石油化工控制室抗爆設(shè)計

摘 要 簡述了控制室抗爆設(shè)計的緣由，結(jié)合實際工程介紹了控制室抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計時爆炸荷載取值及荷載組合、設(shè)計方案的確定原則等。

關(guān)鍵詞 抗爆設(shè)計 爆炸荷栽 剛性地坪 概念設(shè)計

1控制室抗爆概述

近年來，由于工藝生產(chǎn)裝置技術(shù)的發(fā)展，對裝置自動控制水平的集成化程度也不斷得到提高。我們知道，煉油、化工廠中許多生產(chǎn)裝置均具有易燃易爆的特點，為保證在任何情況下對生產(chǎn)裝置的正常操作和安全開停車，最經(jīng)濟(jì)有效的方式是總圖規(guī)劃時將控制中心設(shè)置在遠(yuǎn)離裝置爆炸區(qū)的范圍內(nèi)。但是，控制中心與裝置之間距離過大必將增加管線與電纜的造價，占地面積也相應(yīng)增加，而控制中心距離裝置較近則需要考慮爆炸力對控制室的影響，即對控制室進(jìn)行抗爆設(shè)計，因此有關(guān)控制室的選址應(yīng)該進(jìn)行必要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。有時當(dāng)總圖布置受實際場地及諸多原因的影響，只能設(shè)置在距裝置較近的地方時，為保證生產(chǎn)裝置的正常操作，必須對控制中心建筑物進(jìn)行抗爆設(shè)計。

2 本工程控制室介紹

本設(shè)計為某石化分公司儲運(yùn)系統(tǒng)控制室，長31.5米，寬15米，高5米（平、立、剖面圖見圖1、2、3）。一層鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，總建筑面積為593.55平方米。室內(nèi)設(shè)置有控制室、機(jī)柜間，同時還設(shè)置有輔助設(shè)施。平面布局規(guī)整，整體外觀簡單大方，有利于整體結(jié)構(gòu)的抗震、抗爆。

目前國內(nèi)還沒有專門針對控制室抗爆設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，有關(guān)《石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范》的編制工作正在進(jìn)行。因此本設(shè)計以國外相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)為主要參考依據(jù)，結(jié)合國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及其它參考資料進(jìn)行。

3 爆炸荷載取值及組合

抗爆建筑工程成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通建筑，經(jīng)統(tǒng)計，一般為普通框架結(jié)構(gòu)建筑物的2.5至4倍。對于布置在裝置區(qū)域內(nèi)的控制室，國外的做法是先由專業(yè)咨詢公司根據(jù)相鄰裝置在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)可能發(fā)生爆炸的概率、爆炸的類型及其可能產(chǎn)生的破壞特征等，綜合作出該控制室的安全評估報告，其中提出可能的爆炸力的詳細(xì)情況，作為該控制室抗爆設(shè)計的依據(jù)。

由于國內(nèi)尚無這樣的專業(yè)咨詢公司，也沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《石油化工控制室和自動分析器室設(shè)計規(guī)范》[6](SH3006—1999)，自控專業(yè)提供的有關(guān)抗爆結(jié)構(gòu)的定義是“建筑物能夠承受在100英尺(折合30．48米)以外裝置的爆炸(爆炸的能量相當(dāng)于一噸的TNT炸藥)，發(fā)生中等程度的結(jié)構(gòu)破壞，但沒有倒塌。其意圖是遭受這樣的爆炸時，仍能保證人身的安全和工廠的操作。”

分析石化裝置中的可能爆炸源有兩類：一是由裝置中的設(shè)備或壓力容器爆炸引起的；二是由大面積可燃?xì)怏w聚集，達(dá)到一定濃度時引起的爆炸，即蒸汽云爆炸理論VCE(Vapor Cloud Explosion)，VCE是石化企業(yè)中最常見的爆炸形式。

根據(jù)文[1]，對一噸TNT距爆炸源100英尺處作用于控制室的爆炸峰壓超值的推算，第一類爆炸其爆炸力取值為：最不利正面墻體峰壓超值為21Kpa，反射壓為42Kpa，作用時間為25毫秒，側(cè)墻為14Kpa，背面墻體為7Kpa，屋面壓力取10Kpa；第二類爆炸，文[2]中OLA(美國石油保護(hù)協(xié)會)推薦的爆炸力取值分兩種情況：第一種情況最不利正面墻體峰壓超值為21Kpa，作用時間為100毫秒，第二種情況最不利正面墻體峰壓超值為69Kpa，作用時間為20毫秒，兩種情況屋面壓力仍按10Kpa考慮。結(jié)合規(guī)范[6]的規(guī)定，綜合取OLA推薦的第一種情況下的爆炸力作為本工程設(shè)計計算依據(jù)。

爆炸與地震作用相似，也是一種偶然作用。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)第3.2.6條規(guī)定：偶然荷載的代表值不乘分項系數(shù)，而且在荷載組合時，抗爆荷載不應(yīng)與地震作用、風(fēng)荷載或其它類似荷載同時組合，可采用的基本組合是：1.O恒+1.0活+1.0爆炸作用。

