摘　要：分析可燃氣體爆炸機理，探討室內天然氣泄漏爆炸定量計算方法。結合算例，進行了理論計算。在天然氣泄漏流量一定的前提下，距爆炸中心同一位置的沖擊波超壓以及爆炸波及區域的死亡區半徑、重傷區半徑、輕傷區半徑均與泄漏時間的變化趨勢一致。

關鍵詞：天然氣  泄漏  爆炸　TNT當量法

Quantitative Calculation of Explosion from Indoor Gas Leakage

Abstract：The explosion mechanism of flammable gases is analyzed．The quantitative calculation method of explosion from indoor natural gas leakage is discussed，and the theoretical calculation is performed with a calculation example．Under the premise of cerrain natural gas leakage rate，the shock wave super pressure and explosion wave at identical distances from explosion center as well as the death radius，serious injury radius and slight injury radius are consistent with variation trend of leakage time．

Key words：natural gas；leakage；explosion；TNT equivalent method

可燃氣體燃燒爆炸過程是一個復雜的物理化學過程^[1-2]，爆炸產生的破壞宏觀表現在爆炸后對周圍物體的直接破壞，破壞程度則取決于爆炸后產生的沖擊波超壓。對室內天然氣泄漏導致的爆炸沖擊波超壓、破壞半徑的計算及影響因素進行分析，有助于人們對爆炸破壞程度的認識，判斷火焰走勢，合理布置空間內設施，為減災防爆提供依據^[3]。本文對室內天然氣泄漏爆炸的定量計算進行探討。

1　可燃氣體爆炸機理

室內天然氣泄漏爆炸本質上是泄漏天然氣與空氣(氧)的快速氧化反應，屬于化學爆炸。爆炸的主要特征是快速燃燒，燃燒爆炸后形成的沖擊波在無障礙物阻擋的前提下以球面形式傳播。傳播初期，膨脹的爆炸產物補充沖擊波傳播過程中損失的能量，隨著爆炸產物膨脹到極限，沖擊波尾部與爆炸產物相鄰的界面處壓力降至某個壓力P，接著爆炸產物由于慣性繼續膨脹直至消失。此時爆炸產物的平均壓力低于P，于是周圍介質反過來對爆炸產物進行壓縮，使其壓力回升。

2　泄漏爆炸定量計算方法

室內天然氣泄漏地點主要為廚房，因此以廚房內燃氣用具作為爆炸中心，采用TNT當量法對爆炸能量(等效TNT質量)、沖擊波超壓、破壞半徑進行計算。

①等效TNT質量

天然氣泄漏后與空氣混合形成蒸氣云，用TNT當量法將發生爆炸的天然氣質量按能量等效的原理換算成TNT的質量進行近似處理，等效TNT質量m_TNT的計算式為^[4]：

式巾m_TNT——等效TNT質量，kg

A——當量系數，取0.04

mf——發生爆炸的天然氣總質量，kg

Qf——天然氣的爆炸熱，kJ／kg，可取甲烷的燃燒熱，取5.56×10⁴kJ／kg

QTNT——TNT標準爆源的爆熱值，kJ／kg，取4.52×10³kJ／kg

r——天然氣密度，kg／m³，為0.764kg／m³

q——天然氣泄漏流量，m³／s

t——遇點火源前天然氣的泄漏時間，s

②沖擊波超壓^[5]

距爆炸中心d處的沖擊波超壓Dp的計算式為：

式中Dp——沖擊波超壓，Pa

a、b——系數

L——等效距離，m

d——距爆炸中心的距離，m

不同等效距離對應的系數a、b見表l^[5]。

③破壞半徑

已知等效TNT質量，可采用超壓一沖量準則估計破壞半徑。設定爆炸波及區域為圓形區域，破壞半徑R≤R0.5為死亡區半徑，R0.5代表人員因沖擊波作用導致肺出血而死亡的概率為0.5的破壞半徑，計算式為^[6]：

式中R0.5——人員因沖擊波作用導致肺出血而死亡的概率為0.5的破壞半徑，m

設R0.5<R≤Rd,0.5為重傷區半徑，Rd,0.5代表人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.5的破壞半徑，對應沖擊波超壓限值為44kPa。Rd,0.5可采用以下計算式確定^[6]：

式中Z——系數

Rd,0.5——人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0.5的破壞半徑，m

p0——環境壓力，Pa．

E——爆炸總能量^[7]，J

設Rd,0.5<R≤Rd,0.01為輕傷區半徑，Rd,0.01代表人員因沖擊波作用耳膜破裂的概率為0．ol的破壞半徑，對應沖擊波超壓限值為17kPa。將式(7)中的Rd,0.5替換成Rd,0.01，即可計算得到Rd,0.01。

3　算例

取環形縫隙泄漏流量為7.882×10^-4m³／s規格為l5mm的燃氣管道^[8]，泄漏時間分別取l00、300、600、900、1800、3600、7200s。例：2.3m處Dp=52.28kPa，Dp=44kPa處>2.3m。沖擊波、爆炸波及區域破壞半徑采用不同方法計算，前者采用式(3)、(4)計算，后者采用式(5)～(7)計算。不同泄漏時間下距爆炸中心2.3m處(內墻位置)的沖擊波超壓以及爆炸波及區域的死亡區半徑、重傷區半徑、輕傷區半徑見表2。

由表2可知，在天然氣泄漏流量一定的前提下，距爆炸中心同一位置的沖擊波超壓以及爆炸波及區域的死亡區半徑、重傷區半徑、輕傷區半徑均與泄漏時間的變化趨勢一致。這是由于隨著泄漏時間的延長，天然氣的泄漏量也逐漸增加，距爆炸中心同一位置的沖擊波超壓以及爆炸波及區域的死亡區半徑、重傷區半徑、輕傷區半徑也隨之增大。

不同沖擊波超壓范圍對建筑物的破壞程度、對人體傷害程度分別見表3、4^[5]。

由表2～4可知，在距爆炸中心2.3m處：當泄漏時間為300s時，爆炸導致墻體出現裂縫，人員輕微受傷；當泄漏時間為600s時，爆炸導致墻體出現較大裂縫，人員內臟嚴重損傷或死亡；當泄漏時間為900s時，爆炸導致木結構建筑立柱折斷，使得人員內臟嚴重損傷或死亡；當泄漏時間為7200s時，爆炸導致大型鋼架結構破壞，大部分人員死亡。

4　結論

在天然氣泄漏流量一定的前提下，距爆炸中心同一位置的沖擊波超壓以及爆炸波及區域的死亡區半徑、重傷區半徑、輕傷區半徑均與泄漏時間的變化趨勢一致。

參考文獻：

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本文作者：周月琴  張增剛  王夏冉

作者單位：山東建筑大學熱能工程學院

  山東建筑大學山東省建筑節能技術重點實驗室

  山東建筑大學可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室