楊文斌，周德紅，肖振航，杜 冰，左前貴，王 帥

武漢工程大學(xué)興發(fā)礦業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430074

加油機(jī)因質(zhì)量較輕、材質(zhì)較脆，不能承受較大的沖擊。目前加油機(jī)的防護(hù)措施較少。依據(jù)《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（GB50156-2012）［1］，加油機(jī)應(yīng)設(shè)立在加油島上，加油島應(yīng)高出停車場(chǎng)地坪0.2 m，寬度為1.2 m或1.5 m，單柱島長度4.2 m，雙柱島長度4.8 m，無柱島長度3.3 m。加油島上的罩棚支柱距加油島端部不應(yīng)小于0.6 m。

在加油站安全防護(hù)方面，康榮學(xué)等［2］針對(duì)加油站的安全運(yùn)營提出使用監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)，有效地聯(lián)系了加油站各工藝單元，將硬件數(shù)據(jù)較好地轉(zhuǎn)化為可視化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為事故發(fā)生后的及時(shí)控制提供了思路。丁曦［3］從人機(jī)環(huán)管料5個(gè)方面分析了加油站的危險(xiǎn)有害因素，總結(jié)了一些有效的控制措施。周德紅等［4］論述了加油站儲(chǔ)罐及其相連的加油機(jī)的油氣泄露后的火災(zāi)數(shù)學(xué)模型及爆炸對(duì)人員和設(shè)備的影響，推導(dǎo)出不同危險(xiǎn)狀況下的危險(xiǎn)距離。

近年來，因駕駛員操作失誤而使汽車撞毀加油機(jī)引發(fā)重大火災(zāi)、爆炸的事故時(shí)有發(fā)生，給加油站的平穩(wěn)運(yùn)營帶來了挑戰(zhàn)。本文設(shè)計(jì)在兩側(cè)加設(shè)單柱的防護(hù)立柱以保護(hù)加油機(jī)。

1 事故案例

1.1 案例簡述

2018年5月6日，常州市延政路某加油站內(nèi)一小轎車突然失控沖進(jìn)加油站，一加油機(jī)被撞毀，造成汽油大量外泄，情形危急。

2018年11月18日，西安市勞動(dòng)路某加油站2號(hào)加油機(jī)前一輛轎車突然啟動(dòng)，將加油機(jī)撞倒，外泄的汽油被短路的火線和零線點(diǎn)燃，引發(fā)火災(zāi)事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 案例分析

上述兩個(gè)案例中，兩汽車因不同原因造成沖撞加油機(jī)的事故，但兩者均存在汽車動(dòng)能直接作用于加油機(jī)、加油機(jī)幾乎完全沒有防護(hù)的不安全因素，故有必要對(duì)加油機(jī)的防護(hù)措施加以研究。

目前雙島柱加油機(jī)兩側(cè)有島柱防護(hù)，暴露面積較小，較為安全；單島柱和無島柱的加油機(jī)暴露面積較大，當(dāng)汽車駕駛員操作不當(dāng)（如誤將油門當(dāng)剎車使用）或車輛發(fā)生故障而使汽車突然加速?zèng)_上加油島、撞擊加油機(jī)時(shí)，加油機(jī)外殼會(huì)被沖垮，內(nèi)部與油罐相連的油泵和管道等受到牽扯而破裂，致使汽油外泄。

編訂事故應(yīng)急救援預(yù)案和定期組織加油站相關(guān)工作人員進(jìn)行消防演練可以為應(yīng)急救援提供所需的技術(shù)支持［5-7］，同時(shí)足夠的防火間距可以有效地隔離油庫和著火點(diǎn)［8］，但如果能采取必要的措施對(duì)加油機(jī)加以防護(hù)，在面對(duì)車輛沖擊時(shí)，盡量采用防護(hù)措施吸收動(dòng)能，避免加油機(jī)受到?jīng)_擊、汽油外泄進(jìn)而發(fā)生燃燒爆炸事故，實(shí)現(xiàn)加油機(jī)的日常安全運(yùn)營。另外，當(dāng)汽車以非正對(duì)設(shè)備的角度沖向加油機(jī)時(shí)，如果能引導(dǎo)汽車改變方向，變碰撞為剮蹭，將車輛的動(dòng)能緩慢地釋放，對(duì)降低車體的損失和減少碰撞對(duì)車內(nèi)人員的傷害頗有益處。故有必要對(duì)加油機(jī)進(jìn)行安裝防護(hù)措施以應(yīng)對(duì)沖撞事故的發(fā)生。

