談在某廠房中運(yùn)用NFPA68進(jìn)行泄壓面積計(jì)算

崔 彥

(惠生工程(中國)有限公司，上海 201210)

1 概述

近年來，工業(yè)建筑尤其是化工行業(yè)的廠房存在很多爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。如何避免爆炸和降低爆炸帶來的傷害，就是在建筑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題。最直接的處理方法就是，在爆炸時(shí)，當(dāng)建筑物內(nèi)壓力迅速上升時(shí)，利用泄壓口將爆炸產(chǎn)生的壓力快速釋放出去，從而保護(hù)人員，生產(chǎn)設(shè)備及建筑物的安全。因此，有爆炸危險(xiǎn)的廠房設(shè)計(jì)中，常常需要面臨如何計(jì)算建筑泄壓面積的問題。

本文是基于筆者在某沙特化工廠區(qū)設(shè)計(jì)中，遇到一個(gè)有粉塵爆炸危險(xiǎn)的擠壓機(jī)廠房。生產(chǎn)物質(zhì)主要為高密度聚乙烯。該廠房為矩形，長16.3 m。進(jìn)深9.45 m,高度為15.1 m，一共兩層。其中2層樓板局部開敞，因此泄壓計(jì)算時(shí)按照一個(gè)完整空間來考慮。

由于這個(gè)擠壓機(jī)廠房是在境外項(xiàng)目，沙特業(yè)主方采用的是國際標(biāo)準(zhǔn)，因此項(xiàng)目的泄壓面積是按照美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA68—2018爆炸泄壓指南(Standard on Explosion Protection by Deflagration Venting)(下文簡稱NFPA68)來進(jìn)行計(jì)算。

本文以此廠房為例，著重來探討如何按照NFPA68來計(jì)算有爆炸危險(xiǎn)廠房的泄壓面積，同時(shí)對比了相同情況下根據(jù)我國規(guī)范GB 50016—2018建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(以下簡稱《建規(guī)》)的計(jì)算結(jié)果，以此來給廣大的設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)參考。

2 我國《建規(guī)》中泄壓面積的計(jì)算方法

國內(nèi)的常規(guī)做法是根據(jù)《建規(guī)》中3.6.4條給出的推薦公式，來進(jìn)行計(jì)算。

A=10CV2/3

(1)

其中,A為泄壓面積；C為泄壓比值；V為廠房的容積。利用此式計(jì)算的前提是廠房的長徑比不大于3，如果大于3的情況要將建筑物分段計(jì)算。此建筑物長徑比為1.4,符合單獨(dú)計(jì)算的要求。

本項(xiàng)目中，爆炸物為高密度聚乙烯HDPE(High density polyethylene)，屬于合成樹脂，按照《建規(guī)》表3.6.4取值，C值取0.055 m2/m3。

泄壓面積計(jì)算結(jié)果如下：A=10×0.55×2 3262/3=96.55 m2。

3 美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《爆炸泄壓指南》NFPA68中泄壓面積的計(jì)算方法

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

美國消防協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NFPA68—2018爆炸泄壓指南，在國際上屬于比較權(quán)威的相關(guān)規(guī)范。自1954年第一版以來，至今已經(jīng)有66年的發(fā)展歷史了，《建規(guī)》3.6.4條也是參考了該規(guī)范以及結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究成果等。

NFPA68共分為11個(gè)章節(jié)。第一章～第六章主要闡述了基本原理和概念。第七章為混合氣體和霧的泄壓計(jì)算(Chapter 7 Venting Deflagrations of Gas Mixtures and Mists)；第八章為粉塵及混合物的泄壓計(jì)算(Chapter 8 Venting of Deflagrations of Dusts and Hybrid Mixtures)，其中細(xì)分為很多不同情況，根據(jù)每種情況分別有不同的公式進(jìn)行泄壓計(jì)算。根據(jù)本項(xiàng)目的高密度聚乙烯，是顆粒狀產(chǎn)品，屬于粉塵物質(zhì)，所以應(yīng)該選用第八章粉塵泄壓計(jì)算中的計(jì)算公式。

3.2 泄壓面積計(jì)算

在進(jìn)行計(jì)算之前，要再核實(shí)一下L/D長徑比(length to diameter radio)，由于計(jì)算方式和《建規(guī)》一致，在此不贅述。接近正常大氣壓時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算方式應(yīng)選用8.2.1.1條。

3.2.1計(jì)算公式

(2)

其中，AV0為泄壓開口的幾何面積，m2；V為容器體積，m3;Pstat為靜開啟壓力，通過壓力緩慢上升使泄壓裝置開啟的壓力，bar-g;KSt為粉塵爆炸指數(shù)，bar-m/s;V為建筑物的體積，m3;Pmax為最大爆炸壓力，bar-g;Pred為泄爆壓力，bar-g。

3.2.2設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

根據(jù)NFPA68中附表F可燃性粉塵爆燃選擇參數(shù)中塑料粉塵的參數(shù)見表1。

表1 塑料粉塵

KSt=156 bar-m/s,Pmax=8.0 bar-g,

Pstat=0.1 bar-g,Pred=0.2 bar-g。

將上述參數(shù)代入式(2)中，AV0=34.96 m2。

3.2.3系數(shù)修正

根據(jù)NFPA68中，建筑物的泄壓計(jì)算，還需要系數(shù)修正,在AV0的數(shù)值上再乘以系數(shù)1.7。

AV1=1.7AV0

(3)

因此最終的泄壓面積應(yīng)為1.7×34.96=59.43 m2。

4 總結(jié)對比

表2 兩個(gè)規(guī)范的泄壓面積計(jì)算結(jié)果對比

從上述依據(jù)國內(nèi)外不同的規(guī)范的計(jì)算結(jié)果可以看出(見表2)，《建規(guī)》中的計(jì)算公式僅考慮了廠房容積、長徑比和泄壓比這三個(gè)參數(shù)。在計(jì)算時(shí)不用區(qū)分爆炸物質(zhì)。

NFPA68中的計(jì)算方法考慮的因素更加全面。除了充分考慮上述參數(shù)外，還針對不同物質(zhì)的爆炸進(jìn)行了區(qū)分，氣體混合物爆炸、粉塵或復(fù)合混合物爆炸等不同情況分別進(jìn)行規(guī)定，更有針對性，其結(jié)果也更符合實(shí)際情況。相比之下，我國《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定則較為簡單，計(jì)算公式也較為單一，其危險(xiǎn)等級的劃分和泄壓比的取值，則較多的參考了美國和日本標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值。因此，其針對性較后者有一定的差距。

5 結(jié)語

相對于國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 50016—2018建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范，美國消防協(xié)會NFPA68—2018爆炸泄壓指南在防爆泄壓方面的計(jì)算比較精確，但涉及不同情況及計(jì)算參數(shù)較多，計(jì)算公式也更復(fù)雜。了解不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的泄壓計(jì)算，可以為建筑設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行泄壓面積計(jì)算時(shí)提供更為全面的參考。