城镇化建设的快速发展，容纳天然气、供热、给水、电力等多种市政管线于一体的综合管廊已成为保障城市“生命线”运行的重要基础设施。天然气管线作为其中最具威胁的危险源，一旦发生泄漏极易在管廊受限空间内形成易燃易爆气体云，给综合管廊安全运行带来巨大的爆炸风险。为揭示多因素影响下综合管廊复杂受限空间内燃气爆炸传播特性，有效支撑管廊燃气爆炸事故后果评估及安全防护需求，该文使用自主研制的综合管廊燃气爆炸实验系统研究了甲烷体积分数、泄压口和舱内附属设施（燃气管道、配电箱、灭火箱等）对火焰传播过程和超压分布的影响。结果表明：甲烷体积分数为9.5%时爆炸超压达到峰值；与封闭管廊模型相比，综合管廊预设的通风口可以起到较强的泄压作用，超压峰值衰减率达28.4%；燃气舱内附属设施会加速火焰传播过程并导致更大的超压峰值。该研究能为提升综合管廊天然气舱的防灾减灾能力提供理论和技术支撑。
关键词：综合管廊燃气爆炸火焰传播超压
Experimental study of the propagation characteristics of gas explosions in urban utility tunnels
WU Jiansong1
, CAI Jitao1, ZHAO Yimeng1, CAO Yue1, ZHOU Rui2, PANG Lei31. School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China;
2. Institute of Public Safety Research, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
3. School of Safety Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China
Abstract: The rapid urbanization in China has led to many utility tunnels containing a variety of municipal pipelines including natural gas, heating, water and electrical power that are key infrastructure components in cities. The most dangerous hazard is the natural gas pipelines that can leak to form explosive gas clouds in the confined tunnels which brings huge explosion risks to the safe operation of the utility tunnels. The propagation characteristics of gas explosions in a complex, confined utility tunnel were studied experimentally as a function of various factors to support safety control and assessments of gas explosions in utility tunnels. The experiments studied the effects of methane concentration, pressure relief ports and auxiliary facilities such as the gas pipeline design, distribution boxes and fire boxes on the flame propagation and the overpressures. The results show that the maximum overpressure occurs for a methane concentration of 9.5%, vents in the tunnel significantly reduce the overpressures compared with closed utility tunnels, and the peak overpressure attenuation rate is 28.4%. Auxiliary facilities in the tunnel accelerate the flame propagation and lead to greater overpressures. This study provides guidance for improving disaster mitigation for natural gas utility tunnels in cities.
Key words: utility tunnelsgas explosionflame propagationoverpressure
中国城市化进程的快速发展对基础设施建设提出了更高的标准和要求。为实现城市地下空间的高效合理利用和市政公用管线的集约化管理，城市综合管廊得到了飞速的发展[1-2]。自2015年国务院办公厅发布《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》以来，政府密集出台了《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》《关于推进城市安全发展的意见》《城市地下综合管廊建设规划技术导则》等一系列文件推进城市综合管廊的建设。至今，全国已建和在建综合管廊总长度超过1万km，投资超过1万亿元。根据中国《城市综合管廊工程技术规范》GB50838—2015规定[3]，燃气管线被允许纳入综合管廊并独立成舱。然而，近年来，湖北十堰、北京顺义、吉林松原、贵州晴隆等地发生的多起燃气泄漏爆炸事故造成了重大的人员伤亡和财产损失，这为综合管廊燃气舱的安全运行敲响了警钟[4-5]。因此，深入研究综合管廊燃气舱这一布置有附属设施的复杂受限空间场景下的燃气爆炸特性，不仅有助于已建综合管廊爆炸事故的后果评估、提升综合管廊的防灾减灾能力，也可为拟建或在建综合管廊燃气管线的安全入廊提供参考。
