涉爆粉塵工業(yè)建筑爆炸防護(hù)研究現(xiàn)狀及探討*

閻衛(wèi)東 江濤 李暢

（1.沈陽建筑大學(xué) 黨政辦公室，沈陽 110168；2.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，沈陽 110168）

0 引言

我國涉爆粉塵企業(yè)多達(dá)4萬余家，粉塵爆炸風(fēng)險較高，重特大粉塵爆炸事故時有發(fā)生［1］。粉塵爆炸除了通過爆炸超壓、高溫及飛擲物直接作用于作業(yè)人員導(dǎo)致群死群傷，還可通過損毀涉爆工業(yè)建筑間接導(dǎo)致人員傷亡。如2008年2月美國帝國糖業(yè)的制糖廠發(fā)生糖粉塵爆炸，造成地板坍塌墜落，4名工人被困在地板下時遭受致命燒傷，最終導(dǎo)致14人死亡、36人受傷［2］；2012年8月5日溫州市一鎖具加工廠鎂鋁粉塵爆炸，致3間2層廠房倒塌，如圖1（a）所示，造成13人死亡、5人受傷；2014年8月2日昆山中榮金屬制品有限公司發(fā)生重大鋁粉塵爆炸，導(dǎo)致車間東南墻出現(xiàn)不同程度的倒塌，如圖1（b）所示，造成75人死亡、185人受傷。根據(jù)2017年原國家安全監(jiān)管總局對涉爆粉塵企業(yè)重點隱患的執(zhí)法排查統(tǒng)計結(jié)果，此類建構(gòu)筑物的重點隱患達(dá)123項，加強涉爆粉塵工業(yè)建筑爆炸防護(hù)研究具有重要的現(xiàn)實意義［1］。

圖1 涉爆粉塵工業(yè)建筑損毀

1 粉塵爆炸荷載的特點

相對于可燃?xì)怏w或凝聚相含能材料，工業(yè)可燃粉塵發(fā)生爆炸的著火敏感性及猛度具有顯著特點，被稱為特殊風(fēng)險［3］。

1.1 工業(yè)可燃粉塵爆炸的著火敏感性分析

與爆熱能量接近6 000 kJ/kg的工業(yè)雷管可瞬間爆轟引燃大面積含能材料產(chǎn)生瞬爆不同，工業(yè)生產(chǎn)中引發(fā)粉塵爆炸的點火能量相對較小，通常在1~1 000 mJ量級變化［4］。常見火源類型包括電火花、熱表面、機械摩擦/撞擊火花、明火等。粉塵爆炸所需的最小點火能量通常在5~50 mJ。相對于最小點火能量通常在1 mJ以下、靜電火花即可引爆的可燃?xì)怏w而言，可燃粉塵發(fā)生著火爆炸需要更嚴(yán)苛的五邊形條件。五邊形條件中粉塵云的形成需要一定的湍流強度作為前提條件，而粉塵云爆炸敏感性受湍流強度影響，隨著湍流強度的增大，粉塵云的最小引燃能量增大［5］，著火敏感度降低。

當(dāng)可燃粉塵呈堆積狀態(tài)時，引發(fā)持續(xù)火蔓延所需火源能量更大，甚至點燃的煙頭等點火能量在1 J以上的火源也無法將其引燃，容易導(dǎo)致爆炸危險性被低估。因為當(dāng)該堆積可燃粉塵揚起呈云狀態(tài)時，很有可能被點火能量遠(yuǎn)低于1 J的點火源引燃導(dǎo)致粉塵爆炸［6］，致19人死亡的“2·24”秦皇島驪驊淀粉廠爆炸事故即是典型案例。涉爆粉塵涉及金屬制品加工、木制品加工、紡織、塑料、造紙、制藥、食品飼料、糧食儲存及加工等國民經(jīng)濟眾多行業(yè)，涉爆粉塵工業(yè)建筑的粉塵爆炸致災(zāi)風(fēng)險更是不容忽視。