4 設(shè)計方案

由于爆炸發(fā)生的復(fù)雜性和不確定性，設(shè)計時首先樹立概念設(shè)計重于結(jié)構(gòu)計算的思想尤為重要。結(jié)合控制室的平面布置，將本工程設(shè)計的主要方案闡述如下：

(1)在總平面布局中盡量考慮將控制室布置在遠(yuǎn)離裝置的位置，與甲、乙類裝置的距離不得小于30米。建筑平面選擇方形平面，整體剛度大，爆炸荷載相對較小。在平面布置中至少設(shè)置兩個安全出口，以提高人員疏散的可靠性。

(2)在材料及設(shè)備的選用上以防火、抗爆為基本原則，建筑門窗選用抗爆門窗，同時外門的耐火完整性不得小于1.0小時。室內(nèi)玻璃隔斷選用金屬框架及安全玻璃。

(3)采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)型式。控制室外墻即為鋼筋混凝土剪力墻(墻厚度300或400rlam)，設(shè)置于框架外側(cè)，由其直接承受水平爆炸作用，將爆炸荷載傳遞至基礎(chǔ)。建筑物屋頂采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，以傳遞外墻傳來的爆炸荷載。保證在爆炸發(fā)生時框架結(jié)構(gòu)受損較小，整個結(jié)構(gòu)處于非彈性狀態(tài)而不倒塌。

(4)為減少水平爆炸力在基礎(chǔ)上產(chǎn)生過大彎矩，在室內(nèi)地坪下適當(dāng)位置(一般取活動地板下)設(shè)置一道鋼筋餛凝土地板，我們稱之為剛性地坪(厚度200mm，雙層配筋)。這樣，一方面減少了墻體構(gòu)件的計算長度，使構(gòu)件內(nèi)力減少；另一方面減少了基礎(chǔ)內(nèi)力，也加強(qiáng)了控制室的整體性剛度。

(5)在設(shè)計中除根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要設(shè)置多道鋼筋混凝土剪力墻外，還有不少磚砌體墻，為了保證在爆炸力作用下該部分墻體的穩(wěn)定性，通過設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈粱的方法對墻體進(jìn)行加強(qiáng)。柱與圈粱的設(shè)置構(gòu)造可參考抗震結(jié)構(gòu)規(guī)范但要嚴(yán)于該規(guī)范為宜。

(6)對控制室整體結(jié)構(gòu)的抗傾覆、抗滑移計算。一般來講，單層或?qū)挾容^大的多層控制室結(jié)構(gòu)抗傾覆均可滿足要求；在滑移計算中應(yīng)考慮的抗滑移荷載有上部爆炸荷載與豎向恒荷載(包括基礎(chǔ)及其上土重)所產(chǎn)生的摩擦力、地基土的被動土壓力，滑移荷載為水平爆炸作用。根據(jù)分析，水平爆炸作用力由于正面墻體的變形(消能)在進(jìn)行滑移計算時可以乘以折減系數(shù)0.7。

5 總結(jié)

通過本設(shè)計，對抗爆結(jié)構(gòu)總結(jié)如下：

(1)控制室的房間布置不同，則其結(jié)構(gòu)方案可能不同。國外的原則做法是：由外部鋼筋混凝土墻體承受水平爆炸作用，豎向荷載應(yīng)盡可能由單獨設(shè)置與剪力墻分開的鋼筋混凝土柱粱體系承受。

(2)根據(jù)相關(guān)規(guī)范，控制室應(yīng)按乙類建筑物設(shè)計。結(jié)合本工程抗震設(shè)防烈度為8度，則根據(jù)(建筑抗震規(guī)范)(GB50011—2001)，無論框架還是剪力墻其抗震等級均不應(yīng)低于二級構(gòu)造。

(3)控制中心周邊裝置不同，控制室距裝置爆炸源距離不同，則應(yīng)考慮的爆炸力不同。較為合理的做法是應(yīng)針對具體情況進(jìn)行控制室的安全評估。

(4)牢固樹立概念設(shè)計重于結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念。

(5)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，爆炸等偶然荷載作用下應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的提高以及地基驗算時地基承載力提高。

(6)在抗爆結(jié)構(gòu)的抗滑移計算中，應(yīng)充分考慮地基土的被動土壓力。若按一般基礎(chǔ)埋深無法滿足要求時，可通過加深基礎(chǔ)埋深和設(shè)置地下鋼筋混凝土墻等方法增大被動土壓力，以此滿足抗滑移要求。

參考文獻(xiàn)

1 蔣津 控制室抗爆設(shè)計的沖擊波超壓 石油化工建筑設(shè)計 1999

2 Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities 1995

3 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009—2001)

4 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50010—2002)

5 建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011—2001

6 石油化工控制室和自動分析器室設(shè)計規(guī)范(SH3006—1999)