一種城市汽車加油站加油機的防護設計

楊文斌，周德紅，肖振航，杜 冰，左前貴，王 帥

武漢工程大學興發礦業學院，湖北 武漢 430074

加油機因質量較輕、材質較脆，不能承受較大的沖擊。目前加油機的防護措施較少。依據《汽車加油加氣站設計與施工規范》（GB50156-2012）［1］，加油機應設立在加油島上，加油島應高出停車場地坪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小于0.6 m。

在加油站安全防護方面，康榮學等［2］針對加油站的安全運營提出使用監控和預警系統，有效地聯系了加油站各工藝單元，將硬件數據較好地轉化為可視化的監測數據，為事故發生后的及時控制提供了思路。丁曦［3］從人機環管料5個方面分析了加油站的危險有害因素，總結了一些有效的控制措施。周德紅等［4］論述了加油站儲罐及其相連的加油機的油氣泄露后的火災數學模型及爆炸對人員和設備的影響，推導出不同危險狀況下的危險距離。

近年來，因駕駛員操作失誤而使汽車撞毀加油機引發重大火災、爆炸的事故時有發生，給加油站的平穩運營帶來了挑戰。本文設計在兩側加設單柱的防護立柱以保護加油機。

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一小轎車突然失控沖進加油站，一加油機被撞毀，造成汽油大量外泄，情形危急。

2018年11月18日，西安市勞動路某加油站2號加油機前一輛轎車突然啟動，將加油機撞倒，外泄的汽油被短路的火線和零線點燃，引發火災事故，造成重大經濟損失。

1.2 案例分析

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

目前雙島柱加油機兩側有島柱防護，暴露面積較小，較為安全；單島柱和無島柱的加油機暴露面積較大，當汽車駕駛員操作不當（如誤將油門當剎車使用）或車輛發生故障而使汽車突然加速沖上加油島、撞擊加油機時，加油機外殼會被沖垮，內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。

編訂事故應急救援預案和定期組織加油站相關工作人員進行消防演練可以為應急救援提供所需的技術支持［5-7］，同時足夠的防火間距可以有效地隔離油庫和著火點［8］，但如果能采取必要的措施對加油機加以防護，在面對車輛沖擊時，盡量采用防護措施吸收動能，避免加油機受到沖擊、汽油外泄進而發生燃燒爆炸事故，實現加油機的日常安全運營。另外，當汽車以非正對設備的角度沖向加油機時，如果能引導汽車改變方向，變碰撞為剮蹭，將車輛的動能緩慢地釋放，對降低車體的損失和減少碰撞對車內人員的傷害頗有益處。故有必要對加油機進行安裝防護措施以應對沖撞事故的發生。

2 加油機防撞立柱的設計

2.1 防護柱的設計

在加油機無島柱一側和前后兩側設置防撞立柱，防止因司機的誤操作發生的碰撞。立柱下端使用鉚釘和混凝土固定，在發生碰撞時吸收汽車的動能從而防止加油機受到撞擊。同時，在防護立柱周圍套入橡膠墊圈，盡可能地將剛性碰撞轉化為彈性碰撞，延緩動能的吸收，降低應力峰值。當汽車以側面撞擊防護立柱時，可以旋轉的橡膠墊圈引導汽車轉向，而非直接發生碰撞，減少對汽車車體和車內人員的傷害。

考慮到碰撞事故方向的不確定性，防護柱需要承受較大的彎矩，且需要支持橡膠墊圈可轉動，本文選用熱軋等邊角鋼做為防護柱的主材料。因加油站有油氣揮發，鋼制材料會因日常的無意撞擊產生火花，有造成燃燒爆炸事故的風險，故需在防護柱外表鍍一層銅，橡膠墊圈需使用防靜電橡膠。在墊圈的外表應涂有醒目的反光標志或者黃黑色相間的警示標志。設計示意圖見圖1。，其中，Kd為動荷系數，Fs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有如下關系：

2.2 防護柱性能驗算

汽車駕駛誤操作分為靜止狀態下突然啟動和駛向加油機的過程中突然加速兩種，后者動能更大，破壞力更強，本文以后者為例進行討論。

以常見的某重1.5 t、10 s內可從0 km/h加速到100 km/h的汽車進行計算。假設汽車從距加油機2個車長即10 m外開始加速，加油站一般規定汽車進入加油站后應減速至5 km/h，若此時駕駛員操作失誤，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，驗算此時防護柱所需承受的最大彎矩。

確定了材料選型后，可由沖擊載荷的經典公式進行驗算：沖擊載荷Fd=Kd?Fs=(1+

計算得a為2.778 m/s2，末速度v為7.58 m/s。

可由動量守恒定理計算汽車撞在防護柱上的作用力（即動能完全被吸收）：

根據以前國內外公布的數據，達到碰撞安全標準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。計算得碰撞過程中防護柱約受力142.1 kN。為使模型簡化，假定沖擊力均勻地作用在防護柱上，防護柱高取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。

