石油化工企業中心控制室建筑結構設計探討

王耀東

（中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波315103）

隨著信息化的不斷深入，管理與控制一體化變得越來越重要，而中心控制室作為管控一體化的中心，已經被列為全廠性重要設施之一，具有生產操作、生產過程控制、安全保護、先進控制與優化、儀表維護、仿真培訓、生產管理及信息管理等一系列功能。在中心控制室中，不僅安裝有大量貴重的控制設備和計算機，還有一定數量的操作和系統維護人員、生產管理人員、生產調度人員；而石油化工企業中許多生產裝置具有易燃、易爆的特性，中心控制室必須為內部人員及控制設備提供保護，確保全廠在任何情況下都能正常生產，并且在事故狀態下能夠及時采取應急措施，控制事故狀態，抑制災情蔓延，避免次生災害，中心控制室的抗爆設計已成必然。

為此，SH／T 3006—2012《石油化工控制室設計規范》規定：“中心控制室宜布置在生產管理區；對于有爆炸危險的石油化工裝置，中心控制室的建筑結構應根據其相鄰裝置在設計壽命期間內可能發生爆炸的概率、類型及可能產生的破壞特征進行安全評估，安全評估報告作為中心控制室抗爆設計的重要依據”。

1 中心控制室建筑設計要點

1.1 總體布置要求

中心控制室應獨立設置，不應與變配電所相鄰；宜布置在非爆炸危險區域內，盡可能遠離裝置，且不應被裝置包圍，與其他建構筑物或裝置的防火間距應同時滿足GB 50160—2008《石油化工企業設計防火規范》的相關規定。建筑物所在場地標高不應低于相鄰裝置區的地坪，并遠離產生振動及噪聲的設備；為了保證裝置在爆炸力下即使產生巨大的塑性變形也不會垮塌，鋼筋混凝土抗爆整體結構外形要求為長方體；同時為減少受力，要求建筑物盡可能緊湊，宜為1層建筑，不應超過2層；高度盡可能低，既不設凸出的部件，如雨篷等，也無陰角造型，以防止爆炸力的積聚和結構應力集中；安全出口應開向不同方向且數量不少于2個，當人員的安全出口面向有爆炸危險的生產裝置時，必須在抗爆門的外側設置有頂的抗爆墻等防護措施。

1.2 室內環境

抗爆的中心控制室為封閉性建筑，室內采用人工照明，應進行溫度和濕度控制，重要房間采用恒溫、恒濕的全空氣空調系統，一般房間采用舒適性空調系統。操作室、機柜室、工程師室、UPS間、電信室等為重要房間，其冬季溫度為（20±2）℃，夏季溫度為（26±2）℃；其相對濕度為40%～60%；操作室、工程師站、電信室的噪聲不得大于65dB，機柜室、UPS室的噪聲不得大于75dB。

1.3 建筑功能設計

在石油化工項目中，由于裝置的多樣化、規模超大化、高度自動化的生產特點，作為全廠生產裝置的中樞，中心控制室的規模越來越大，其主要功能房間包括操作室、機柜室、工程師站、空調機室、UPS室、電信設備室、打印機室、過程計算機室、備件室及安全消防監控室；輔助房間包括交接班室、生產調度室、會議室、辦公室、更衣室、資料室、休息室、接待室、培訓師、衛生間等。功能房間的面積根據控制系統的操作站、機柜和儀表盤等設備數量及布置確定。輔助用房設計中應根據使用人數合理確定房間的建筑面積，優先布置重要房間，保證有關聯的房間緊密布置，使用方便。

1.4 建筑門窗

在中心控制室的抗爆設計中，建筑外門是抗爆防護體系中的最薄弱點，因而對抗爆防護門的數量和尺寸應嚴格控制，以滿足最基本的功能要求為設計原則。建筑外門可分為兩種類型，即人員通道的抗爆門和設備通道的抗爆門。

人員通道的抗爆門洞口尺寸寬度不宜大于1.5m，高度不宜大于2.4m，抗爆外門的計算荷載與所在墻面計算沖擊波超壓相同，隔離前室內的其他內門也應選用抗爆防護門，其計算沖擊波超壓為外門計算沖擊波超壓的50%；并確保在計算荷載作用下，內外抗爆門均處于彈性狀態，所有人員通道門均外開并設置門鏡或抗爆觀察窗，以便于事故狀態下人員可觀察門外側的狀況，可以安全撤離。

