建筑物内燃气爆燃事故特点及防治措施

建筑物内燃气爆燃事故特点及防治措施　王　昊，邹　洋，王林林　（解放军理工大学，江苏南京２１０００７）　【摘要】　燃气爆燃事故的频繁发生威胁着人民生命财产安全。主要从燃气爆燃事故的威力、事故的　频繁发生和伴生灾害这三个方面着手，分析了事故的特点。同时，针对建筑物内爆燃事故的机理，提出了相　应的防治措施，供有关部门和同方向的工程技术人员参考以作进一步的研究。　【关键词】爆燃；建筑结构；　防治措施　【中图分类号】ＴＵ９９６．９　随着城乡一体化进程的发展，燃气作为一种优质高效能　源，在民用建筑、工厂车间中日益普及，方便了我们的生活，　促进了社会经济的发展。但同时，燃气爆燃事故威胁着室内　的人员、设备和结构的安全…。近年来，国内发生的燃气爆　燃事故酿成了爆炸与火灾，对人民群众生命财产安全造成了　严重的损失。类似事故的频繁发生提醒着我们，对燃气爆燃　的机理进行研究并制定有效的防护措施追在眉睫。　１燃气爆燃事故的特点　１．１事故的威力　在理想的完全封闭体内，燃爆的理论最大压力约为０．７　ＭＰａ，而几乎不受燃气组分或者种类的影响。这个数值反应　的是燃气充分反应的能量释放值，除了管道、地下室等接近　完全封闭的状态以外，日常生活中的环境离全封闭情况很　远，通常爆炸压力在２Ｏ～７０　ｋＰａ，也就是说只有理论值的１／　１０，相差１～２个数量级　Ｊ。例如，理想状况下，甲烷在空气　中的浓度为１０％时，爆燃压力可以达到０．７　ＭＰａ这个理论　值，对建筑物内部的物品和结构产生破坏，但和大部分的固　体、粉尘或者液体相比，其破坏作用小得多。虽然从峰值压　力角度上来说，燃气爆燃对建筑物内物品和结构产生的荷载　值较低，但是，爆燃荷载的另一个特点是压力持续时间比较　长，因此冲量大。通常爆燃的升压时间约在１００—３００　ｍｓ左　右，一般建筑物内的构件其自振周期都大于这一时间，所以　爆燃压力在一般情况下对于结构来说可以作为静载考虑，以　至于惯性力小到可以忽略不计，只需要考虑压力波的峰值压　力。正因为只考虑静载，不考虑冲击波，所以燃气爆燃的破　坏影响是比较局部的，如局限于某一段管道，某一单体建筑　或者某一小区。　１．２事故发生频率高　城镇燃气爆燃事故的发生频率随着燃气的普及而增多，　原因有好几个方面。燃气（如煤气、天然气）在生产、运输和　存放过程中一些意外因素，导致了燃气外泄到空气中，达到　一定浓度就会成为可燃气云，一旦遇到火源就会产生爆炸，　从而造成巨大的经济损失和人员伤亡。在开敞空间，一旦燃　气泄漏都可能发生可燃气云爆燃事故，而在建筑物内，这样　相对封闭不利于燃气扩散的场所，更加容易发生事故。再加　２７８　【文献标志码】Ａ　上燃气从生产到生活供给过程中还有若干环节，更加大了发　生泄漏的概率，稍不注意就会发生事故。表１是２ｏ１４年国　内燃气泄漏导致的典型爆燃事故。　表１　２０１４年部分爆炸事故　时间、地点　类型　危害程度　２０１４年８月２日　７５人死亡，１８５人受伤，厂房　江苏省昆山市　粉尘爆炸事故　屋顶被掀开三分之二以上，厂　房顶部的钢铁轮毂清晰可见　２０１４年７月３１日　输气管道　２４人死亡，２７１人受伤，路面　台湾高雄市　泄露爆炸　塌陷，管线待补　２０１４年４月６日　住宅楼燃气　１人死亡，七八个房间严重　南京市玄武区　泄漏爆炸　受损　２０１４年３月３日　员工餐厅爆炸　１人死亡，３２人受伤　广东省东莞市　２０１４年２月２５日　厨房天然　郑州市湖光苑小区　气爆炸　１死１伤，一面墙被炸飞　从这些事故中可以看到，燃气爆燃事故的发生有其偶然　性、不可预见性，同时也有明显的人为因素，因此也具有了一　定的可预防性。　