郝忠利 王 鑫
中汽研汽车工业工程（天津）有限公司
摘要：新能源氢燃料电池车是未来重要的发展方向之一，氢燃料电池检验是必不可少的环节，由于氢气具有爆炸风险，所以氢燃料电池试验室必须有抗爆墙等设施来保护人员及重要设施的安全，本文对此类抗爆墙的设计施工关键工序进行了初步探讨，并提出了一些可以参考的建议。
关键词：氢燃料电池 检测试验室 抗爆墙 施工工序
随着我国对新能源电池车的大力推进，利用氢燃料电池作为动力的氢燃料电池车因为零排放及零污染，成为重要的发展方向。
氢燃料电池检验试验室由于存在氢气泄漏风险，而氢气在常温常压下是无色透明、无臭无味且难溶于水的气体，发生泄漏后一般人员很难及时发现，同时氢气又是一种极易燃的气体，燃点只有574℃，当氢气占空气的体积浓度4.1%至74.8%时都能燃烧，且易引爆。试验室内墙一般采用抗爆墙来保护人员及重要的设施安全；外墙采用泄爆墙、屋面采用泄爆屋面，以便及时将冲击波及压力泄于室外，避免试验室及设施被破坏。
抗爆墙一般分为金属结构抗爆墙、钢筋混凝土抗爆墙及钢筋砖砌体抗爆墙。其中金属结构抗爆墙具有重量轻、易装易卸、可重复利用等优点被广泛应用，本文就此类抗爆墙进行研究。
金属结构抗爆墙由钢龙骨和纤维水泥复合钢板及岩棉构成。纤维水泥复合钢板规格一般为2400*1200*9.5mm，并可根据实际需要进行切割，其抗弯强度>=185MPa；龙骨一般采用冷弯等边槽钢。抗爆墙与主体结构连接采用预埋件与龙骨焊接或化学锚栓连接。
施工时，钢龙骨的规格及间距、预埋件或化学锚栓的规格选用最为关键，必须对爆炸荷载分析，确定抗爆压力后，通过受力计算进行确定。
一、氢气爆炸荷载分析
氢气在空气中点燃可能会发生爆炸，按照理论计算，氢气爆炸的极限范围是在空气中的浓度在 4.1%~74%之间，此时氢气的体积分数为最底限和最高限都是弱爆炸，超出这个范围氢气就不会发生爆炸。
氢气在空气中爆炸会产生大量的热能及水蒸气。最猛烈的爆炸是指氢气和氧气恰好反应的时候，即氢气和氧气按照体积比2：1进行反应，爆炸产生的压强及热能最大。
此时，设氢气体积为V，则氧气体积为0.5V，以空气中氧气的体积分数为20%进行计算，需要的空气体积是0.5V*5 = 2.5V，所以氢气占空气比例 = V/(V+2.5V) = 28.57%时，爆炸最剧烈。爆炸后产生0.5V的水蒸汽，其余80%的空气中的氮气及其它气体不参与化学反应，同时爆炸后会产生大量的热能，从而使混合气体体积膨胀，在受限空间内产生的压力最大。
因爆炸受力情况比较复杂，以400℃作为氢气爆炸的温度计算，不考虑化学反应时气体物质的量减少的影响后，由气体状态方程：pV = nRT,得：
p = nRT/V = 1/22.4 * 8.314 * 673/0.001 = 2.5*10^5 Pa
所以氢气爆炸时的压强大约是2.5倍的大气压。
考虑到爆炸有很多不可控因素，如抗爆面积与体积的比值、环境温度等因素的影响，安全系数选取一般大于2.0，必要时通过试验确定。
二、抗爆墙钢龙骨及预埋件的选择
通过对氢气在空气中爆炸的荷载初步分析可知，其爆炸荷载大于500kPa，初步确定抗爆墙的抗爆压力为500kPa。
根据国标14J938，抗爆墙选用纤维水泥复合钢板、冷弯等边槽钢。龙骨间距选取为1200*1200mm，抗爆压力可达1400kPa，满足抗爆要求。
根据抗爆压力、墙体高度及已经选定的间距，按简支梁计算出龙骨大小。
根据已计算的龙骨受力简图，导出主体结构梁及地面上预埋件受力情况，进而确定预埋件的大小或化学锚栓的数量和大小。
通过计算，结合现场实际情况，最终确定龙骨及预埋件或化学锚栓的大小、数量及位置。
