摘　要：分析可燃气体爆炸机理，探讨室内天然气泄漏爆炸定量计算方法。结合算例，进行了理论计算。在天然气泄漏流量一定的前提下，距爆炸中心同一位置的冲击波超压以及爆炸波及区域的死亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径均与泄漏时间的变化趋势一致。

关键词：天然气  泄漏  爆炸　TNT当量法

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

可燃气体燃烧爆炸过程是一个复杂的物理化学过程^[1-2]，爆炸产生的破坏宏观表现在爆炸后对周围物体的直接破坏，破坏程度则取决于爆炸后产生的冲击波超压。对室内天然气泄漏导致的爆炸冲击波超压、破坏半径的计算及影响因素进行分析，有助于人们对爆炸破坏程度的认识，判断火焰走势，合理布置空间内设施，为减灾防爆提供依据^[3]。本文对室内天然气泄漏爆炸的定量计算进行探讨。

1　可燃气体爆炸机理

室内天然气泄漏爆炸本质上是泄漏天然气与空气(氧)的快速氧化反应，属于化学爆炸。爆炸的主要特征是快速燃烧，燃烧爆炸后形成的冲击波在无障碍物阻挡的前提下以球面形式传播。传播初期，膨胀的爆炸产物补充冲击波传播过程中损失的能量，随着爆炸产物膨胀到极限，冲击波尾部与爆炸产物相邻的界面处压力降至某个压力P，接着爆炸产物由于惯性继续膨胀直至消失。此时爆炸产物的平均压力低于P，于是周围介质反过来对爆炸产物进行压缩，使其压力回升。

2　泄漏爆炸定量计算方法

室内天然气泄漏地点主要为厨房，因此以厨房内燃气用具作为爆炸中心，采用TNT当量法对爆炸能量(等效TNT质量)、冲击波超压、破坏半径进行计算。

①等效TNT质量

天然气泄漏后与空气混合形成蒸气云，用TNT当量法将发生爆炸的天然气质量按能量等效的原理换算成TNT的质量进行近似处理，等效TNT质量m_TNT的计算式为^[4]：

式巾m_TNT——等效TNT质量，kg

A——当量系数，取0.04

mf——发生爆炸的天然气总质量，kg

Qf——天然气的爆炸热，kJ／kg，可取甲烷的燃烧热，取5.56×10⁴kJ／kg

QTNT——TNT标准爆源的爆热值，kJ／kg，取4.52×10³kJ／kg

r——天然气密度，kg／m³，为0.764kg／m³

q——天然气泄漏流量，m³／s

t——遇点火源前天然气的泄漏时间，s

②冲击波超压^[5]

距爆炸中心d处的冲击波超压Dp的计算式为：

式中Dp——冲击波超压，Pa

a、b——系数

L——等效距离，m

d——距爆炸中心的距离，m

不同等效距离对应的系数a、b见表l^[5]。

③破坏半径

已知等效TNT质量，可采用超压一冲量准则估计破坏半径。设定爆炸波及区域为圆形区域，破坏半径R≤R0.5为死亡区半径，R0.5代表人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5的破坏半径，计算式为^[6]：

式中R0.5——人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5的破坏半径，m

设R0.5<R≤Rd,0.5为重伤区半径，Rd,0.5代表人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为0.5的破坏半径，对应冲击波超压限值为44kPa。Rd,0.5可采用以下计算式确定^[6]：

式中Z——系数

Rd,0.5——人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为0.5的破坏半径，m

p0——环境压力，Pa．

E——爆炸总能量^[7]，J

设Rd,0.5<R≤Rd,0.01为轻伤区半径，Rd,0.01代表人员因冲击波作用耳膜破裂的概率为0．ol的破坏半径，对应冲击波超压限值为17kPa。将式(7)中的Rd,0.5替换成Rd,0.01，即可计算得到Rd,0.01。

3　算例

取环形缝隙泄漏流量为7.882×10^-4m³／s规格为l5mm的燃气管道^[8]，泄漏时间分别取l00、300、600、900、1800、3600、7200s。例：2.3m处Dp=52.28kPa，Dp=44kPa处>2.3m。冲击波、爆炸波及区域破坏半径采用不同方法计算，前者采用式(3)、(4)计算，后者采用式(5)～(7)计算。不同泄漏时间下距爆炸中心2.3m处(内墙位置)的冲击波超压以及爆炸波及区域的死亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径见表2。

由表2可知，在天然气泄漏流量一定的前提下，距爆炸中心同一位置的冲击波超压以及爆炸波及区域的死亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径均与泄漏时间的变化趋势一致。这是由于随着泄漏时间的延长，天然气的泄漏量也逐渐增加，距爆炸中心同一位置的冲击波超压以及爆炸波及区域的死亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径也随之增大。

不同冲击波超压范围对建筑物的破坏程度、对人体伤害程度分别见表3、4^[5]。

由表2～4可知，在距爆炸中心2.3m处：当泄漏时间为300s时，爆炸导致墙体出现裂缝，人员轻微受伤；当泄漏时间为600s时，爆炸导致墙体出现较大裂缝，人员内脏严重损伤或死亡；当泄漏时间为900s时，爆炸导致木结构建筑立柱折断，使得人员内脏严重损伤或死亡；当泄漏时间为7200s时，爆炸导致大型钢架结构破坏，大部分人员死亡。

4　结论

在天然气泄漏流量一定的前提下，距爆炸中心同一位置的冲击波超压以及爆炸波及区域的死亡区半径、重伤区半径、轻伤区半径均与泄漏时间的变化趋势一致。

参考文献：

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本文作者：周月琴  张增刚  王夏冉

作者单位：山东建筑大学热能工程学院

  山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室

  山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室