CN108197406A - 一种室内天然气爆炸强度的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内天然气爆炸强度的评估方法，首先分别建立室内天然气约束爆炸超压强度与天然气浓度、泄爆面静开启压力以及泄爆面积三个参数的定量关系模型；基于所建立的三个定量关系模型，采用数理统计回归分析法获得多参数作用下的室内天然气约束爆炸超压强度综合评估模型；按照评估要求，获取天然气爆炸事故现场的关键技术参数；将所述关键技术参数输入所述综合评估模型中，并根据天然气泄漏时窗体的开启情况，对建筑内天然气泄漏后发生爆炸造成的超压强度进行快速评估和预测。上述方法能够准确获取多参数条件下室内天然气爆炸的超压强度，实现爆炸超压强度的快速准确评估，从而对此类事故进行有效预防控制，并及时进行事故调查分析。

Description

一种室内天然气爆炸强度的评估方法

技术领域

本发明涉及室内天然气研究技术领域，尤其涉及一种室内天然气爆炸强度的评估方法。

背景技术

作为清洁能源，近年来天然气在全世界城市居民生活中被广泛使用，但由于天然气设施的老化以及不规范使用等问题，导致建筑物内天然气泄漏爆炸事故频发。而天然气爆炸事故一旦发生，不仅造成大量的人员伤亡、房屋结构破坏以及财产损失，还会带来严重的社会负面影响。一般而言，民用建筑内天然气泄漏主要发生在厨房，泄漏天然气与空气混合形成爆炸性预混气体，遇火源发生爆炸，而厨房的窗体在爆炸过程中往往构成弱约束泄爆结构，即爆炸波会经过窗户向外泄放，形成弱约束泄爆过程。气体爆炸属于非点源爆炸形式，爆炸过程受约束泄爆面积和泄爆面静开启压力等因素的影响极为显著。天然气爆炸过程中产生的冲击波超压是导致财产损失和伤亡的主要因素，而不同的爆炸参数条件相互耦合，不仅增加了爆炸超压灾害的复杂性，也为天然气爆炸灾害的现场救援和灾后快速评估带来了挑战。因此，准确把握约束泄爆条件对室内天然气爆炸超压强度的影响规律，建立室内天然气爆炸超压强度灾害多参数预测模型对此类事故的现场救援以及快速准确评估灾害结果具有重要意义。

峰值超压是表征天然气爆炸强度的核心指标。大量参考资料研究并提供了不同参数对室内天然气爆炸峰值超压的影响规律，研究发现，不同浓度的天然气在发生爆炸时可能产生不同强度的爆炸超压，并在当量比浓度时取得最大爆炸超压强度；而房间泄爆面积越大，室内爆炸超压强度则越小；泄爆面静开启压力越大，室内天然气爆炸超压强度则越大，在实际的天然气爆炸事故中，通常是多个爆炸影响参数共同作用的结果，从而极大的增加了爆炸强度定量评估的难度。

现有技术中，有关室内天然气等可燃气体的爆炸强度评估工作主要依靠TNT当量法等基于点源爆炸机理的爆炸超压评价模型来完成，其中忽视了约束结构、可燃气体属性等多方面因素对灾害演化过程的显著影响，因此所得评估结果缺乏科学性和准确性。而有关室内气体爆炸强度分布规律方面，通常围绕某个单一影响因素进行考量，目前还难以找到一个针对多参数共同影响下的室内天然气爆炸强度的定量、准确、高效的科学评估方法，进而限制了此类事故的有效预防控制和事故调查分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种室内天然气爆炸强度的评估方法，该方法能够准确获取多参数条件下室内天然气爆炸的超压强度，实现爆炸超压强度的快速准确评估，从而对此类事故进行有效预防控制，并及时进行事故调查分析。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种室内天然气爆炸强度的评估方法，所述方法包括：