三、抗爆墙施工关键工序及质量控制要点
通过以上初步分析研究及工程实践，总结的抗爆墙施工关键工序为：
设计图纸现场确认→准备施工器材→现场安装脚手架→测量定位螺栓位置并打孔→根据龙骨排布图固定结构龙骨→螺栓锚固或焊接附属龙骨→按照墙板排布图裁割9.5mm纤维水泥复合钢板→安装嵌入140mm岩棉→根据节点图固定墙板→清洁收尾
确定膨胀螺栓型号→锚栓定位→轴线、标高确定→预下锚栓→确定孔径打孔→地脚螺栓固定→位置复核→锚栓防护
螺栓要求丝扣均匀、螺纹长度满足设计要求及规范要求。
按照施工图纸龙骨确位置，在承台及扩展基础预埋处，需进行轴线放线定位，以确定其水平位置和标高。在已经浇筑完毕的垫层上平面画出螺栓十字中心线的标志，作为螺栓安装的初步安装位置。
型钢的规格尺寸及允许偏差应符合其产品标准的要求。梁下的粉刷层、地面上的找平层应凿除干净。
①抗爆墙与梁、柱、楼板连接处设置天地龙骨，天地龙骨等边冷弯单槽钢，根据控制线确定骨架位置，根据图纸尺寸弹好槽钢位置线，用M10膨胀螺栓把龙骨安装在主体结构，严格控制骨架位置偏差，膨胀螺栓间距1000mm。
②天地骨安装完成后，再进行竖向龙骨的安装，竖龙骨为角码安装。先安装每跨的一端，后拉线向一侧安装，槽钢连接处的切口要整齐，连接竖向龙骨到顶和底龙骨，横向龙骨用电焊方法，竖向龙骨采用螺栓方法连接。安装后再进行校正一遍，使垂直度、平整度达到规范要求。
③竖龙骨为等边冷弯双槽钢，分布间距为1200mm；横撑龙骨为等边冷弯双槽钢，分布间距为1200mm；门、窗洞口四周设置闭口等边冷弯双槽钢。竖框安装应由下而上，先安装同立面两端的竖框，然后拉通。上下竖框间应留有不小于10mm缝隙。
④安装横梁:同一层横梁安装由下而上进行。每安装完一层时，检査、调整、校正和固定。
⑤防爆墙骨架安装完成后，进行外露铁件的除锈打磨工作，清理干净，进行防锈漆的涂刷。
质量要求及管理措施
主控项目：
固定龙骨：与梁、柱、楼板连接处设置天地龙骨，天地龙骨等边冷弯单龙骨，根据控制线确定骨架位置，根据图纸尺寸弹好槽钢位置线，抗爆墙用化学螺栓、泄爆墙用膨胀螺栓及射钉把龙骨安装在主体结构，严格控制骨架位置偏差，螺栓及设定距离不大于1200mm。
墙体龙骨安装误差不大于10mm。
面板安装：保证分格缝一致。面板安装到一层标高时，应及时调整误差，不得积累，在下层调整后方可安装上一层面板，在装窗口上下板应预留有坡度，上口面板向下1%，下口面板板向上3%，女儿墙上造型向内找3%。
墙体墙隙误差：竖缝及墙面垂直缝、墙体水平度、竖缝直线度、横缝、直线度等均不大于10mm。
一般项目：
螺栓连接：接头组装的接处的钢板或型钢应平整，板边、孔边无毛刺，螺栓从一侧向另一侧进行紧固；接头处有翘曲、变形必须进行校正，并防止损伤摩擦面，保证摩擦面紧贴。螺栓穿入方向应一致，丝扣外露长度不少于2扣。在横向、坚向龙骨交接处，使用螺栓连接，螺栓自由穿入时，不得用气割扩孔，要用绞刀绞孔，修孔时需使板层紧贴，以防铁屑进入板缝，绞孔后要用砂轮机清除孔边毛刺，并清除铁屑。
现场焊接：角焊缝统焊时，绕焊长度不应小于焊脚尺寸的2倍且Hf不小于3mm，并且应该连续施焊。角岸缝链接型钢杆件端部时，型钢杆件的宽度W不应大于200mm，当宽度W大于200mm时，应加横向或中间塞焊。
结束语：氢气的爆炸非常剧烈，抗爆墙对人员及重要设施的保护至关重要，从防爆墙的设计、选型、材料的控制到施工必须认真对待，只有每一步骤、每道工序都控制好，才能确保防爆墙起到应有的作用。
参考文献：
国标14J938《抗爆、泄爆门窗及屋盖、墙体建筑构造》