2 加油機(jī)防撞立柱的設(shè)計(jì)

2.1 防護(hù)柱的設(shè)計(jì)

在加油機(jī)無島柱一側(cè)和前后兩側(cè)設(shè)置防撞立柱，防止因司機(jī)的誤操作發(fā)生的碰撞。立柱下端使用鉚釘和混凝土固定，在發(fā)生碰撞時(shí)吸收汽車的動(dòng)能從而防止加油機(jī)受到撞擊。同時(shí)，在防護(hù)立柱周圍套入橡膠墊圈，盡可能地將剛性碰撞轉(zhuǎn)化為彈性碰撞，延緩動(dòng)能的吸收，降低應(yīng)力峰值。當(dāng)汽車以側(cè)面撞擊防護(hù)立柱時(shí)，可以旋轉(zhuǎn)的橡膠墊圈引導(dǎo)汽車轉(zhuǎn)向，而非直接發(fā)生碰撞，減少對(duì)汽車車體和車內(nèi)人員的傷害。

考慮到碰撞事故方向的不確定性，防護(hù)柱需要承受較大的彎矩，且需要支持橡膠墊圈可轉(zhuǎn)動(dòng)，本文選用熱軋等邊角鋼做為防護(hù)柱的主材料。因加油站有油氣揮發(fā)，鋼制材料會(huì)因日常的無意撞擊產(chǎn)生火花，有造成燃燒爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)，故需在防護(hù)柱外表鍍一層銅，橡膠墊圈需使用防靜電橡膠。在墊圈的外表應(yīng)涂有醒目的反光標(biāo)志或者黃黑色相間的警示標(biāo)志。設(shè)計(jì)示意圖見圖1。，其中，Kd為動(dòng)荷系數(shù)，F(xiàn)s為靜載荷作用力，h為等效自由落體高度，Δs為梁的位移（此處即為撓度），W為車重。

平均加速度a與初速度v0以及加速位移x有如下關(guān)系：

2.2 防護(hù)柱性能驗(yàn)算

汽車駕駛誤操作分為靜止?fàn)顟B(tài)下突然啟動(dòng)和駛向加油機(jī)的過程中突然加速兩種，后者動(dòng)能更大，破壞力更強(qiáng)，本文以后者為例進(jìn)行討論。

以常見的某重1.5 t、10 s內(nèi)可從0 km/h加速到100 km/h的汽車進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)汽車從距加油機(jī)2個(gè)車長即10 m外開始加速，加油站一般規(guī)定汽車進(jìn)入加油站后應(yīng)減速至5 km/h，若此時(shí)駕駛員操作失誤，誤將油門踏板作為剎車踏板使用，且于慌亂中緊踩不放，汽車以最大加速度沖向加油機(jī)，驗(yàn)算此時(shí)防護(hù)柱所需承受的最大彎矩。

確定了材料選型后，可由沖擊載荷的經(jīng)典公式進(jìn)行驗(yàn)算：沖擊載荷Fd=Kd?Fs=(1+

計(jì)算得a為2.778 m/s2，末速度v為7.58 m/s。

可由動(dòng)量守恒定理計(jì)算汽車撞在防護(hù)柱上的作用力（即動(dòng)能完全被吸收）：

根據(jù)以前國內(nèi)外公布的數(shù)據(jù)，達(dá)到碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)的碰撞過程均一般在80 ms以上［9］，本文取碰撞過程為80 ms，即0.08 s。計(jì)算得碰撞過程中防護(hù)柱約受力142.1 kN。為使模型簡化，假定沖擊力均勻地作用在防護(hù)柱上，防護(hù)柱高取1.2 m，混凝土埋深0.3 m，則作用力均布載荷集度為118.4 kN/m。