步骤1、首先分别建立室内天然气约束爆炸超压强度与天然气浓度、泄爆面静开启压力以及泄爆面积三个参数的定量关系模型；

步骤2、基于所建立的三个定量关系模型，采用数理统计回归分析法获得多参数作用下的室内天然气约束爆炸超压强度综合评估模型；

步骤3、按照评估要求，获取天然气爆炸事故现场的关键技术参数；

步骤4、将所述关键技术参数输入所述综合评估模型中，并根据天然气泄漏时窗体的开启情况，对建筑内天然气泄漏后发生爆炸造成的超压强度进行快速评估和预测。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够准确获取多参数条件下室内天然气爆炸的超压强度，实现爆炸超压强度的快速准确评估，从而对此类事故进行有效预防控制，并及时进行事故调查分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供室内天然气爆炸强度的评估方法流程示意图；

图2为本发明实施例所建立的超压强度随气体体积浓度的变化曲线示意图；

图3为本发明实施例所举出的天然气体积浓度比参数与室内爆炸超压强度的相关性分析示意图；

图4为本发明实施例所提供超压强度随泄爆面静开启压力的变化曲线示意图；

图5为本发明实施例所提供的泄爆面静开启压力参数与室内爆炸超压强度的相关性分析示意图；

图6为本发明实施例所提供超压强度随泄爆面积(泄压比)的变化曲线示意图；

图7为本发明实施例所提供泄爆面积(泄压比)与室内天然气爆炸超压强度的相关性分析示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供室内天然气爆炸强度的评估方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、首先分别建立室内天然气约束爆炸超压强度与天然气浓度、泄爆面静开启压力以及泄爆面积三个参数的定量关系模型；

在该步骤中，所建立的室内天然气约束爆炸超压强度与天然气浓度的定量关系模型表示为：

其中，P_c表示天然气体积浓度比对室内天然气约束爆炸超压强度的影响参数，MPa；p_a表示泄爆面静开启压力，MPa，当泄爆面处于开启状态或属于无约束泄爆时，则p_a＝0；p_o表示房间内初始气体环境压力，MPa，默认值为0.1MPa；V表示房间体积，m³；ф_C表示天然气体积浓度比，ф_C＝C_actual/C_{stoichiometric}，C_actual表示天然气实际体积浓度，C_{stoichiometric}表示天然气化学当量比体积浓度，默认值为9.5％。

下面以具体的实例对上述定量关系模型的获取过程进行详细说明：

首先，根据普通房间内气体爆炸强度灾害的一般特征，本申请采用的数值计算物理模型为长方体房间，其中一面墙体开设泄爆面，泄爆面位于墙体的几何中心位置，室内无障碍物，地面、顶板和墙体均设置为刚性属性，数据均取自房间中心测点，点火源位于房间后壁几何中心位置，距离后壁0.1m，点火源半径为0.015m。由于天然气的主要成分为甲烷，因此本申请采用甲烷/空气混合气体作为爆源，点火时甲烷/空气混合均匀，并处于静止状态，计算域内的环境初始压力和初始温度分别设定为1.01325×10⁵Pa和300K。

为考查气体浓度对室内天然气爆炸超压强度的影响规律，分别设置了5组不同尺寸的房间模型以及5组不同尺寸的泄爆面积，分析了7组不同体积浓度的甲烷/空气混合气体，涉及的甲烷体积浓度范围为6.5％-14.5％。数值计算总共获取了42组数据，模型参数以及数值模拟结果见下表1所示：

表1天然气浓度影响参数的计算模型参数及计算结果

然后根据上表1建立室内天然气爆炸超压强度随气体体积浓度的变化曲线，如图2所示为本发明实施例所建立的超压强度随气体体积浓度的变化曲线示意图，再通过对计算数据进行非线性拟合，室内天然气约束爆炸超压强度与天然气浓度的定量关系模型表示为：

如图3所示为本发明实施例所举出的天然气体积浓度比参数与室内爆炸超压强度的相关性分析示意图，其中，方差R²＝0.85849。

另外，所建立的室内天然气约束爆炸超压强度与泄爆面静开启压力的定量关系模型表示为：

其中，P_act表示泄爆面静开启压力对室内爆炸超压强度的影响参数，MPa；p_a表示泄压面静开启压力，MPa，当泄爆面处于开启状态或属于无约束泄爆时，则p_a＝0；V表示建筑物体积，m³；A_v表示泄爆面面积，m²。