設備通道抗爆門的洞口應滿足設備進出的要求，可以不設抗爆隔離前室，在不使用時將保持完全封閉的狀態，其計算荷載與所在建筑墻面計算沖擊波超壓相同，在計算荷載的作用下，處于彈塑性狀態。

由于飛散的破碎玻璃在爆炸時對人員的威脅最大，因此應嚴格限制建筑外墻上玻璃的使用，中心控制室的次要房間如衛生間、餐廳等可以開設面積較小的固定抗爆防護窗，其計算荷載與所在建筑墻面計算沖擊波超壓相同。重要房間不應在外墻開設窗戶，避免裝置爆炸后產生的有害煙、氣、火、熱流等可能通過炸壞的窗洞口進入中心控制室內。內窗和內部玻璃隔斷應采用金屬框架及安全玻璃。

1.5 建筑屋面

屋面應具有防水、保溫及隔熱的性能，其防水等級應為Ⅰ級。屋頂上不應覆蓋石礫或松動的混凝土磚，不得采用裝配式架空隔熱構造；女兒墻宜采用鋼筋混凝土結構，在滿足屋面防水構造要求的情況下取最小值，應根據爆炸力的特性加以驗算，確保在爆炸力作用下不至于破壞或產生碎塊，防止爆炸時飛到空中傷人。

1.6 其他建筑要求

抗爆的中心控制室建筑具有其特殊性，既不屬于可燃物較多的生產廠房，又不屬于人員較多的公共建筑，根據SH 3017—1999《石油化工生產建筑設計規范》，其火災危險性等級劃分為丁類，耐火等級為一級。設計中應按民用建筑考慮其防火分區、安全疏散、建筑節能。

2 結構設計要點

2.1 結構布置要求

抗爆設計不同于一般的工業與民用建筑設計，主要表現為爆炸產生沖擊波對結構表面產生巨大的壓力，所以在GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆設計規范》的基本規定中作出了平面宜為矩形、層數宜為1層不應超過2層、結構宜為鋼筋混凝土結構的要求，但這只是基本要求，根據設計經驗，在結構設計時尚需考慮以下要求：

1）根據爆炸產生沖擊波對結構表面產生巨大壓力的特點，控制室抗爆結構設計首先應考慮如何減小作用在結構上的沖擊波。

2）要求抗爆建筑物應該盡量遠離爆炸源，即使受場地限制，建筑物離爆炸源的距離也不宜小于30m。

3）沖擊波參數要由安全專業人員考慮石油化工裝置性質、平面布置、風向等因素，運用安全模擬分析軟件計算后提出。

4）僅有不應超過2層要求是不夠的，還應盡量降低抗爆建筑物的高度。

5）要選擇合理的結構類型。由于圓形及地下式的抗爆結構抗爆性能好，但是存在不易布置、施工難度大等問題，故一般選擇建筑平面為矩形的框架－剪力墻結構方案，美國的相關抗爆規范對結構類型的選擇要求也是如此。框架－剪力墻結構中，鋼筋混凝土墻承受水平爆炸力（不承受豎直方向的荷載），側墻承受前墻通過屋蓋傳遞的水平剪力，框架部分承受豎直方向的自身重力及豎向爆炸荷載，框架一般為鋼筋混凝土框架，也可采用鋼結構框架。

2.2 爆炸荷載取值

爆炸荷載是一種偶然作用，沖擊波壓力大且持續時間很短。在石油化工裝置中最常見的爆炸為蒸汽云爆炸，其沖擊波參數是由安全專業人員考慮石油化工裝置性質、平面布置、風向等因素，運用安全模擬分析軟件，模擬計算后得到。當沒有進行安全評估時，采用沖擊波峰值入射超壓21kPa，正壓作用時間100ms，該參數近似相當于直徑60m，高4m乙烷體積分數為6%的氣體爆炸，距中心距離75m處產生的沖擊波超壓，這與美國相關規范的規定是一致的。