当前，国内外一些****已经通过数值模拟、相似实验等方法对综合管廊燃气爆炸及其安全防控相关问题进行了研究。通用显式动力分析程序LS-DYNA因其在综合管廊燃气爆炸过程及结构动力响应模拟方面的显著优势得到了广泛应用。孙加超等[6]利用LS-DYNA建立了三舱室综合管廊模型，模拟了燃气舱在不同爆炸荷载下的应力分布情况。类似地，刘中宪等[7]研究了爆炸载荷峰值及持续时间对综合管廊动力破坏特征的影响。刘希亮等[8-9]采用LS-DYNA对综合管廊燃气爆炸过程进行模拟并分析了管廊结构的动力响应规律。Wang等[10]利用LS-DYNA研究了燃气爆炸场景下荷载强度、混凝土强度、钢筋强度和截面类型对管廊结构的影响。Xue等[11]基于任意Lagrange-Euler(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)和有限元方法(finite element method, FEM)耦合算法开发了综合考虑爆炸性气体流动性质和管廊舱体结构力学特性的数值计算模型，模拟分析了综合管廊燃气爆炸的动态过程。此外，还有****在综合管廊抗爆结构方面开展了相关研究，对新型材料和管廊舱体结构进行了探讨[12-14]。然而，上述研究多为爆炸载荷下的综合管廊舱体动力响应分析，针对综合管廊复杂受限空间下的燃气爆炸特性的研究仍十分欠缺。赵勇坚等[15]结合ANSYS FLUENT及ANSYS AUTODYN模拟了燃气舱燃气爆炸过程，进一步分析了爆炸超压分布规律及爆炸对临近地铁隧道的影响。Yan等[16]和Li等[17]通过实验及FLACS模拟软件对综合管廊燃气爆炸特性进行了研究，分析了气体体积分数、泄压口、防火分区长度、点火位置等因素对爆炸传播的影响。Zhang等[18]利用FLACS模拟了不同体积分数配比的甲烷-氢气混合气体在综合管廊燃气舱中的爆炸过程，分析了其火焰传播及超压分布。
由以上研究现状可知，当前综合管廊燃气爆炸特性的研究主要采用传统数值模拟手段，大多未考虑综合管廊复杂附属设施布局、动态通风条件等，且缺乏有效实验验证。因此，为了支撑综合管廊爆炸场景下的事故后果评估和安全防护策略制定，满足数值计算模型验证所需的高置信度数据要求，当前亟需开展符合综合管廊真实场景的燃气爆炸实验研究，从而为城市综合管廊燃气舱防灾减灾设计提供重要依据。
本研究自主搭建了由综合管廊燃气舱模型、配气系统、点火装置、数据采集系统及同步控制器组成的综合管廊燃气爆炸实验系统，在此基础上研究了甲烷体积分数、泄压口和附属设施对火焰传播过程和超压分布的影响。本研究为综合管廊燃气爆炸实验系统装置的设计提供了可行范式，并可为城市综合管廊燃气舱燃气爆炸事故的安全防控提供技术支撑。
1 综合管廊燃气爆炸实验系统1.1 实验系统通过对综合管廊的实地调研，结合《城市综合管廊工程技术规范》GB50838—2015的相关规定[3]，搭建了综合管廊燃气爆炸实验系统，如图 1所示。
 |
| 图 1 综合管廊燃气爆炸实验系统图 |
| 图选项 |
1.2 实验装置综合管廊燃气爆炸实验系统主要包括综合管廊燃气舱模型、配气系统、可调式高能点火器、数据采集系统及同步控制器。其中部分装置如图 2所示。
 |
| 图 2 综合管廊燃气舱实验系统部分装置 |
| 图选项 |
1.3 实验流程1) 首先按照实验系统连接所有仪器。
2) 在确认所有仪器的工作状态正常后，用真空泵抽出燃气舱模型中的空气。
3) 通过球阀将实验需求的具有不同体积配比的甲烷/空气预混气体注入舱体内，等待15 min使气体均匀分布。
4) 打开同步器控制器开关同步启动数据采集装置和点火器。
5) 由实验操作人员收集并保存数据。为了避免实验误差，每个工况条件的实验至少重复3次。
2 结果分析与讨论表 1汇总了综合管廊燃气爆炸特性研究涉及的实验工况配置：以3 m长燃气舱模型为实验对象，选取3种预混气体(甲烷体积分数分别为7.5%、9.5%、11.5%)研究甲烷体积分数的影响；选取聚氯乙烯(PVC)薄膜泄压和螺栓密封两种通风口形式研究泄压口的影响；选取空管道和1 m长的燃气舱模型用于分析附属设施的影响。
表 1 实验工况配置
| 影响因素 | 工况 | 模型长度/m |
| 甲烷体积分数 | 7.5%; 9.5%; 11.5% | 3 |
| 泄压口 | PVC薄膜(通风); 螺栓(密闭) | 3 |
| 附属设施 | 空管道(无附属设施); 燃气舱模型 | 1 |
表选项
2.1 甲烷体积分数对燃气爆炸特性的影响爆炸超压是用于评估燃气爆炸事故后果的重要指标[19-21]。本文通过设计3组不同甲烷体积分数的工况研究其对爆炸超压的影响。图 3为综合管廊燃气舱模型中不同测量位置的超压分布。可以看出，随着甲烷体积分数的增加，超压峰值均呈现先增加后减少的趋势。如表 2所示，甲烷体积分数为9.5%时超压在最短的时间内达到峰值，这与前人研究得到的超压分布趋势[16]一致。该现象主要是由于当甲烷体积分数接近于化学计量比(9.5%)时，燃气舱模型中预混气体的爆炸程度更加剧烈。此外，甲烷体积分数为11.5%时的超压峰值大于甲烷体积分数为7.5%时的超压峰值，即综合管廊发生燃气爆炸事故时，在导致甲烷爆炸的体积分数范围内(5%~16%)，较高体积分数的甲烷会导致更严重的事故后果。因此，一旦燃气舱发生泄漏事故，必须及时采取合理的通风措施加速燃气扩散以实现舱内燃气稀释和高效外排，这对于维持舱内的燃气体积分数在一个较为安全的水平具有积极作用，也有利于在极端爆炸情况下将事故损失降到最低。