下面以具体的实例对该定量关系模型的建立过程进行详细描述：

为考查泄爆面静开启压力对室内天然气爆炸超压强度的影响规律，分别设置了10组不同尺寸的房间模型以及8组不同尺寸的泄爆面积，泄爆面积分布范围为0.16m²-1.96m²，天然气体积浓度均为9.5％，泄爆面静开启压力分布范围为0MPa-0.79MPa。数值计算总共获取了88组数据，模型参数以及数值模拟结果见下表2所示：

表2泄爆面静开启压力影响参数的计算模型参数及计算结果

基于上述数据建立室内天然气爆炸超压强度随泄爆面静开启压力的变化曲线，如图4所示为本发明实施例所提供超压强度随泄爆面静开启压力的变化曲线示意图。再通过对计算数据进行非线性拟合，获得室内天然气约束爆炸超压强度与泄爆面静开启压力的定量关系模型：

如图5所示为本发明实施例所提供的泄爆面静开启压力参数与室内爆炸超压强度的相关性分析示意图，其中，方差R²＝0.95968。

另外，所建立的室内天然气约束爆炸超压强度与泄爆面积(泄压比)的定量关系模型表示为：

其中，P_v表示泄爆面积(泄压比)对室内天然气爆炸超压强度的影响规律，MPa；K表示泄压比，K＝A_V/A₀，A_V表示泄爆面积，m²；A₀表示泄爆面所在墙面面积，m²。

下面以具体的实例对该定量关系模型的获取过程进行详细描述：

为考查泄爆面积(泄压比)对室内天然气爆炸超压强度的影响规律，分别建立了16组不同尺寸的房间模型，针对每种尺寸的房间模型分别分析了约10组不同尺寸的泄爆面积，每组模型中天然气体积浓度均为9.5％，泄爆面静开启压力均为0MPa。数值计算总共获取了165组数据，模型参数以及数值模拟结果见下表3所示：

表3泄爆面积(泄压比)影响参数的计算模型参数及计算结果

基于上述数据建立室内天然气爆炸超压强度随泄爆面积(泄压比)的变化曲线，如图6所示为本发明实施例所提供超压强度随泄爆面积(泄压比)的变化曲线示意图。再通过对计算数据进行非线性拟合，获得了泄爆面积(泄压比)对室内天然气爆炸超压强度影响参数的预测模型，公式如下：

如图7所示为本发明实施例所提供泄爆面积(泄压比)与室内天然气爆炸超压强度的相关性分析示意图，其中，方差R²＝0.92652。

步骤2、基于所建立的三个定量关系模型，采用数理统计回归分析法获得多参数作用下的室内天然气约束爆炸超压强度综合评估模型；

在该步骤中，所获得的多参数作用下的室内天然气约束爆炸超压强度综合评估模型表示为：

当p_a＝0，即无约束泄爆时：

P_max＝1.64345P_c-0.04945P_act+0.86644P_v-0.08538

当p_a>0，即约束泄爆时：

P_max＝0.84279P_c+0.99379P_act-0.04687P_v-0.05043

其中，P_max表示室内天然气约束爆炸超压强度，MPa；P_c表示天然气体积浓度比对室内爆炸超压强度的影响参数，MPa；P_act表示泄爆面静开启压力对室内爆炸超压强度的影响参数，MPa；P_v表示泄爆面积(泄压比)对室内爆炸超压强度的影响参数，MPa。

步骤3、按照评估要求，获取天然气爆炸事故现场的关键技术参数；

在该步骤中，所获得的关键技术参数包括天然气实际体积浓度C_actual、房间尺寸(长×宽×高)、泄爆面(窗户)尺寸(宽×高)、泄爆面(窗体玻璃)静开启压力p_a。