１．３爆燃伴生灾害　爆燃常常成为恶性大火的火源，同时，它又可以使火灾　的伴生、次生灾害，并且当这种伴生状况出现时，往往比一般　的单纯火灾要严重的多，原因在于爆燃以压力波的形式向外　传播，其动力特性使得可燃气体的传播更加容易。在爆燃火　焰的传播过程中，障碍物的阻碍将使得火焰面积扩大，火焰　传播速度加快，一旦火焰面赶上爆燃的前驱冲击波，则爆燃　会转为爆轰，对建筑物造成更大的破坏　（图１）。相比于开　敞空间，建筑物内陈设复杂的环境，大大增加了爆燃转爆轰　的概率。　２爆燃事故的预防和治理　２．１　室内燃气爆燃的机理和防治　目前我国对建筑物内燃气爆燃研究的成果还比较有限，　［定稿日期］２０１４—１２—３１　［作者简介］王昊（１９９０一），男，硕士研究生，研究方向：　工程防护与减灾技术。　四川建筑第３５卷３期

２０１５．６　点燃点　ｆ　图１爆炸压力一时问曲线　其中大部分研究还是基于事故现场调查和灾后分析处理。　现在的研究也只是在国外研究成果的基础上加以进行，系统　的研究还没开展过，更未形成专门针对民用建筑物的规范。　以下是国内外一些研究成果。　美国等一些西方发达国家自２０世纪７０年代以来先后　开展了燃气爆炸灾害研究，其中具有代表性的成果有西德　ｗ．Ｂ．Ｂａｒｔｋｎｅｃｈｔ所著的《爆炸及其安全措施》、美国ｗ．Ｅ．　ｂａｋｅｒ等著的《爆炸危险性及其评估》、美国国家防火协会制　定的ＮＦＰＡ　６８—２０１３。我国对燃气爆燃防护研究也十分重　视。赵衡阳在综合前任研究成果的基础上，对燃气和粉尘爆　炸进行了充分的论述，此外，部分高校和科研机构也开展了　此类研究，并制定了一些相关的防护标准。这些研究成果，　为燃气爆燃防护研究带来了不同层次、不同程度的帮助。　２．１．１爆炸极限　每种燃气，在氧气或者空气中，都有一个可以发生爆炸　的浓度范围。超出这个范围，不管是多强的点火源，都无法　引起燃气爆炸。这个浓度范围，就是所谓的爆炸极限。需要　指出的是燃气爆炸上限与空气中的含氧量关系极大，而下限　却无关，因此，人们总是用燃气和空气而不是氧气的比例来　规定爆限Ｌ４　（表２）。　表２部分可燃气／空气爆炸极限　可燃物名称　爆炸下限／％　爆炸上限／％　甲烷　４．６　１４．３　乙烯　２．７　３４．０　环氧乙烷　２．６　ｌｏｏ　甲苯　１．２　７．０　汽油　１．３　７．１　对此，只要想办法，控制室内燃气的浓度在爆炸极限之　外，主要还是控制泄漏量在爆炸下限之下，则可以有效控制　爆燃的发生。例如在厨房这种燃气易泄漏地区，就要始终保　持环境的通风。当然也别忘了，所有爆燃事故的发生都需要　火源，避免在燃气浓度较高的环境进行动火作业。　２．１．２泄爆压力　爆炸泄压是在爆炸初始或扩展阶段将容器内高温高压　燃烧物，通过容器结构强度最低的部分（即泄压口），向安全　方向泄出，使泄爆压力小于容器强度　Ｊ。上面叙述过，爆燃　事故因为其荷载的静载性质，所以破坏具有局限性，正因如　此，它对泄爆特别敏感，可以说，泄爆是最有效减轻室内爆燃　的手段之一。泄爆是爆燃压力难以达到最大值的重要因素，　一般的民用建筑，其门窗以及比较薄弱的部位，都可以完成　泄压。一般来说，泄爆时间越短，泄爆面积越大，泄爆压力的　峰值也就越小。