1.2 工業(yè)可燃粉塵爆炸的猛度分析

凝聚相含能材料因其能量密度高、反應(yīng)速率快等特點，可在爆炸后極短時間內(nèi)發(fā)展成爆轟，爆速可達(dá)2 km/s以上，爆溫超2 000℃，產(chǎn)生的初始壓力為50 MPa量級。工業(yè)可燃?xì)怏w與可燃粉塵的能量密度較含能材料小數(shù)千倍，且爆炸超壓相對較低（通常在1 MPa以內(nèi)）、能量釋放速率較慢、爆炸火焰?zhèn)鞑ニ俣容^小，如預(yù)混氫氣混合物的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃s為16 m/s，鋁粉塵云在Hartmann管內(nèi)的火焰?zhèn)鞑ニ俣炔坏? m/s［7］。根據(jù)DOBASHI R等［8］的研究表明，工業(yè)可燃粉塵火焰三區(qū)結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)區(qū)厚度遠(yuǎn)大于可燃?xì)怏w，約在15~80 cm?？扇挤蹓m較低的化學(xué)反應(yīng)速率導(dǎo)致其爆炸過程中爆炸壓力上升速率通常低于可燃?xì)怏w和凝聚相含能材料，由此可見，可燃粉塵爆炸產(chǎn)生的爆炸波作用時間長于可燃?xì)怏w和凝聚相含能材料，具有較高的沖量值，容易對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大破壞作用。即工業(yè)可燃粉塵的爆炸猛度與可燃?xì)怏w、凝聚相含能材料具有明顯區(qū)別，涉爆粉塵工業(yè)建筑的防爆設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注粉塵爆炸荷載的特殊性［9］。

1.3 工業(yè)可燃粉塵的二次爆炸危險性

既有別于凝聚相含能材料可實現(xiàn)極短時間內(nèi)的能量全部釋放，也有別于預(yù)混可燃?xì)怏w一旦著火可在爆炸危險環(huán)境內(nèi)進(jìn)行持續(xù)的火焰?zhèn)鞑ィI(yè)可燃粉塵初始爆炸發(fā)生后，爆炸前驅(qū)壓力波將作業(yè)環(huán)境積塵揚起形成可爆粉塵云，繼而被后續(xù)火焰波引燃形成二次爆炸。由于初始爆炸沖擊波揚起可爆粉塵云的強度及范圍較大，二次爆炸造成的人員傷亡、建筑物毀損等事故后果通常是災(zāi)難性的，致75人死亡的“8·2”昆山鋁粉爆炸事故即是典型實例。原國家安全監(jiān)管總局2017年頒布的《工貿(mào)行業(yè)重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》，對未制定粉塵清掃制度、作業(yè)現(xiàn)場積塵未及時規(guī)范清理等易造成二次爆炸的重大隱患也做出了特別規(guī)定［10］。在實際生產(chǎn)過程中，如圖2所示，涉爆粉塵建筑A1、A2內(nèi)發(fā)生粉塵爆炸后，將可能引發(fā)作業(yè)場所B1、B2內(nèi)發(fā)生二次爆炸，造成人員傷亡和建筑毀損。

圖2 連體料倉與車間內(nèi)重力除塵室示意

2 粉塵爆炸荷載下建筑結(jié)構(gòu)的損傷特性

由于凝聚相含能材料、可燃?xì)怏w和工業(yè)可燃粉塵具有不同的爆炸荷載特性，當(dāng)以沖擊波形式作用在結(jié)構(gòu)上引起結(jié)構(gòu)的位移、變形等變化時，即可造成不同特性的建筑結(jié)構(gòu)損傷，引發(fā)次生災(zāi)害［11］。

2.1 凝聚相含能材料爆炸荷載作用下的建筑結(jié)構(gòu)損傷

針對凝聚相含能材料作用下的建筑結(jié)構(gòu)損傷研究已具有較長的歷史，從單類建筑構(gòu)件到結(jié)構(gòu)整體均開展了大量研究。

在建筑構(gòu)件爆炸損傷研究方面，通過數(shù)值模擬結(jié)合試驗的方式，分析了爆炸荷載加載特性以及構(gòu)件自身特性對爆炸荷載下建筑構(gòu)件動態(tài)響應(yīng)的影響。趙均海等［12］、劉三豐等［13］通過數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了爆炸荷載的加載速率、爆源位置以及構(gòu)件的材料差異、結(jié)構(gòu)差異、混凝土強度、配筋率等因素對構(gòu)件動態(tài)響應(yīng)的影響，并根據(jù)研究成果對構(gòu)件的抗爆設(shè)計提供了有效的參考意見。

單類建筑構(gòu)件的毀損不能完全反映結(jié)構(gòu)整體的損傷，尤其是結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌事故工況。國內(nèi)外學(xué)者從密閉結(jié)構(gòu)入手，研究TNT等含能材料在爆炸作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的超壓時程曲線等爆炸動力響應(yīng)規(guī)律，提出并驗證了適用于彈塑性體系的等效靜載動效系數(shù)解析式［14］。針對鋼框架結(jié)構(gòu)，提出了DEM纖維本構(gòu)模型、Johnson-Cook本構(gòu)模型等用于研究含能材料爆炸荷載作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的本構(gòu)模型［15-16］?；谏鲜隼碚撃Ｐ?，獲得了建筑結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)時程曲線及其應(yīng)變規(guī)律，可結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計指標(biāo)，分析預(yù)測毀傷范圍。