步骤4、将所述关键技术参数输入所述综合评估模型中，并根据天然气泄漏时窗体的开启情况，对建筑内天然气泄漏后发生爆炸造成的超压强度进行快速评估和预测。

在该步骤中，进行快速评估和预测的过程具体为：

首先判断现场泄爆面的开启状态是否属于无约束泄爆；

如果泄爆面呈开启状态，属于无约束泄爆，则泄爆面静开启压力p_a＝0，再根据公式P_max＝1.64345P_c-0.04945P_act+0.86644P_v-0.08538，得到室内天然气约束爆炸超压强度P_max，完成爆炸强度评估；这里，可以首先根据关键技术参数计算P_c，P_act和P_v的值，然后将P_c，P_act和P_v的值代入公式P_max＝1.64345P_c-0.04945P_act+0.86644P_v-0.08538，从而得到室内天然气约束爆炸超压强度P_max；

如果泄爆面呈关闭状态，属于约束泄爆，则泄爆面静开启压力p_a>0，再根据公式P_max＝0.84279P_c+0.99379P_act-0.04687P_v-0.05043，得到室内天然气约束爆炸超压强度P_max，完成爆炸强度评估，同样的，这里也可以首先根据关键技术参数计算P_c，P_act和P_v的值，然后将P_c，P_act和P_v的值代入公式P_max＝0.84279P_c+0.99379P_act-0.04687P_v-0.05043，从而得到室内天然气约束爆炸超压强度P_max。

下面以具体的实例对上述评估方法的过程进行详细说明：

假定某楼盘2单元303室发生燃气爆燃事故，该楼1996年竣工交付使用，结构类型为砖混结构，地下1层，地上5层，共计4个单元。2单元303室凌晨3时15分许发生燃气爆炸事故，其厨房所在阳台崩落、室内物品全部烧毁；同时，该单元及相邻单元、对面楼房部分住户房屋门窗及窗玻璃受损。

现场事故调查发现，爆炸事故始发于房间厨房位置，发生爆炸的厨房尺寸(长×宽×高)为3m×2m×2.8m，房间窗户所在的墙面尺寸为2m×2.8m，窗户尺寸(宽×高)为1.0m×1.5m，窗体玻璃静开启压力20kPa，现场天然气体积浓度为10％，下面对现场爆炸事故爆炸强度进行评估，具体步骤如下：

步骤一：根据背景资料，掌握评估对象关键技术参数，天然气实际体积浓度C_actual＝10％，房间尺寸(长×宽×高)为3m×2m×2.8m，窗户尺寸(宽×高)为1.0m×1.5m，窗体玻璃静开启压力p_a＝0.02MPa。

步骤二：计算天然气体积浓度比影响参数P_c

(1)根据掌握的天然气实际体积浓度(C_actual)计算房间内气体浓度比参数ф_C，ф_C＝C_actual/C_{stoichiometric}＝10％/9.5％＝1.05；

(2)根据掌握的房间尺寸(长×宽×高)计算房间体积V，V＝长×宽×高＝3m×2m×2.8m＝16.8m³；

(3)将参数ф_C＝1.05、V＝16.8m³、p_a＝0.02MPa、p_o＝0.1MPa同时带入公式进行计算P_c。

步骤三：计算泄爆面静开启压力影响参数P_act

(1)根据掌握的泄爆面尺寸(宽×高)计算泄爆面积A_V，A_V＝宽×高＝1.0m×1.5m＝1.5m²；

(2)将参数p_a＝0.02MPa、V＝16.8m³、A_V＝1.5m²同时带入公式进行计算P_act。

MPa

步骤四：计算泄压比影响参数P_v

(1)根据掌握的房间尺寸(长×宽×高)计算泄爆面所在墙面面积A₀，A₀＝宽×高＝2m×2.8m＝5.6m²；

(2)根据泄爆面积A_V和泄爆面所在墙面面积A₀计算泄压比K，K＝A_V/A₀＝1.5m²/5.6m²＝0.268；

(3)将参数K带入公式进行计算P_v。

步骤五：综合计算室内天然气爆炸强度P_max

(1)判断现场爆炸属于约束泄爆；

(2)将参数P_c＝0.083688MPa、P_act＝0.106270MPa、P_v＝0.000579MPa同时带入公式P_max＝0.84279P_c+0.99379P_act-0.04687P_v-0.05043进行计算，获得室内天然气爆炸最大峰值超压，得到爆炸强度P_max。