 |
| 图 3 不同甲烷体积分数条件下的超压分布 |
| 图选项 |
表 2 不同甲烷体积分数下的超压峰值对比
| 传感器 | 距离舱体左端位置/m | 超压峰值/MPa | ||
| 7.5%甲烷体积分数 | 9.5%甲烷体积分数 | 11.5%甲烷体积分数 | ||
| 压力传感器1 | 0.3 | 0.213 | 0.307 | 0.260 |
| 压力传感器2 | 1.1 | 0.214 | 0.307 | 0.261 |
| 压力传感器3 | 1.9 | 0.218 | 0.308 | 0.262 |
| 压力传感器4 | 2.7 | 0.211 | 0.298 | 0.256 |
表选项
2.2 泄压口对燃气爆炸特性的影响综合管廊燃气爆炸事故发生时，通风口可以作为天然的泄压口。由2.1节的结论可知，甲烷体积分数为9.5%时爆炸事故最为严重，因此为了探究不同通风条件下最严重的事故后果，本节以9.5%甲烷体积分数为例，分别对封闭和通风条件下的燃气爆炸特性进行了对比分析。图 4为通风和封闭条件下，燃气爆炸在综合管廊燃气舱模型中间段(1~2 m) 产生的火焰传播图像。可以看出，在通风条件下，当t=35 ms时燃气舱模型内产生了火焰回流，然而封闭模型内火焰只表现出了轻微的振荡。这主要是由于点火侧的PVC薄膜破裂后通风口处会产生卷吸现象。此外，PVC薄膜破裂后空气的进入会大大增加湍流强度，因此通风条件下的火焰结构更加明显。通风和封闭条件下的爆炸超压分布如图 5所示，燃气舱模型的超压峰值从0.430 MPa (封闭条件)下降到0.308 MPa(通风条件)，下降率为28.4%。该结果表明，通风口的存在可以在很大程度上泄放燃气舱中的压力波，有效降低燃气舱模型中的集中压力，从而减少冲击波对舱体的破坏。从图 5中还可以看出，通风条件下超压峰值的持续时间小于封闭条件工况。因此，在综合管廊日常运维中，应定期对通风口进行检修，保证通风口的畅通，这对于提高综合管廊燃气舱的安全防控水平具有重要意义。此外，由于通风口多布置于交通主干道绿化带中，当发生燃气爆炸事故时应及时作好主干道车辆和人员的疏散，避免火焰回流和超压泄放造成人员伤亡和财产损失。
 |
| 图 4 不同泄压条件下的火焰传播图像 |
| 图选项 |
 |
| 图 5 不同泄压条件下的超压分布 |
| 图选项 |
2.3 附属设施对燃气爆炸特性的影响综合管廊燃气舱内布置有燃气管道、配电箱、灭火箱等附属设施，这与其他空管道或隧道结构存在很大差异。为了研究附属设施的布置对甲烷/空气预混气体燃烧爆炸特性的影响，分别选取1 m长的封闭空管道和燃气舱模型进行对比分析。空管道和燃气舱模型的火焰传播速度如图 6所示。在火焰速度上升阶段，燃气舱模型中的火焰传播速度大于空管道，而在下降阶段则相反。这是因为障碍物的存在增加了火焰接触面积，未燃烧气体可以进行充分掺混燃烧，这在一定程度上加速了火焰的发展过程。图 7为燃气舱模型中附属设施对爆炸超压分布的影响。可以看出，空管道条件下的超压峰值为0.488 MPa，而燃气舱模型中的超压峰值为0.521 MPa，增长率为6.76%。此外，燃气舱模型中超压到达峰值所需的时间较短。这是因为在燃气舱模型中附属设施在火焰传播过程中引起了湍流涡旋，而火焰和湍流涡旋之间的相互作用导致了更大的超压峰值。同时，障碍物导致了更高的压力波反射频率，这也是促使超压峰值上升的重要原因。因此，附属设施在综合管廊燃气舱爆炸事故中扮演着“障碍物”和“湍流源”两种角色，在一定程度上加剧了爆炸事故后果。因此，综合管廊燃气舱内附属设施布局的合理优化有助于提高管廊舱体的承灾能力。
 |
| 图 6 不同附属设置布置条件下的火焰传播速度分布 |
| 图选项 |
 |
| 图 7 不同附属设施条件下的超压分布 |
| 图选项 |
3 结论本文基于自主搭建的综合管廊燃气爆炸实验系统，研究分析了多因素(甲烷体积分数、泄压条件和附属设施)影响下的综合管廊燃气火焰传播和超压分布特性，并结合综合管廊实际需求提出了对应的安全防控优化策略。主要结论如下：
1) 随着甲烷体积分数从7.5%增加到11.5%，综合管廊燃气舱内的爆炸超压峰值呈现先增加后减小的趋势。当甲烷体积分数达到化学计量比(9.5%)时，燃气爆炸产生的超压峰值最大。因此，当燃气舱发生泄漏时，应及时采取合理的事故通风措施，实现燃气的稀释和高效外排，从而消除潜在的爆炸环境。
2) 与封闭状态相比，通风条件下的超压峰值降低了28.4%，此时燃气爆炸事故对管廊舱体的超压破坏大大降低。因此，综合管廊燃气舱运维中应保持通风口的畅通，从而降低极端爆炸发生时的事故损失。
3) 燃气舱内的附属设施作为“障碍物”和“湍流源”会加速火焰的发展过程，同时也导致了超压峰值的增加。因此，对附属设施布局进行优化有利于综合管廊承灾能力的提升。
参考文献
| [1] | 王军, 陈欣盛, 李少龙, 等. 城市地下综合管廊建设及运营现状[J]. 土木工程与管理学报, 2018, 35(2): 101-109. WANG J, CHEN X S, LI S L, et al. About construction and operation present situation of utility tunnel in urban[J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2018, 35(2): 101-109. DOI:10.3969/j.issn.2095-0985.2018.02.016 (in Chinese) |