目前，国内外关于泄压面积的计算公式已经　有许多，一些国家也颁布了可燃介质爆炸泄放标准，但是这　些公式、标准基本建立在实验基础上，使用范围受到很大限　制，预测的结果与实验结果有一定的偏差。　国外学者对泄压面积的计算取得的代表性进展，主要有　比例计算法，反映了泄压面积与容器容积，泄放压力之间的　关系，是一种根据相似理论，用小容器实验结果推算大容器　的设计结果的简单方法，但往往会得到过大的泄放面积　；　Ｄｏｎａｔ基于实验结果提出，在爆炸泄放计算时也存在与密闭　容器内气体爆炸类似的立方根定律　，这种方法可根据某一　容器的泄放特性推算另一容器的泄放面积，求得的泄放面积　在一定范围内得到了实验验证；根据ＮＦＰＡ６８（１９８１版）的　Ｒｕｎｅｓ公式：　Ａ＝７ＣＬ１　Ｌ２　（１）＝—＝　（）　式中：Ａ为泄压面积，ｍ　；Ｃ为燃烧常数，见表３；Ｌ，是最　小室内尺寸（ｍ）；Ｌ　是最大室尺寸（ｍ）；Ｐ为最弱结构构件　承受最大内超压的能力，ｋＰａ；　表３　Ｃ的推荐值　燃料　公式用ｃ／（ｋＰａ）　丙烷类气体　２．６　乙烯　４．Ｏ　乙炔　５．０　氢气　６．４　ＮＦＰＡ６８（２００７版）与之前的版本比较，在泄压面积计算　方法上，给出了低强度和高强度封闭空间泄压面积的计算公　式及其使用条件。　低强度封闭空间泄压面积的计算公式（Ｐ≤１０　ｋＰａ）：　Ａ＝　ＣＡ　Ｎ　（２）　Ｍ　＝【６．６７．（Ｐ０　．２・（ｎＯ．３）・（专）ｒ（３）　△Ａ　＝０．００７５・Ａ・Ｍ　・　０．３・　．Ｐ譬　（４）　如泄压面积的质量Ｍ＞ＭＴ且ＫＧ≤１３　ＭＰａ・ｍ／ｓ，应按　公式（４）对低强度封闭空间增加泄压面积。　高强度封闭空间泄压面积计算公式（Ｐ＞１０　ｋＰａ）：　Ａ　｛【０．１２７　ｌｏｇ　ｌｏ（　Ｇ）一０．ｏ５６７１Ｐ２　。　｝Ｖ２／３＋　［０．１７５Ｐ￣　（Ｐ　一１０）］　（５）　当长径比大于２时，应按公式（６）增加泄压面积。　ＡＡ：掣‘　６　＝————＿＝÷＝——　ｆ）　式中：Ｍ　为泄压面板的临界质量，ｋｇ；Ｋ。为气体爆炸指　四川建筑第３５卷３期２０１５．６　

２７９　数；Ｖ为封闭空间的体积，Ｉｎ　；Ｐ　。为静态动作压力，ｋＰａ；告　上，　为长径比。　国内学者在国外已有公式的基础上进行了改进，朱毅、　杨伯中　等将现行《建筑设计防火规范》中可燃气体厂房泄　压面积计算公式的表达形式，适用条件和应用范围，与现行　ＮＦＰＡ６８￣爆炸泄压指南》中给出的计算公式进行比较。结果　表明长径比和最大内部超压对厂房的泄压面积有较大影响；　经建生、王宝兴　等介绍了一种采用了“立方根规律“的泄　压面积计算方法，与ＮＦＰＡ６８《爆炸泄压指南》有关公式相　比，考虑了有爆炸危险厂房容积对泄压比的影响，同时考虑　了厂房几何形状与长径比的影响，计算结果良好吻合。　图２中，Ａ、Ｂ、Ｃ分别表示强度为Ｐ　的容器在无泄压、小　泄压口和较大泄压口情况下的压力随时间变化情况，可以明　显看到泄压　图２泄压与未泄压压力一时间曲线　泄压不能防止爆炸发生，它只能减少爆炸的危险危害　性，减少或避免生命财产损失。　２．２　防止结构破坏的总体原则　燃气爆燃是民用建筑常见的意外荷载，爆炸发生时局部　破坏再所难免，可以通过泄压来减小超压，但关键问题是不　发生连续倒塌和整体破坏，即将爆炸作用限制于局部。预　防连续倒塌和整体破坏的方法有以下三个方面：事故控制、　直接设计和间接设计ｉｎ　Ｊ。　