综合管廊燃气舱运营风险及应对措施探讨

黄志华

(厦门市政集团有限公司，福建 厦门 361000)

0 引言

综合管廊是建造于城市地下，用于敷设给水、再生水、雨水、污水、天然气、电力、热力、通信等工程管线的市政公用设施。综合管廊可以避免管线敷设和维修时对道路的频繁开挖，降低管线维修对路面多次开挖而产生的维修费用。综合管廊实行统筹规划，集中管理，具有综合性、可靠性、长久性、智慧性等特点。

在综合管廊燃气舱内，燃气管道发生泄漏一般是小孔泄漏，其主要原因为自然腐蚀、应力穿孔等。如果泄漏口很小，在自然通风的影响下，可能长时间持续泄漏而不触发可燃气体探测器报警，人员巡检也难以发现这样的微量泄漏。微量泄漏的燃气在通风设备停止工作的情况下产生积聚，即使舱室内燃气浓度达到可燃气体探测器报警的浓度，到爆炸下限仍需要一定时间。在燃气浓度达到设定值触发事故通风、管道紧急切断的情况下，目前的通风设施可以在15min内让舱室内燃气浓度降到远小于爆炸下限，基本恢复到安全状态。如果燃气泄漏口较大，泄漏后的燃气首先会积聚在泄漏口的顶部，同时由于通风的影响，向通风口的出口流动扩散，很快就会达到爆炸极限范围内，此时如果存在点火源，会发生爆炸。

爆炸产生的超压冲击波和火焰可对人员造成伤害，并损坏设备、管廊舱室墙体等。谢尚群的研究显示综合管廊燃气舱内发生甲烷爆炸，其爆炸的超压值可以破坏防火分区尽头的防火墙，并且火焰传播范围远超预混燃气原有体积，即火焰和冲击波可以进入到沿管廊纵向前后相邻的防火分区中(关于综合管廊爆炸研究，通常关注不同管线舱室间的壁面破坏，即左右相邻舱室，本文研究对象是燃气舱不同防火分区间的影响，所以使用“前后相邻分区”)，对相邻分区造成影响。

国内目前在综合管廊燃气爆炸对前后相邻分区影响的研究尚少，本文对燃气舱燃气泄漏后可能发生的爆炸事故采用数值模拟方法进行研究，分析爆炸对前后相邻分区的破坏，提出提高安全性的措施，并从综合管廊运维管理的角度，对燃气管廊智慧运维管理提出建议。

1 爆炸影响模拟

爆炸模拟使用开源软件OpenFoam完成。该软件基于计算流体力学方法和有限元计算，选用LES大涡模拟进行求解，其中的XiFoam求解器对气体爆炸模拟计算精度高，平均误差小，对于甲烷和空气的混合物爆炸模拟计算得到的结果与实验值极为接近。

按照厦门某综合管廊燃气舱实际情况建模，舱室模型俯视图，如图1。以防火隔断右下角为原点建立笛卡尔三维直角坐标系，沿

X

轴正方向为爆炸发生分区，长20m(图1中仅展示了10m)，沿

X

轴负方向为相邻分区，长10m。分区的中间为防火墙，顶部距离墙0.3m处两侧的2个通风口大小均为0.8m×0.8m。舱室标准段宽度1.5m，在距离防火墙3.05m到3.8m处通过图1虚线所示的衔接段连接。考虑到模拟计算的准确性，对衔接段进行了图1实线所示的简化。

图1 舱室模型俯视图Fig.1 The top view of cabin model

舱室A-A剖面图，如图2。舱室高3m，舱室最宽为通风口扩宽段，宽2.2m，防火门高2.1m，宽0.9m，距离墙0.1m。燃气管道用外直径0.3m的圆柱代替，管道正下方安装有高0.7m，宽0.3m的支墩。

图2 舱室A-A剖面图Fig.2 A-A section of the cabin

模拟中假设燃气和空气均匀混合(不考虑通风的影响)，充斥整个分区断面，燃气设置为纯甲烷，其浓度为体积分数9.5%。预混空间设置为从防火隔断位置(

X

=0m)开始，向

X

轴正方向，长度假设为10m和20m 2种情况。预混燃料中心设置为爆炸中心，当预混长度为10m时，爆炸中心位于

X

=5m处，当预混长度为20m时，爆炸中心位于

X

=10m处。计算域中的全部网格统一设置为0.05m×0.05m×0.05m的正方体，共计423 840个网格。边界条件的设置分为2种，壁面和开放边界，设置

X

轴两端和

Z

轴正方向为开放边界，表示冲击波和火焰可以自由出入，其余选择刚性壁面。

当预混燃气长度为10m时，最大超压仅1.68kPa，火焰没有明显向外扩散，影响基本可以忽略不计。当预混燃气长度为20m时，超压最高达到32.43kPa，这个超压可以造成人员伤害，导致听力受损，并且会对舱室防火隔断表面造成一定破坏，根据文献[7]的实验结果，不会对管道本身造成损坏。

爆炸超压(如图3)虽然爆炸在右侧分区发生，但是最大的超压却在相邻分区中产生，而爆炸中心的压力值并不高。这是因为爆炸产生的冲击波到达防火墙位置时，会推开防火门，进入到左侧分区中，而防火门的尺寸比舱室断面面积小，起到了收束作用，让冲击波在通过防火门位置时加速，同理，相邻分区衔接段位置，断面面积再次发生改变，所以最大的超压出现在相邻分区中。

图3 爆炸超压Fig.3 The explosive overpressure

爆炸火焰(如图4)随着时间推移，火焰从爆炸中心位置逐渐向两侧扩散，并进入到相邻分区，因为经过防火门，可流通面积减小，火焰受到约束，传播到左侧分区时立刻产生剧烈的扰动。火焰覆盖范围较广，在距离爆炸中心20m，即