| [2] | 吴建松, 原帅琪, 蔡继涛, 等. 基于OpenFOAM的综合管廊舱内燃气泄漏扩散数值模拟[J]. 中国安全生产科学技术, 2020, 16(2): 168-173. WU J S, YUAN S Q, CAI J T, et al. Numerical simulation of gas leakage and dispersion in utility tunnel compartment based on OpenFOAM[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2020, 16(2): 168-173. (in Chinese) |
| [3] | 中华人民共和国住房和城乡建设部. 城市综合管廊工程技术规范: GB 50838-2015[S]. 北京: 中国计划出版社, 2015. Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Technical code for urban utility tunnel engineering: GB 50838-2015[S] Beijing: China Planning Press, 2015. (in Chinese) |
| [4] | 张展. 湖北十堰集贸市场燃气爆炸事故作出重要指示[J]. 现代职业安全, 2021(7): 8. ZHANG Z. Important instructions from Xi Jinping on the gas explosion accident in Shiyan Market, Hubei Province[J]. Modern Occupational Safety, 2021(7): 8. DOI:10.3969/j.issn.1671-4156.2021.07.005 (in Chinese) |
| [5] | 战训. 吉林省松原市"7·4"燃气管道泄漏爆炸救援解析[J]. 中国消防, 2018(8): 61-64. ZHAN X. Analysis of "7·4" gas pipeline leakage explosion rescue in Songyuan City, Jilin Province[J]. China Fire, 2018(8): 61-64. (in Chinese) |
| [6] | 孙加超, 邓勇军, 姚勇, 等. 综合管廊燃气仓内爆炸下冲击波衰减规律研究[J]. 爆破, 2018, 35(3): 35-41. SUN J C, DENG Y J, YAO Y, et al. Attenuation law of explosive shock wave in utility tunnel gas chamber[J]. Blasting, 2018, 35(3): 35-41. (in Chinese) |
| [7] | 刘中宪, 王治坤, 张欢欢, 等. 燃气爆炸作用下地下综合管廊动力响应模拟[J]. 防灾减灾工程学报, 2018, 38(4): 624-632. LIU Z X, WANG Z K, ZHANG H H, et al. Numerical simulation of blast-resistant performance of utility tunnel under gas explosion[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2018, 38(4): 624-632. (in Chinese) |
| [8] | 刘希亮, 李烨, 王新宇, 等. 不同截面管廊在燃气爆炸作用下的动力响应分析[J]. 应用力学学报, 2019, 36(5): 1111-1115. LIU X L, LI Y, WANG X Y, et al. Dynamic response analysis of different sections gallery under gas explosion[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2019, 36(5): 1111-1115. (in Chinese) |
| [9] | 刘希亮, 李烨, 王新宇, 等. 地下管廊在燃气爆炸作用下的动力响应分析[J]. 高压物理学报, 2018, 32(6): 064104. LIU X L, LI Y, WANG X Y, et al. Dynamic response analysis of underground pipe gallery under gas explosion[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2018, 32(6): 064104. (in Chinese) |
| [10] | WANG S P, LI Z, FANG Q, et al. Performance of utility tunnels under gas explosion loads[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2021, 109: 103762. DOI:10.1016/j.tust.2020.103762 |
| [11] | XUE Y Z, CHEN G H, ZHANG Q, et al. Simulation of the dynamic response of an urban utility tunnel under a natural gas explosion[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2021, 108: 103713. DOI:10.1016/j.tust.2020.103713 |