2.2 可燃?xì)怏w爆炸荷載作用下的建筑結(jié)構(gòu)損傷

雖然天然氣等可燃?xì)怏w更多情況下呈現(xiàn)異于含能材料的爆燃荷載特性，但其著火爆炸引發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)損傷事故時有發(fā)生，也引發(fā)了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究的技術(shù)路線通常是先通過實驗測試或Auto-Regas、FLUENT等數(shù)值模擬，獲得可燃?xì)怏w在建筑內(nèi)的擴散濃度分布情況，然后基于流固耦合算法利用AUTODYN-3D、ANSYS/LS-DYNA分析氣體爆炸荷載對建筑結(jié)構(gòu)的破壞作用。研究過程考慮了建筑材料強度、結(jié)構(gòu)阻尼、爆源點火位置、可燃?xì)怏w濃度配比等因素對爆炸過程結(jié)構(gòu)動位移的影響規(guī)律，得到了整體澆筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗爆沖擊性能優(yōu)于加氣混凝土塊砌筑結(jié)構(gòu)［17］、可燃?xì)怏w爆炸荷載下的鋼結(jié)構(gòu)變形具有局部性和弱傳遞性等重要研究成果［18］。

2.3 工業(yè)可燃粉塵爆炸荷載作用下的建筑結(jié)構(gòu)損傷

相較于可燃?xì)怏w，針對粉塵爆炸荷載作用下建筑結(jié)構(gòu)損傷的研究較少，國內(nèi)外學(xué)者研究焦點多集中于可燃粉塵物性、爆炸容器尺寸、湍流等因素對粉塵爆炸荷載及火焰?zhèn)鞑ミ^程的影響規(guī)律，而對于粉塵爆炸荷載對涉爆工業(yè)建筑的損毀研究，目前多局限在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層面?！斗蹓m防爆安全規(guī)程》（GB15577—2018）中給出了明確的要求與防范措施，如建筑的結(jié)構(gòu)布局、可燃性粉塵的防雷措施、除塵系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范等都給出了相應(yīng)的規(guī)程指引；《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）中將生產(chǎn)能與空氣形成爆炸性混合物粉塵廠房的危險性等級定為乙類，并對廠房的耐火等級、整體設(shè)計、燃料堆積的防火間距、防爆措施等進(jìn)行規(guī)范化要求；《工貿(mào)行業(yè)重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》中指出，粉塵爆炸危險場所與居民區(qū)、員工宿舍、會議室等人員密集場所安全距離不足屬于重大安全隱患［10］。但是，關(guān)于粉塵爆炸特殊荷載，尤其是二次爆炸作用下涉爆工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)整體損毀，尚未引起足夠關(guān)注，相關(guān)系統(tǒng)性研究還不充分。

3 涉爆粉塵工業(yè)建筑爆炸防護(hù)

目前涉爆粉塵工業(yè)建筑主要采用抗爆、泄爆等技術(shù)手段進(jìn)行爆炸發(fā)生后的減災(zāi)防護(hù)。對于新建工業(yè)建筑，可通過抗爆設(shè)計等建筑規(guī)范在設(shè)計階段進(jìn)行防護(hù)；對于不能滿足防爆要求的現(xiàn)有工業(yè)建筑，則通常采用結(jié)構(gòu)加固等措施增強建筑結(jié)構(gòu)防爆能力。

3.1 涉爆粉塵工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)抗爆設(shè)計

在建筑抗爆方面，國內(nèi)外已頒布《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》（GB 50779—2012）、《抗爆間室結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50907—2013）、《Structures to resist the effects of accidental explosions》（UFC 3-340）、《Glass in building-explosion-resistant security glazing-test and classification for arena air-blast loading》（ISO 16933-2007）等標(biāo)準(zhǔn)，對新建工業(yè)建筑設(shè)計提出了防爆要求，如女兒墻需采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且高度應(yīng)取屋面防水構(gòu)造要求最小值；面向甲乙類設(shè)備的控制室外墻應(yīng)為抗爆墻等。對于已建工業(yè)涉爆建筑，在爆炸荷載作用下抗彎承載能力不足或結(jié)構(gòu)連接處抗剪承載能力不足時，主要采取的措施有增大構(gòu)件截面積加固框架結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)鋼柱加固砌體墻、在現(xiàn)有墻體外增設(shè)抗爆墻、噴涂抗爆涂層加固以及采用高強度構(gòu)件替換低強度構(gòu)件。如由剪切板和螺栓組成的剪力連接構(gòu)件，當(dāng)連接構(gòu)件強度不足時，可將剪切板焊接到構(gòu)件上和替換高強度螺栓，增強抗剪強度。國內(nèi)外學(xué)者也研發(fā)了相應(yīng)的建筑抗爆結(jié)構(gòu)、部件以及相應(yīng)的性能測試方法，如孔祥清等［19］得出在鋼筋混凝土梁表面包裹芳綸纖維增強復(fù)合材料（AFRP）能有效提高鋼筋混凝土梁的抗爆性能，且層數(shù)越多，抗爆性能越強。但對于在粉塵爆炸特殊荷載作用下，如何定量評估現(xiàn)有涉爆工業(yè)建筑的抗爆能力并據(jù)此采取改造措施，尚缺乏深入系統(tǒng)的分析研究。