依照應(yīng)力計(jì)算并結(jié)合靜定方程畫出剪力圖和彎矩圖，如圖2所示。

圖2 防護(hù)立柱的剪力和彎矩圖Fig.2 Shear force and bending moment diagrams of protective column

故得到防護(hù)柱的控制面在端部固定處，最大彎矩為85.248 N·m。

考慮到汽車可能從多個(gè)方向撞向加油機(jī)，且需要較大的抗彎截面系數(shù)，故本文從型鋼表中選取某一型號(hào)的熱軋等邊角鋼作為防護(hù)柱的主材質(zhì)。校核型鋼主材的抗彎截面系數(shù)應(yīng)從主材最易被破壞的沖擊方向驗(yàn)算。本文以角鋼的2個(gè)邊的中點(diǎn)連線為彎曲軸，在該最不利情況下驗(yàn)算最大正應(yīng)力σmax。

型鋼材料的許用應(yīng)力[σ]=160 MPa，可根據(jù)下式計(jì)算防護(hù)柱的最大應(yīng)力，校核材料的截面積。

所需抗彎截面系數(shù)Wz計(jì)算得0.533 cm3，查型鋼表，選取號(hào)數(shù)為3.6，截面積為2.109 cm2的熱軋等邊角鋼。

防護(hù)柱可視為懸臂梁，此時(shí)最大撓度發(fā)生在自由端處，其值為wsmax=

由wsmax=0.284 mm可計(jì)算得動(dòng)荷系數(shù)Kd為2.26，沖擊載荷為33.9 kN，最大沖擊應(yīng)力194.6 MPa＞160 MPa，故所選材料不滿足要求。

依照上述過程重新選型4.0號(hào)、邊厚度為5 mm的型鋼可滿足要求。

2.3 碰撞中防護(hù)橡膠應(yīng)力分析

橡膠做為一種超彈性體材料，與常見的彈性材料不同，較小的作用力即可產(chǎn)生較大的應(yīng)變，但同時(shí)可在簡化模型后認(rèn)為橡膠是一種各向同性的形變材料［10］。通過計(jì)算撞擊作用力對(duì)車體前部吸能裝置的應(yīng)變大小，可以判斷所需橡膠墊圈的最小極限厚度。

碰撞過程中裝置通過變形而吸收全部能量即總吸能量E0可由下式計(jì)算［11］：

根據(jù)文獻(xiàn)［12］，橡膠的彈性模量E、剪切模量G有如下關(guān)系：

其中C10和C01為civlin常系數(shù)。在工程應(yīng)用中常用C01=0.25C10做最佳猜測(cè)。

通過實(shí)驗(yàn)擬合壓縮剛度K和彈性模量E得到如下關(guān)系［12-13］：

以常用的工程橡膠為例，其泊松比為0.3，彈性模量E=7.8×106Pa，由式（7）可得C10=2.6×105，C01=0.65×105。

同時(shí)，橡膠壓縮剛度K可用于碰撞過程中的受壓面積A的計(jì)算［14］：

其中，μ為橡膠間摩擦系數(shù)，查閱摩擦系數(shù)手冊(cè)得0.62；l′為橡膠墊圈的厚度。

由文獻(xiàn)［15］，橡膠的單軸抗壓應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)岁P(guān)系有如下經(jīng)驗(yàn)公式：