| [12] | ZHOU Q, HE H G, LIU S F, et al. Blast resistance evaluation of urban utility tunnel reinforced with BFRP bars[J]. Defence Technology, 2021, 17(2): 512-530. DOI:10.1016/j.dt.2020.03.015 |
| [13] | YANG Y K, WU C Q, LIU Z X, et al. Protective effect of unbonded prestressed ultra-high performance reinforced concrete slab against gas explosion in buried utility tunnel[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2021, 149: 370-384. DOI:10.1016/j.psep.2020.11.002 |
| [14] | MENG Q F, WU C Q, HAO H, et al. Steel fibre reinforced alkali-activated geopolymer concrete slabs subjected to natural gas explosion in buried utility tunnel[J]. Construction and Building Materials, 2020, 246: 118447. DOI:10.1016/j.conbuildmat.2020.118447 |
| [15] | 赵勇坚, 龚燚, 丁勇, 等. 综合管廊天然气舱内爆炸对邻近地铁隧道的影响研究[J]. 现代隧道技术, 2018, 55(6): 139-143, 151. ZHAO Y J, GONG Y, DING Y, et al. Effect of explosion in a gas pipeline compartment of a utility tunnel on neighboring metro tunnels[J]. Modern Tunnelling Technology, 2018, 55(6): 139-143, 151. (in Chinese) |
| [16] | YAN Q S, ZHANG Y N, SUN Q W. Characteristic study on gas blast loadings in an urban utility tunnel[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2020, 34(4): 04020076. DOI:10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001477 |
| [17] | LI Z X, WU J S, LIU M Y, et al. Numerical analysis of the characteristics of gas explosion process in natural gas compartment of utility tunnel using FLACS[J]. Sustainability, 2020, 12(1): 153. |
| [18] | ZHANG S H, MA H T, HUANG X M, et al. Numerical simulation on methane-hydrogen explosion in gas compartment in utility tunnel[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2020, 140: 100-110. DOI:10.1016/j.psep.2020.04.025 |
| [19] | LI Y C, BI M S, ZHOU Y H, et al. Experimental and theoretical evaluation of hydrogen cloud explosion with built-in obstacles[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2020, 45(51): 28007-28018. DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.07.067 |
| [20] | GUO C W, JIANG S G, SHAO H, et al. Suppression effect and mechanism of fly ash on gas explosions[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2022, 74: 104643. DOI:10.1016/j.jlp.2021.104643 |
| [21] | WANG Q H, SUN Y L, JIANG J C, et al. Inhibiting effects of gas-particle mixtures containing CO2, Mg(OH)2 particles, and NH4H2PO4 particles on methane explosion in a 20-L closed vessel[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2020, 64: 104082. DOI:10.1016/j.jlp.2020.104082 |
