第一节 城市灾害的几种典型过程模式
确定城市灾害发生前的所有典型微征兆和其发展过程不仅是城市灾害极早期预警上的难点之一，也是实现城市灾害极早期预警的基础。不同的城市灾害有不同的过程模式，也有不同的微征兆。这里选择三种典型的城市灾害，研究其过程模式，即电气火灾过程模式、危房倒塌过程模式、危化品泄漏过程模式。
一、典型电气火灾过程模式
（一）典型电气火灾过程模式
电气火灾发生的各阶段定义各国略有不同，我国普遍采用四阶段[3]：
（1）起始阶段；
（2）发展阶段；
（3）猛烈阶段；
（4）熄灭阶段。
鉴于对火灾的极早期预警，特别是对电气火灾探测，因此将起始阶段再划分为两个子阶段：
（1）起始阶段早期：可燃物体从常温升温至可燃物体热解温度的时间段；
（2）起始阶段晚期：可燃物体从热解温度升温至可燃物体燃点温度的时间段。
整个火灾发展四阶段表现出的不同物理特征见表2-1和图2-2。
表2-1 火灾发展阶段的物理特征
图2-2 典型电气火灾发展过程
（二）热辐射基本原理[4][5][6]
利用光谱分析技术研究电气火灾热辐射是实现极早期预警的理论基础。当得到起始阶段早期电缆发热的辐射波长，就可选用敏感对应波长的传感器实现探测，从而达到电气火灾极早期预警的目的。
热辐射是热量传递的一种途径。热辐射是自然界最普遍的现象之一[5]。一切物体只要其温度高于绝对零度（-273.15℃）都将产生辐射。
热辐射的主要特征[7]：
（1）随着温度升高，辐射的总功率也随之增大；
（2）强度在光谱中的分布由长波向短波转移；
（3）物体温度高于绝对零度（-273.15℃）都将产生辐射。
电气设备或电缆都会向外辐射红外。
为计算电缆向外辐射红外波长，引入黑体概念。黑体是指一个能够完全吸收入射在它上面的辐射能的理想物体。黑体在辐射度学中占有非常重要的地位，只有黑体光谱辐射量和温度之间存在精确的定量关系。黑体在物质世界不是抽象的，现实中许多光源都可以近似认为是黑体，如太阳、地球、星球，包括人和部分动物也可以近似认为是黑体。
维恩位移定律：
黑体光谱辐射是单峰函数，其辐射峰值波长λm满足下列公式：
λm=b/T
式中：
b：常数2898μmK；
T：绝对温度。
基于维恩公式得到图2-3所示的曲线。
图2-3 维恩公式曲线计算
从图2-3中可以看出，火灾起始阶段的升温段，电气设备或电缆辐射的红外峰值波长为6μm 8μm。
二、典型危房倒塌过程模式
（一）危房倒塌原因
建筑结构破坏的特征，是承载力极限状态下继续施加荷载导致建筑结构构件出现大裂缝、掉渣、松动、垮塌。这里指砌体结构，其主要特性为抗压不抗拉，不抗剪、不抗弯、不抗扭，属于脆性破坏。
倒塌，是连续性倒塌的简称，属现代土木工程领域，是指建筑结构因偶然荷载造成结构局部破坏失效，继而引起与失效破坏构件相连的构件连续破坏，最终导致相对于初始局部破坏更大范围的倒塌破坏。钢筋混凝土的破坏也是承载力极限状态，但是这种结构的特性是延性破坏，具有一定的征兆，在破坏即将来临时，可以给人提示，如结构构件出现裂缝，让人可以有充足的时间逃离危险。不像砌体结构建筑，坍塌是一瞬间倒塌，人们根本无法意识，没有足够的逃离时间，很容易致人伤亡。所以，现在高层普遍用钢筋混凝土结构。
建筑坍塌受力过程见图2-4，坍塌有两种基本模式：整体屈服模式和楼层屈服模式。
图2-4 建筑坍塌受力过程
（二）危房整体屈服倒塌模式
所有水平构件、竖向构件除根部以外均处于弹性，整个结构绕根部做刚体转动，在平面内只有一个自由度。
图2-5 危房整体屈服倒塌模式
（三）危房楼层屈服倒塌模式
竖向构件屈服，水平保持弹性，各层可以独立地沿水平方向移动。
图2-6 危房楼层屈服倒塌模式
或者柱强度下降，支撑变形。
图2-7 建筑物支撑柱变形
（四）危房倒塌过程
危房因地面沉降或局部塌陷坍塌是一个先缓后急的过程。