聯(lián)立式（8）和式（9），計(jì)算可得所需最小橡膠墊圈半徑為0.62 m。

3 防護(hù)立柱優(yōu)劣分析

3.1 防護(hù)柱的走訪調(diào)查

筆者走訪了7家加油站，詢問調(diào)查加油站員工共21人，其中認(rèn)為“在加油機(jī)周圍設(shè)置防護(hù)柱可以有效減少?zèng)_撞加油機(jī)事故，予以支持”的有13人，占比61.9%；認(rèn)為“防護(hù)立柱有防護(hù)作用，但同時(shí)有妨礙加油操作的副作用，不支持也不反對(duì)”的有6人，占比28.3%；認(rèn)為“防護(hù)立柱確能起到防護(hù)作用，但影響操作較為明顯，反對(duì)加設(shè)”的有2人，占比9.8%。故而筆者認(rèn)為設(shè)立防護(hù)柱利大于弊，能有效減少因汽車沖撞加油機(jī)引起的火災(zāi)爆炸事故。

3.2 防護(hù)柱優(yōu)缺點(diǎn)分析

在未設(shè)立防護(hù)柱前，加油機(jī)無島柱防護(hù)一側(cè)，基本完全暴露在汽車行進(jìn)路線上，如果汽車駕駛員操作失誤或制動(dòng)失靈，加油機(jī)很有可能受到?jīng)_擊而在汽油泄露處引起火災(zāi)爆炸事故。在設(shè)立防護(hù)柱后，即使有汽車沖向加油機(jī)，其動(dòng)能也能被防護(hù)柱基本吸收，避免失控汽車直接作用在加油機(jī)上，很好地保護(hù)了加油機(jī)。且防護(hù)柱主材料價(jià)格低廉，易于生產(chǎn)和安裝，成本較低。

防護(hù)柱在實(shí)際使用過程中，因加油島尺寸的限制，且加油機(jī)兩側(cè)加油槍的必要功能，無法完全將加油機(jī)保護(hù)在防護(hù)柱的保護(hù)空間內(nèi)，汽車仍有可能從防護(hù)柱和罩棚柱的空隙內(nèi)撞擊加油機(jī)，但沖擊事故需要比較特殊的角度，大大降低了沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。

防護(hù)柱的設(shè)計(jì)雖通過選材和防撞設(shè)施設(shè)計(jì)等方法使汽車轉(zhuǎn)向避免強(qiáng)烈的碰撞，或者使碰撞由剛性碰撞轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝耘鲎?，但所需橡膠墊圈厚度過大，可能妨礙正常的生產(chǎn)活動(dòng)，但如果減小墊圈厚度，則部分碰撞仍是非彈性碰撞，對(duì)發(fā)生事故的汽車仍可能有傷害作用，應(yīng)選取彈性更好的橡膠材料以在有限的空間內(nèi)更好地吸收汽車的動(dòng)能，力求能在彈性變形范圍內(nèi)完全吸收動(dòng)能，有改進(jìn)和提高的空間。

另外在使用過程中可能存在有防護(hù)柱影響使用加油槍的人員的行進(jìn)，雖在防護(hù)柱外層涂有醒目的警示標(biāo)志，但無法完全避免對(duì)來往人員的影響，應(yīng)注意實(shí)踐過程中的妨礙作用。

4 結(jié) 語

本文通過為加油機(jī)設(shè)計(jì)防護(hù)立柱，吸收汽車失控意外沖撞加油機(jī)的動(dòng)能，以此保護(hù)加油機(jī)免受沖擊；另外在防護(hù)立柱外加套可旋轉(zhuǎn)的橡膠墊圈，盡可能引導(dǎo)汽車調(diào)整方向，使汽車沿著橡膠墊圈的切線方向滑出，緩慢釋放動(dòng)能、減輕碰撞；如碰撞不能避免，也可變剛性碰撞為彈性碰撞，降低應(yīng)力值，減少碰撞對(duì)車體和車內(nèi)人員的傷害。同時(shí)本文通過估算汽車的動(dòng)能和碰撞過程中的最大應(yīng)力，以此驗(yàn)算了所需防護(hù)立柱的型鋼截面積；另外還計(jì)算了完全以彈性碰撞吸收汽車動(dòng)能的最小橡膠墊圈厚度，在物質(zhì)層面為加油站的加油機(jī)安全運(yùn)營提供了思路，能有效減少?zèng)_撞事故的發(fā)生。