依照應力計算并結合靜定方程畫出剪力圖和彎矩圖，如圖2所示。

圖2 防護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方向撞向加油機，且需要較大的抗彎截面系數，故本文從型鋼表中選取某一型號的熱軋等邊角鋼作為防護柱的主材質。校核型鋼主材的抗彎截面系數應從主材最易被破壞的沖擊方向驗算。本文以角鋼的2個邊的中點連線為彎曲軸，在該最不利情況下驗算最大正應力σmax。

型鋼材料的許用應力[σ]=160 MPa，可根據下式計算防護柱的最大應力，校核材料的截面積。

所需抗彎截面系數Wz計算得0.533 cm3，查型鋼表，選取號數為3.6，截面積為2.109 cm2的熱軋等邊角鋼。

防護柱可視為懸臂梁，此時最大撓度發生在自由端處，其值為wsmax=

由wsmax=0.284 mm可計算得動荷系數Kd為2.26，沖擊載荷為33.9 kN，最大沖擊應力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、邊厚度為5 mm的型鋼可滿足要求。

2.3 碰撞中防護橡膠應力分析

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生較大的應變，但同時可在簡化模型后認為橡膠是一種各向同性的形變材料［10］。通過計算撞擊作用力對車體前部吸能裝置的應變大小，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可由下式計算［11］：

根據文獻［12］，橡膠的彈性模量E、剪切模量G有如下關系：

其中C10和C01為civlin常系數。在工程應用中常用C01=0.25C10做最佳猜測。

通過實驗擬合壓縮剛度K和彈性模量E得到如下關系［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，橡膠壓縮剛度K可用于碰撞過程中的受壓面積A的計算［14］：

其中，μ為橡膠間摩擦系數，查閱摩擦系數手冊得0.62；l′為橡膠墊圈的厚度。

由文獻［15］，橡膠的單軸抗壓應力σ與應變λ關系有如下經驗公式：

聯立式（8）和式（9），計算可得所需最小橡膠墊圈半徑為0.62 m。

3 防護立柱優劣分析

3.1 防護柱的走訪調查

筆者走訪了7家加油站，詢問調查加油站員工共21人，其中認為“在加油機周圍設置防護柱可以有效減少沖撞加油機事故，予以支持”的有13人，占比61.9%；認為“防護立柱有防護作用，但同時有妨礙加油操作的副作用，不支持也不反對”的有6人，占比28.3%；認為“防護立柱確能起到防護作用，但影響操作較為明顯，反對加設”的有2人，占比9.8%。故而筆者認為設立防護柱利大于弊，能有效減少因汽車沖撞加油機引起的火災爆炸事故。

3.2 防護柱優缺點分析

在未設立防護柱前，加油機無島柱防護一側，基本完全暴露在汽車行進路線上，如果汽車駕駛員操作失誤或制動失靈，加油機很有可能受到沖擊而在汽油泄露處引起火災爆炸事故。在設立防護柱后，即使有汽車沖向加油機，其動能也能被防護柱基本吸收，避免失控汽車直接作用在加油機上，很好地保護了加油機。且防護柱主材料價格低廉，易于生產和安裝，成本較低。

防護柱在實際使用過程中，因加油島尺寸的限制，且加油機兩側加油槍的必要功能，無法完全將加油機保護在防護柱的保護空間內，汽車仍有可能從防護柱和罩棚柱的空隙內撞擊加油機，但沖擊事故需要比較特殊的角度，大大降低了沖擊的風險。

防護柱的設計雖通過選材和防撞設施設計等方法使汽車轉向避免強烈的碰撞，或者使碰撞由剛性碰撞轉變為柔性碰撞，但所需橡膠墊圈厚度過大，可能妨礙正常的生產活動，但如果減小墊圈厚度，則部分碰撞仍是非彈性碰撞，對發生事故的汽車仍可能有傷害作用，應選取彈性更好的橡膠材料以在有限的空間內更好地吸收汽車的動能，力求能在彈性變形范圍內完全吸收動能，有改進和提高的空間。

另外在使用過程中可能存在有防護柱影響使用加油槍的人員的行進，雖在防護柱外層涂有醒目的警示標志，但無法完全避免對來往人員的影響，應注意實踐過程中的妨礙作用。

4 結 語

本文通過為加油機設計防護立柱，吸收汽車失控意外沖撞加油機的動能，以此保護加油機免受沖擊；另外在防護立柱外加套可旋轉的橡膠墊圈，盡可能引導汽車調整方向，使汽車沿著橡膠墊圈的切線方向滑出，緩慢釋放動能、減輕碰撞；如碰撞不能避免，也可變剛性碰撞為彈性碰撞，降低應力值，減少碰撞對車體和車內人員的傷害。同時本文通過估算汽車的動能和碰撞過程中的最大應力，以此驗算了所需防護立柱的型鋼截面積；另外還計算了完全以彈性碰撞吸收汽車動能的最小橡膠墊圈厚度，在物質層面為加油站的加油機安全運營提供了思路，能有效減少沖撞事故的發生。