2.2.1 爆炸荷載的基本參數

確定爆炸荷載參數沖擊波峰值入射超壓pso和正壓作用時間td以后，按下列公式換算作用在建筑物各個部位的荷載。

波速v：

式中：v——沖擊波波速，m／s；pso——沖擊波峰值入射超壓，kPa。

峰值動壓p0：

式中：p0——峰值動壓，kPa；patm——環境標準大氣壓，kPa。

沖擊波的波長Lw：

式中：Lw——沖擊波波長，m；td——沖擊波正壓作用時間，s。

2.2.2 前墻沖擊波荷載參數

峰值反射壓力pr：

式中：pr——峰值反射壓力，kPa。

停滯壓力ps：

式中：ps——停滯壓力，kPa；Cd——拖曳力系數，取決于障礙物表面的形狀及朝向。

前墻正壓等效作用時間：

式中：tc——反射壓持續時間，s；S——停滯壓力點到建筑物邊緣的最小距離，取H或B／2中的較小值，m。

式中：te——前墻正壓等效作用時間，s；Iw——正壓沖量，Iw＝0.5（pr－ps）tc＋0.5pstd。

2.2.3 側墻及屋面沖擊波參數

側墻以及平屋頂建筑物（屋面坡度小于10°）屋面上的沖擊波荷載參數pa：

式中：Pa——作用在側墻及屋面上的有效沖擊波超壓，kPa；tr——側墻及屋面有效沖擊波超壓升壓時間，s；L1——沖擊波前進方向結構構件的長度，m。

2.2.4 后墻的沖擊波荷載參數

式中：pb——作用在后墻上的有效沖擊波超壓，kPa；ta——沖擊波達到后墻的時間，s；D——沖擊波前進方向建筑物寬度，m；trb——后墻上有效沖擊波超壓升壓時間，s。

構件受到沖擊波荷載作用后，在一段時間內作往復運動，按GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆設計規范》第5.5.2條進行驗算時，還應該考慮構件回彈的荷載效應可能為負值的問題。

2.3 結構設計要點

GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆設計規范》第5.2.3條規定：“不得任意提高鋼筋強度等級和加大配筋面積”。該條規定的前提條件，是抗爆構件的鋼筋強度等級和鋼筋面積應提高計算確定，即經計算確定后的鋼筋強度等級和配筋面積不得任意提高，這對抗爆構件十分重要。抗爆建筑設計不同于一般的工業與民用建筑設計，抗爆結構要求構件有較好的變形能力以適應在爆炸荷載下的變形，因而要求結構設計時盡量采用高強度等級的鋼筋和低強度等級的混凝土，但混凝土的強度等級不得低于規范規定的C30，建議盡量采用C30。

1）有關裂縫的控制。GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆設計規范》第5.1.2條規定對結構構件的裂縫可不進行驗算，這對于在偶然爆炸荷載作用下要求結構裂而不倒、構件進入塑性變形的前提下是正確的，但隨著石油化工企業規模越來越大，控制室的規模也越來越大，其平面尺寸，尤其是中心控制室的長度尺寸嚴重超過GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定的設置溫度縫的長度要求，這對在正常工作狀態下，控制室建筑的外墻保溫要求越來越高。

2）有關抗爆外墻孔洞。無論是國標還是行標，抗爆規范都嚴禁在抗爆外墻上的任意位置設置孔洞。規范對門窗孔洞尺寸也作了限制：GB 50779—2012第4.2.1－2對門窗孔洞做出了不得大于1 500mm×2 400mm的限制；GB 50779—2012第4.2.1－3同時要求洞口需滿足設備進出的要求；電纜進口采用地下進口；要求門窗等外墻附件的抗爆荷載與所在外墻的沖擊波超壓荷載相同。

3）有關抗爆外墻設置附件的問題。SH 3160—2009《石油化工控制室抗爆設計規范》第5.3.1條規定抗爆外墻不得設置普通雨棚、挑檐等建筑裝飾物，同樣也不得設置諸如電纜支架等其他構件，主要原因是難以滿足附件的抗爆荷載與所在外墻的沖擊波超壓荷載相同的要求；事故中外設構件容易造成次生傷害。

3 結束語

隨著國家對安全的日益重視，石油化工裝置中心控制室的抗爆設計更加重要，但同時要注意在建筑布置時不能把控制室的功能擴大化；平面布置、層數的要求須滿足相關規范的規定；結構設計要注意在計算后不得任意提高鋼筋強度等級和加大配筋面積，以免造成投資增大的同時，也無法滿足規范的要求。

［1］中國石化集團洛陽石油化工工程公司.SH／T 3160—2009石油化工控制室抗爆設計規范［S］.北京：中國石化出版社，2010.

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［3］ASCE.Design of Blast－Resistant Buildings in Petrochemical Facilities［M］.2nd ed.ASCE，2010.

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［6］中華人民共和國工業和信息化部.SH／T 3006—2012石油化工控制室設計規范［S］.北京：中國石化出版社，2012.

［7］中國建筑科學研究院.GB 50010—2010混凝土結構設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［8］中國建筑科學研究院.GB 50011—2010建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［9］國家人民防空辦公室.GB 50038—2005人民防空地下室設計規范［S］.北京：中國建筑標準設計研究院，2011.