秦瑞红，黄晓亮，黄漫

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450016）

在我国，压力容器与锅炉安全管理已建立一整套安全保证体系，近几年安全事故大为减少，但埋地压力管道安全事故时有发生，这种事故的发生大多都是管道泄漏引起的，埋地管道泄漏的介质流入腔体，在腔体内与空气混合形成爆炸气云，遇到明火发生爆炸。因爆炸威力与管道泄漏形成的爆炸气体空腔体积成正比，重点是在容易形成爆炸极限的气体空腔中设置可燃气体探头或巡检空腔中是否有可燃气体，一旦发现空腔中有可燃气体，能准确追踪找到泄漏点，给予及时的修复，以防止爆炸事故的发生。根据国内外实验及模拟研究可知，天然气泄漏后可以在气体集聚空腔内形成蒸气云。目前，蒸气云爆炸的常用理论分析方法TNT当量法、TNO多能法、Baker-Strehlow模型。其中，TNT当量法是将已知能量的可燃燃料等同于当量质量TNT的一种简单而成熟的经典方法，本次研究采用TNT当量法对爆炸能量、冲击波压力及死亡半径进行计算。

1 爆炸能量计算

天然气泄漏后与空气混合形成可燃蒸气云，通过TNT当量法对蒸气云爆炸能量进行预测。式（1）是蒸气云爆炸的TNT当量WTNT估算公式：

式中，WTNT为蒸气云的TNT当量，kg；

A为当量系数，取0．04；

Wf为气体集聚空腔内天然气总质量，kg；

Qf为天然气燃烧热，kJ/kg；

QTNT 为 TNT爆炸热，kJ/kg，取 4．52×103kJ/kg；

ρ为天然气密度，kg/m3，其值为0．764 kg/m3；

V为气体集聚空腔体积，m3。

2 冲击波超压计算

对距爆炸中心某一距离进行等效，从而计算该处的爆炸压力。等效距离用式（3）计算：

式中：RL为离爆炸点的实际距离，m；

R为RL的等效距离，m。

由此可以计算出RL处产生的冲击波压力△p：

△p或R相关系数k1和k2取值范围具体见表1。

表1 冲击波压力的计算系数

3 爆炸危险区域计算

根据蒸气云TNT当时值，选用超压-冲量标准粗算死亡区半径，选用超压标准粗算重伤区半径及轻伤区半径。假设爆炸冲击波以同心圆向外传播，R≤R1为死亡区半径，R1表示爆炸死亡几率为50%时对应的半径大小，它与爆炸能量间的关系式由式（5）确定：

设R1≤R≤R2为重伤区半径，重伤是指人体耳膜破损，R2表示受到重伤几率为50%时的半径大小，要求冲击波峰值超压为44 kPa。应用超压准则，△p由式（6）计算：

式中：R2为重伤区外边界半径，m；

P0为环境压力，Pa，取101325Pa；

E为爆炸产生的总能量，J。

设R2≤R≤R3为轻伤区半径，轻伤是指爆炸至耳膜破损几率为1%，R3表示爆炸至耳膜破损几率为1%时的轻伤区外界半径大小，要求冲击波峰值超压为17 kPa。计算R3仍采用式（6）、（7）、（8）来计算（式中R2换成R3）。

4 爆炸定量及危险区半径计算分析

运用式（1）～（8）计算出不同气体集聚空腔下的爆炸量和爆炸危险区半径，并计算距离爆炸中心5m 处的房屋外墙所受到的爆炸冲击波压力。

表2 不同气体集聚空腔下的爆炸能量、爆炸危险半径结果

从表2可看出，爆炸产生的爆炸冲击波压力随着气体集聚空腔体积增加而增加，同一位置爆炸冲击波增强，所造成的破坏也增加。爆炸冲击波压力对建筑的破坏作用和对人的伤害见表3和表4。

爆炸危险半径随着气体集聚空腔体积增加而增加，在气体集聚空腔为1m3时，死亡区半径约为0．24m，重伤区半径约为1．03m。当在气体集聚空腔为1m3上下浮动时，爆炸会使门和窗户的玻璃碎裂，房间内的人员是安全的，爆炸产生的破坏差别很小，监控集聚空腔太小会增加管道敷设的经济成本，而太大则会造成更大的人员伤亡，因此确定监控集聚空腔的大小极为重要，通过综合对比分析，同时为了便于操作和运用，本文取1m3作为气体集聚空腔的最小监控空腔体积，对大于等于1m3的气体集聚空腔进行重点监控，降低埋地易燃易爆介质管道运行风险。

表3 冲击波压力对建筑的破坏作用

表4 冲击波压力对人的伤害

5 结语

（1）随着气体集聚空腔体积的增加，爆炸危险半径增加，本文通过计算及分析确定了天然气管道发生气体泄漏时需要重点监控的最小集聚空腔的体积。

（2）本文以天然气为例进行计算、研究分析，其确定的集聚空腔大小仅适用于以天然气为输送介质的管道。