P_max＝0.84279P_c+0.99379P_act-0.04687P_v-0.05043＝0.125684MPa

由此可得，评估结果为此次爆炸强度为0.125684MPa。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种室内天然气爆炸强度的评估方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、首先分别建立室内天然气约束爆炸超压强度与天然气浓度、泄爆面静开启压力以及泄爆面积三个参数的定量关系模型；

步骤2、基于所建立的三个定量关系模型，采用数理统计回归分析法获得多参数作用下的室内天然气约束爆炸超压强度综合评估模型；

步骤3、按照评估要求，获取天然气爆炸事故现场的关键技术参数；

步骤4、将所述关键技术参数输入所述综合评估模型中，并根据天然气泄漏时窗体的开启情况，对建筑内天然气泄漏后发生爆炸造成的超压强度进行快速评估和预测。

2.根据权利要求1所述室内天然气爆炸强度的评估方法，其特征在于，在所述步骤1中，

所建立的室内天然气约束爆炸超压强度与天然气浓度的定量关系模型表示为：

其中，P_c表示天然气体积浓度比对室内天然气约束爆炸超压强度的影响参数；p_a表示泄爆面静开启压力，当泄爆面处于开启状态，属于无约束泄爆时，p_a＝0；p_o表示房间内初始气体环境压力；V表示房间体积；ф_C表示天然气体积浓度比，ф_C＝C_actual/C_{stoichiometric}，C_actual表示天然气实际体积浓度，C_{stoichiometric}表示天然气化学当量比体积浓度；

所建立的室内天然气约束爆炸超压强度与泄爆面静开启压力的定量关系模型表示为：

其中，P_act表示泄爆面静开启压力对室内天然气约束爆炸超压强度的影响参数；p_a表示泄压面静开启压力；V表示建筑物体积；A_v表示泄爆面面积；

所建立的室内天然气约束爆炸超压强度与泄爆面积的定量关系模型表示为：

其中，P_v表示泄爆面积对室内天然气约束爆炸超压强度的影响参数；K表示泄压比，K＝A_V/A₀，A_V表示泄爆面积；A₀表示泄爆面所在墙面面积。

3.根据权利要求1所述室内天然气爆炸强度的评估方法，其特征在于，在所述步骤2中，所获得的多参数作用下的室内天然气约束爆炸超压强度综合评估模型表示为：

当p_a＝0，即无约束泄爆时：

P_max＝1.64345P_c-0.04945P_act+0.86644P_v-0.08538

当p_a>0，即约束泄爆时：

P_max＝0.84279P_c+0.99379P_act-0.04687P_v-0.05043

其中，P_max表示室内天然气约束爆炸超压强度；P_c表示天然气体积浓度比对室内天然气约束爆炸超压强度的影响参数；P_act表示泄爆面静开启压力对室内天然气约束爆炸超压强度的影响参数；P_v表示泄爆面积对室内天然气约束爆炸超压强度的影响参数。

4.根据权利要求1所述室内天然气爆炸强度的评估方法，其特征在于，在所述步骤3中，所获得的关键技术参数包括天然气实际体积浓度C_actual、房间尺寸、泄爆面尺寸、泄爆面静开启压力p_a。

5.根据权利要求3所述室内天然气爆炸强度的评估方法，其特征在于，在所述步骤4中，对建筑内天然气泄漏后发生爆炸造成的超压强度进行快速评估和预测的过程具体为：

首先判断现场泄爆面的开启状态是否属于无约束泄爆；

如果泄爆面呈开启状态，属于无约束泄爆，则泄爆面静开启压力p_a＝0，再根据公式P_max＝1.64345P_c-0.04945P_act+0.86644P_v-0.08538，得到室内天然气约束爆炸超压强度P_max，完成爆炸强度评估；

如果泄爆面呈关闭状态，属于约束泄爆，则泄爆面静开启压力p_a>0，再根据公式P_max＝0.84279P_c+0.99379P_act-0.04687P_v-0.05043，得到室内天然气约束爆炸超压强度P_max，完成爆炸强度评估。