以上海闵行区“莲花河畔景苑”中一栋13层在建住宅楼整体倒塌事故为例。2009年6月27日上午9时15分，建筑工人发现大楼明显向南倾斜（此时可以判定建筑物重心垂直到地面投影点位置超过建筑物支点），不到半分钟，整栋住宅楼坍塌，一名工人因重压致死。
地面沉降或局部塌陷是造成住宅楼坍塌的一个重要原因。
如图2-8所表述的，地面沉降或局部塌陷也是一个缓慢发展的过程，随着地面沉降或塌陷，建筑物的重心位置也随之变化，当重心垂直到地面投影点位置超过建筑物支点的情况下，重力矩作用下建筑物迅速地倒塌。
图2-8 建筑物整体倾覆过程
三、典型危化品泄漏过程模式
危险化学品的泄漏，容易发生中毒或转化为火灾爆炸事故。要成功地控制危化品泄漏和实现对危化品泄漏的极早期预警，就需要研究危化品泄漏过程。
2013年3月25日，广东电白县博贺港码头旁一冷库液氨管破裂引起液氨泄漏，事故导致一名正在值班的中年男子当场死亡。
2010年1月7日，中石油兰州石化公司303厂316号罐发生爆炸，造成6人死亡，1人重伤，5人轻伤。事故原因为出口管线第一道阀门后的管道弯头在低温和荷载变化下出现脆性和疲劳开裂，正丁烷介质冲压和持续低温导致其进一步撕裂，大量正丁烷泄漏引发爆炸。
2009年1月1日，山东省德州市武城县德州合力科润化工有限公司，3000 ·19·吨/年乙腈生产装置安装现场，熔盐储槽及固定床反应器突然发生爆炸，造成5人死亡，9人受伤。
1992年1月24日，河南省开封化肥厂合成氨分厂铜氨塔新安装的玻璃板液位计破裂，致使高压气体喷出并发生空间爆炸，事故造成4人死亡，1人重伤。
1979年12月18日，吉林市煤气公司液化气站102号400立方米液化石油气罐发生破裂引发爆炸，造成36人死亡，50人重伤。事故原因为球罐低应力脆性断裂，环缝破裂区裂缝迅速扩展至13.5米裂口，系焊缝焊接质量差所致。
在研究危化品泄漏过程中，最重要的是研究危化品容器、管路、阀门在运行过程中的失效模式。
危化品容器、管路、阀门失效的定义：
（1）危化品容器、管路、阀门在设计条件下，不能完成设计功能；
（2）危化品容器、管路、阀门在设计条件下，不能达到设计值；
（3）外界应力变化导致危化品容器、管路、阀门功能丧失。
换句话说，典型的压力容器失效是指压力容器在规定的使用环境和寿命期内，因结构尺寸、形状和材料性能发生变化，致使不能达到设计功能或设计要求，而不能正常使用的情况。
通常压力容器及附属设备破损部位和破损形式见表2-2。
表2-2 通常压力容器及附属设备破损部位和破损形式
（一）压力容器和管道的失效模式
压力容器中的碳钢压力罐韧性开裂的特点是，开裂后的罐体，肉眼就能看见其表面明显的变形现象。造成碳钢压力罐一次性压力过大的因素主要有：罐体壁过薄或者罐内的压力超过规定数值。导致这两种情况发生的原因可能是在进行碳钢压力罐制作时，材料选择不正确，导致罐体材料不能承受规定的压力值；或者是在罐体制造过程中，计算人员把罐体厚度计算错误，导致制造出来的碳钢压力罐壁厚度不符合标准，常见的是由于碳钢压力罐在工作过程中遭受腐蚀等，导致罐体壁变薄，进而引起罐体开裂。
常见的压力容器失效模式大致可以分为强度失效、刚度失效、失稳失效、泄漏失效和外力破坏失效五大类。
1．强度失效
压力容器和管道在压力等荷载的作用下，因材料屈服或断裂而引起的失效模式，称为强度失效。通常包括五种形式：韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、腐蚀断裂和蠕变断裂。
（1）韧性破裂
当容器承受的内压力超出安全限度后，先出现塑性变形，随着压力继续增大就会产生破裂。
韧性破裂的主要特征：
①内压力过高，超过了容器工作压力，超过允许的压力阈值；
②通常容器发生破裂前，容器前期有明显的变形，破裂处的器壁单薄；
③发生韧性破裂的容器通常没有碎片飞溅；
④破口呈撕裂扭曲。
（2）脆性断裂