3.2 涉爆粉塵工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)泄爆設(shè)計

由于抗爆建筑結(jié)構(gòu)成本較高，大多數(shù)可燃?xì)怏w及工業(yè)可燃粉塵爆炸危險場所的建筑設(shè)計通常采用泄爆技術(shù)手段，使泄放后建筑物內(nèi)的殘余爆炸壓力低于建筑抗爆能力。《粉塵爆炸泄壓指南》（GB/T15605—2008）中對涉爆粉塵工業(yè)建筑泄爆面積的確定提供了計算方法。目前常見的建筑泄爆構(gòu)件包括輕質(zhì)墻體、輕質(zhì)屋蓋、易于泄壓的門窗等?！督ㄖO(shè)計防火規(guī)范》中對可用于建筑泄爆的屋蓋和墻體進(jìn)行了定義，其密度應(yīng)小于60 kg/m2且材質(zhì)具有輕質(zhì)或易碎特性，避免對人員造成二次傷害。在《抗爆、泄爆門窗及屋蓋、墻體建筑構(gòu)造》（14J938）中，將泄爆墻體和屋蓋分為輕質(zhì)型和易碎型，并給出了對應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，如輕質(zhì)型泄壓墻體有巖棉夾芯彩鋼板墻和單層壓型鋼板復(fù)合保溫墻2種，輕質(zhì)型泄爆鋼板與墻梁之間采用絞索連接，防止爆炸過程產(chǎn)生飛擲物，但由于輕質(zhì)型墻體施工簡單、輕質(zhì)高強，臺風(fēng)易發(fā)生區(qū)域不建議采用該泄爆措施；易碎型泄壓墻體則在爆炸荷載作用下呈塊狀或粉末狀，不易造成二次傷害，但應(yīng)避開人員集中區(qū)域，靠近可能發(fā)生爆炸的地方，避免障礙物對泄壓效果產(chǎn)生影響。

綜上，目前關(guān)于涉爆粉塵工業(yè)建筑爆炸防護(hù)研究多集中于基于經(jīng)驗的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范層面，可以近似計算如圖3（a）所示的泄壓影響區(qū)域及火焰噴射距離，但對于如何量化評估建筑物內(nèi)泄爆火焰引發(fā)如圖3（b）所示的互連互通建筑內(nèi)部爆炸，以及引發(fā)如圖4所示的毗鄰爆炸危險場所發(fā)生二次爆炸的危險性，目前在上述工況下建筑物連續(xù)倒塌、爆炸超壓及火焰噴射影響距離、飛擲物引發(fā)的二次傷害等問題仍有待深入研究。

圖3 涉爆粉塵工業(yè)建筑外泄爆與建筑內(nèi)部管道泄爆

圖4 泄爆引發(fā)的二次爆炸與粉塵爆炸多米諾效應(yīng)

4 結(jié)論

1）工業(yè)可燃粉塵有別于凝聚相含能材料與可燃?xì)怏w，爆炸危險環(huán)境的形成及爆炸荷載均有特殊性，存在高致災(zāi)強度的二次爆炸特殊風(fēng)險。

2）工業(yè)涉爆建筑在爆炸荷載作用下?lián)p毀工況研究多聚焦于凝聚相含能材料與可燃?xì)怏w，對于工業(yè)可燃粉塵爆炸荷載作用下建筑損毀缺乏足夠關(guān)注。

3）針對涉爆粉塵工業(yè)建筑的爆炸防護(hù)研究，現(xiàn)階段通常采用基于經(jīng)驗的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對于實際生產(chǎn)中爆炸危險及互連互通建筑內(nèi)爆炸、建筑物內(nèi)初始爆炸引發(fā)臨近爆炸危險建筑二次爆炸等工況缺乏系統(tǒng)深入的研究。