（１）事故控制：定期检查煤气管道、保养家用燃气具、增　强居民防灾意识和完善报警和消防措施等。　（２）直接设计：要求设计人员在设计过程中充分预见可　能发生的连续倒塌和整体破坏形式，通过增强构件的抵抗能　力来防止连续倒塌和整体破坏。　（３）间接设计：指制订规范，规定构件、节点等的强度、刚　度和稳定性的阈值和构造要求。它能综合各方面专家的意　见，而且便于执行，有较好的客观性。　２．３选型和整体构造措施　２．３．１结构造型　选择抗爆性能好的结构形式，如现浇框架、剪力墙和筒　２８０　体等结构，这些结构有良好的延性，在满足抗震要求后，不　必专门采取其它措施。如果必须采取混合结构和装配式结　构时，应尽量遵循以下几个原则：①避免出现孤立直墙；②楼　板以现浇板和双向受力为优，不能满足时应满足下面的构造　措施。　２．３．２构造措施　防止水平连续倒塌的构造措施包括：圈梁、增强整体性　的现浇带和纵向止推构造，通过这些措施的采取可使爆炸　局限在较小的水平单元内。　竖向连续倒塌的原因是由于爆炸作用使构件的荷载和　边界条件发生变化，如荷载变大、产生反向荷载及搭接破坏　等，因此可根据抗震的规范加强节点构造并考虑可能出现爆　炸房间构件的反向受力。　３结论　防止民用燃气在建筑中发生严重灾害，越来越成为我国　一个日益紧迫的话题。本文从爆燃事故的特点说起，对其机　理进行了分析，并给出了相应的防止措施。但是考虑到燃气　爆燃事故的偶然性和人为性特点，所以本研究在整体上还存　在不足，类似的研究工作还有待进一步开展下去。　参考文献　［１］韩永利，陈龙珠．燃气爆炸事故对住宅建筑的破坏［Ｊ］．土木建　筑与环境工程，２０１ｌ，３３（６）：１２０—１２３．　［２］崔京浩，叶宏．燃气爆炸的危害、特点及其防治［Ｊ］．消防科技，　１９９４（４）：２—４．　［３］赵衡阳．气体和粉尘爆炸原理［Ｍ］．北京：北京理工大学出版　社，１９９６．　［４］ＧＢ／Ｔ　１３６１１—２００６城镇燃气分类和基本特性［ｓ］．　［５］谢天生，余维纫，徐连胜，等．粉尘爆炸泄压技术［Ｊ］．水运科学　研究所学报，１９９９（４）：５７—６４．　［６］　Ｂａｒｔｋｎｅｅｈｔ．Ｗ．Ｄｒｕｃｋｅｎｆｌａｓｔｕｎｇ　ｖｏｎ　ｓｔａｕｂｂｒａｅｎｄｅｎ　ｉｎ　Ｂｅｈａｅｌｔｅｍ　［Ｊ］．Ｓｔａｕｂ—Ｒｅｉｎｈａｈｕｎｇ　ｄｅｒ　Ｌｕｆｔ，１９８６，４６（２）：２—８．　［７］　范喜生．关于抗爆与泄爆设计方法的研究ｅ　Ｊ］．工业安全与防　尘，１９９４（４）：２７—３０．　［８］　ＮＦＰＡ　６８．１９８１　Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　Ｖｅｎｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎｓ．　［９］　ＮＦＰＡ　６８．２００７　Ｇｕｉｄｅ　ｆｏｒ　Ｖｅｎｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｄｅｆｌａｇｒａｔｉｏｎｓ．　［１Ｏ］朱毅，杨伯忠．甲乙类厂房泄压面积计算方法探讨［Ｊ］．消防　理论研究，２０１２，３１（２）：１２９—１３１．　［１１］经建生，王宝兴，倪照鹏．一种计算泄压面积的推荐方法［Ｊ］．　消防理论研究，２００３，２２（３）：１７７—１８０．　［１２］　［西德］Ｂａｒｅｈｎｅｅｔ．爆炸过程及防护［Ｍ］．北京：化学工业出版　社．１９８３．　四川建筑第３５卷３期