压力容器工作在正常压力范围内，未充分发生塑性变形时就直接破裂或爆炸。大量的压力容器爆破试验结果表明，对于低强度钢制成的容器，存在漏检的微小缺陷。随着工业的发展，对压力容器提出了更高的要求。为了节约钢材，减轻容器重量，高强度钢被普遍采用。材料强度提高后，韧性往往降低。[8]
脆性断裂的主要特征：
①容器并无宏观塑性变形或变形量很小；
②容器壁未变薄，断裂是在低压下发生的；
③断裂时很可能有碎片；
④脆性破裂多发生在温度较低或温度突变时。
（3）疲劳破裂
压力容器在频繁的加压、卸压过程中，材料受到交变应力的作用，经长期使用后导致容器破裂。
压力容器的常规设计方法，都是按静载荷的条件来考虑的。实际上，容器在交变载荷作用下进行运转的情况经常发生。随着各国设计规范的变动，安全系数降低了，设计应力有了明显的提高。这样就造成了某些局部区域，如开孔接管周围、局部结构不连续处峰值应力更高，其虚拟应力甚至超过材料屈服强度的两倍，即结构超过弹塑性失效准则。其特点是：在每次加载循环前半周和后半周，在结构的同一部位，相继产生方向相反的塑性流动。而当循环结束后，每周总的塑性变形几乎为零。但每半周中的塑性功并不为零，因而塑性损伤不断积累。经若干次循环后（应力越大，次数越少），疲劳裂纹从萌生、扩大，最后导致容器的泄漏甚至破裂。因此，疲劳失效实质上就是裂纹形成与扩展造成的结果。[8]
疲劳破损的三个阶段：
①疲劳破损起始阶段；
②破损范围扩大阶段；
③疲劳导致大面积破损阶段。
（4）腐蚀破裂
全面腐蚀：腐蚀作用均匀地发生在压力容器表面；
局部腐蚀：包括区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳等。
（5）蠕变断裂
压力容器母体材料长期处于高温下受到拉应力的作用，而缓慢产生的塑性变形，称为蠕变，材料蠕变而使容器发生的破裂称为蠕变破裂。
压力容器的蠕变破坏，特别是容器壳体因蠕变而产生的破裂情况比较少见，主要是高温环境下压力容器所占比例较少。
2．刚度失效
由于压力容器过度的弹性形变而引起的破裂。
3．失稳失效
在压力作用下，容器突然失去其原有的规则几何形状而引起的失效。压力容器失稳失效的重要特征是弹性挠度和荷载不成比例，且临界压力与材料的强度无关，而是取决于容器的尺寸和材料的弹性性质。
4．泄漏失效
容器的各种接口密封面失效或器壁出现穿透性裂纹发生泄漏而引起的失效。泄漏介质可能引起燃烧、爆炸或中毒事故，并造成严重的环境污染。
压力容器泄漏的原因是多方面的，受压部件受到频繁的振动而产生裂纹、胀接管口松动、器壁局部腐蚀变薄穿孔、局部鼓包变形及密封面失效等，都会造成压力容器因泄漏而失效。
5．外力破坏失效
因外力破坏（车辆撞击、切锯、砍剁、重锤）直接导致破口或强度降低。
（二）阀门和连接件失效模式
阀门和连接件的失效模式主要有：
（1）阀体和连接件出现裂纹；
（2）阀体和连接件产生锈蚀；
（3）阀体和连接件密封损坏而导致泄漏。
1．阀体破裂
阀体出现裂纹，阀体法兰与阀门本体断离，造成管路泄漏。产生裂纹的原因可能是阀体长期锈蚀而性能下降，或地基沉降导致管道和阀体之间产生剪切力。
2．密封材料质量低
长期使用导致密封面破坏或杂物卡在密封面造成泄漏。
3．常见的电磁阀失效模式
（1）润滑失效；
（2）异物失效；
（3）电气失效；
（4）密封失效；
（5）压差超标。
（三）裂纹扩展速率
与接头密封的泄漏危险相比，压力容器和管道因出现裂纹导致的灾害是最为危险的，一旦出现裂纹扩展速度很快，意味着更多更大的泄漏。
国内已经开始对压力容器裂纹扩展速率的研究[9]，通过实验和估算得到04MnCrMoVR材料的裂纹扩展速率在饱和硫化氢浓度下和44mm板厚下的扩展速率为0.84～0.96mm/min。
当然不同的存储介质、不同压力、不同的环境、不同的压力容器材料、不同的热处理工艺的裂纹扩展速率会有较大的差别。
显然，裂纹的扩展意味着泄漏量的增加，对火灾、爆炸和对压力容器泄漏来说，极早地发现泄漏极为重要。
由于压力容器及其附属设备的复杂多种失效模式，如何在线全面预警监测目前有相当大的困难。