X

=-10m处仍会受到火焰影响。

图4 爆炸火焰Fig.4 The explosive flame

随着预混燃气长度增加，超压值增大，火焰覆盖范围更广。目前综合管廊防火墙普遍采用砖墙或砖混结构墙，并不是预制钢筋混凝土结构，对于爆炸冲击波的承载能力有限，如果预混气体分布足够长可能会被破坏。

事实上，燃气管道本身在爆炸中不易受到破坏，经过爆破试验，即使在超过0.6MPa超压值的情况下，试验用的钢管仍然没有明显破坏痕迹。因为在燃气管道轴向方向和爆炸冲击波的传递方向一致，能够有效减少爆炸负荷。同时，圆管四周都有燃气存在，管道没有受到单一方向的力，而圆管使得爆炸冲击力向四周消散。

所以，在燃气舱爆炸中，管道受到的破坏很小，除了对人员可能的伤害外，主要是对防火墙的破坏。

2 应对措施

模拟得到的结果，出现了违反常识的结论，即最大超压出现在远离爆炸中心的相邻分区，会产生比爆炸中心更严重的破坏，这与“爆炸中心破坏最严重”的通常认知不同。针对这一问题，从防爆抑爆角度和本质安全角度提出如下改进措施。

2.1 做好燃气舱本质安全防护

2.1.1 利用管道内部作业机器人检测管道

注重燃气管道的本质安全，加强入廊燃气管道质量把控，对入廊燃气管道管材及配件质量、施工工艺、验收结果进行把控，运行中及早发现管道内部的腐蚀、裂纹等现象。靠人员或者机器人携带检测设备从外部进行检测探伤，因为舱室可作业空间小，管道支架或支墩多，以及设备大小、重量等原因限制，检查的效率较低，如果采用直接从内部检测可以提高效率。

目前已经有适用于复杂管道且功能齐全的模块化管道作业机器人，可以从管道内部进行管道的检测、异物清理和焊缝打磨等。机器人可以主动适应直径0.25 ～0.45m的复杂管道，具备较强的过弯能力。这种机器人各个模块之间可以快速拆卸和安装，在节约大量成本的同时还可以提升工作效率。模块化管道作业机器人应用在综合管廊燃气管道的检测中，有助于从源头上避免事故发生。

2.1.2 采用激光可燃气体探测器

目前，管廊内使用的可燃气体探测器为点式分布，探测器常选用固定的点式催化燃烧型探测器和红外光型探测器。点式探测器虽然具有技术成熟、价格低、响应速度快的优点，但也存在使用寿命短、校准频繁、易受红外谱线干扰、探测面积小的缺点，影响探测的效果。

综合管廊舱室结构特点是断面尺寸小、长度长，针对该特点，可以采用线型探测器与点式气体探测器联合使用，因为线型探测器具有探测浓度范围广、精度高、抗干扰能力强、维护成本低等优点。通过设置线型激光探测器，大幅减少点式探测器数量，进一步优化和提高燃气舱可燃气体报警系统的可靠性、安全性、经济性。

2.1.3 控制燃气舱点火源

燃气舱的电气设备应符合现行国家标准《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB 50058-2014)有关爆炸性气体环境2区的防爆规定。此外，正常作业期间，应特别注意移动式操作设备进入舱室也必须满足防爆要求。

燃气舱地面应采用撞击时不产生火花的材料，同时加强管廊施工阶段的过程控制、监督、验收工作质量，防止施工质量不满足规范要求。

管廊舱室通过地面风亭与外界通风换气，地面风亭数量较多，在城市公共区域，有一定的管理难度。因此，应加强地面风亭的安全管理，在重要区域还可设置隔离网、视频监控等安全设施，防止第三方破坏，重点防范风亭和通风口周边的点火源。

2.2 增强燃气舱防爆抑爆措施

2.2.1 减少支墩和支架数量和体积

管道下方的支墩和支架属于障碍物，爆炸发生时，会使得超压和冲击波更加剧烈，所以数量应该尽量减少，且使用较小体积，避免使用连续的混凝土支墩，可以减少舱室内的拥塞程度，有助于降低爆炸的超压值。这样即使在爆炸发生时，也不容易破坏管道，从而避免引发更大规模泄漏、爆炸的二次破坏。

2.2.2 预警相邻分区

如果爆炸发生，那么破坏性很可能不止局限于单一分区，前后相邻分区被破坏程度甚至更严重，所以对于探测到燃气泄漏的分区，应该将该分区的前后相邻分区同样列入报警范围，指导管廊内的工作人员紧急疏散，以免发生意外事故。

2.2.3 增大泄爆面积

增大泄爆口面积可以有效减小爆炸的破坏性，舱室的防火门也可以起到泄爆作用，适当增加防火门的高度，或者将防火门上方现有防火墙改造为可开启的泄压板，能够有效减少爆炸对防火墙的破坏。

2.2.4 通风夹层防火防爆处理

在通风口上方和地面之间，有一处通风夹层用于放置设备，供人员紧急逃生用，同时在此处安置有大量设备。爆炸产生的冲击波和火焰会进入通风夹层，虽然爆炸持续时间很短，但仍要进行防火防爆处理，使用符合防爆级别器械、涂层等，防止夹层空间起火。

3 结论

本文对燃气泄漏后的爆炸事故影响进行分析，通过数值模拟方法研究爆炸产生的超压和火焰对纵向前后相邻分区的影响，发现最大超压值可能在相邻分区中出现，这一现象与常规认识——爆炸中心会出现最大超压值不同。为保障综合管廊的安全性，提高综合管理效果，从本质安全和防爆抑爆2个角度，提出一系列防护措施。