抗爆機(jī)柜間的建筑設(shè)計

柏 麗

（中科合成油工程有限公司，北京 101400）

在石油化工行業(yè)對有爆炸危險的工藝裝置進(jìn)行設(shè)計時，要將這類事故發(fā)生的幾率降至最低限度。盡管此類事故發(fā)生的可能性很小，但是，當(dāng)事故發(fā)生時，其后果將極其嚴(yán)重，包括人員、財產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，以及存在公共安全隱患。若發(fā)生類似爆炸事故，則會導(dǎo)致大量設(shè)施嚴(yán)重?fù)p壞或建筑物坍塌。因此，需要對一些關(guān)鍵建筑物進(jìn)行抗爆處理，以便保護(hù)內(nèi)部人員的安全及對裝置運行產(chǎn)生的影響降至最低。

1 建筑物抗爆的基本目標(biāo)

1.1 人員安全基本目標(biāo)

人員安全指的是抗爆設(shè)計應(yīng)為在建筑物內(nèi)的人員提供安全級別，該級別不得低于當(dāng)發(fā)生爆炸時，在建筑物外人員的防護(hù)等級。以往的事故表明許多設(shè)施的損壞以及人員的嚴(yán)重傷亡都是由于建筑物的坍塌砸壓到了建筑物內(nèi)人員造成的。本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的目標(biāo)就是降低建筑物本身在爆炸中成為危險因素的可能性[1]。

1.2 控制停車基本目標(biāo)

控制停車指的是抗爆設(shè)計的另一個目標(biāo)是防止工藝裝置失控導(dǎo)致級聯(lián)事故，使得其影響擴(kuò)散。當(dāng)在一個裝置發(fā)生事故時，不應(yīng)影響其他裝置繼續(xù)安全運行或有序停車。

1.3 經(jīng)濟(jì)考慮基本目標(biāo)

經(jīng)濟(jì)考慮指的是避免造成經(jīng)濟(jì)損失或?qū)⒔?jīng)濟(jì)損失降至最低，是抗爆設(shè)計的又一目標(biāo)。凡建筑物內(nèi)有業(yè)務(wù)資料、關(guān)鍵或基本設(shè)備、昂貴及長周期設(shè)備或一旦損壞會對整個石油化工廠造成重大影響或經(jīng)濟(jì)損失的設(shè)備，需對這類建筑物進(jìn)行保護(hù)。

2 抗爆機(jī)柜間建筑結(jié)構(gòu)的總體布置規(guī)定

抗爆機(jī)柜間建筑結(jié)構(gòu)的總體布置規(guī)定通常狀況下指的是宜布裝置需要設(shè)計在工藝裝置一側(cè)的區(qū)域，周邊不可以同時排布甲、乙類相關(guān)裝置，并且在設(shè)計抗爆類型的建筑物相關(guān)場地處不得低于臨近裝置排布區(qū)域的地坪高度；抗爆類型的建筑需要進(jìn)行獨立的設(shè)計與排布，不可以和非抗爆類型的建筑合并施工，假如受到現(xiàn)場環(huán)境的限制，抗爆類型的建筑和非抗爆類型的建筑物必須要進(jìn)行合并施工建造的情況下，需要設(shè)計相應(yīng)的方案用于防范非抗爆類型建筑可能對抗爆類型建筑物內(nèi)部的工作人員以及相關(guān)設(shè)施帶來的二次傷害；抗爆類型的建筑物，其比較狹窄的一側(cè)需要朝向爆炸風(fēng)險最大的爆炸源的一側(cè)；抗爆類型的建筑不應(yīng)該在有可能發(fā)生氣體泄漏的位置設(shè)計主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)口區(qū)域，當(dāng)位于可能泄漏氣體源主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)處時，應(yīng)采取隔離措施[2]。

3 抗爆機(jī)柜間的體型要求

抗爆機(jī)柜間的體型要求一般情況下指的是抗爆類型建筑物的平面適合設(shè)計成矩形，建筑主體的層數(shù)最好為一層，如果有現(xiàn)實需要也不應(yīng)該超過兩層。抗爆類型的建筑其外形需要滿足簡單以及規(guī)則的要求，外墻以及屋面不可設(shè)計有發(fā)生爆炸的情況可能產(chǎn)生飛濺碎片或者阻塞相關(guān)通道的裝飾物。抗爆類型的建筑不可以設(shè)置室外的樓梯或者雨蓬裝置，如果有鋼筋混凝土材質(zhì)的雨蓬必須經(jīng)過抗爆情況的數(shù)值驗算并保證在爆炸工況時不能發(fā)生破壞的情況。

4 抗爆機(jī)柜間的構(gòu)造要求

抗爆機(jī)柜間的構(gòu)造要求通常狀況下指的是抗爆建筑物的抗爆門窗、抗爆類型的閥門必須符合相關(guān)抗爆標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計文件內(nèi)必須標(biāo)明相應(yīng)的爆炸荷載數(shù)值，并要確保日常使用時間內(nèi)抗爆門處于關(guān)閉的狀態(tài)之下。門扇必須設(shè)計成朝外開啟的結(jié)構(gòu)，并且需要設(shè)計自動閉門器裝置，并且配備逃生用的門鎖以及抗爆用的觀察窗裝置；抗爆門的門框和門扇間需要保持密封狀態(tài)；在隔離前室的內(nèi)、外門需要具備不同時刻可以啟動的聯(lián)鎖功能；設(shè)備通道處的抗爆門裝置，門扇應(yīng)向外開啟，且不應(yīng)鑲嵌玻璃窗，配置抗爆門鎖。墻體保溫宜采用外墻外保溫構(gòu)造，燃燒方面的各項性能指標(biāo)的等級在GB8624—2019《建筑材料及制品燃燒性能分級》標(biāo)準(zhǔn)中的定義屬于A級的等級標(biāo)準(zhǔn)，其外部裝飾材料的表面需要采用整體結(jié)構(gòu)的模式。吊頂周邊與建筑外墻之間應(yīng)設(shè)置變形縫，寬度不小于50 mm；室內(nèi)活動地板與建筑外墻之間應(yīng)設(shè)置變形縫，寬度不小于50 mm。抗爆類型的建筑不適合設(shè)計相關(guān)變形縫類的結(jié)構(gòu)，如果現(xiàn)場實際情況必須要設(shè)計相應(yīng)變形縫的情況下，必須保證其滿足相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范和要求，并且必須實施可以抵抗對應(yīng)爆炸荷載的抗爆類密封方案。

抗爆機(jī)柜間的平面設(shè)計要求：依據(jù)GB50779—2012《石油化工建筑物抗爆設(shè)計規(guī)范》及多個項目的抗爆機(jī)柜間的實踐，對抗爆機(jī)柜間的平面設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。

5 隔離前室的設(shè)置以及抗爆防護(hù)措施

在寧煤項目的圖紙消防審查中，專家提出了門相對于抗爆墻的強(qiáng)度來說比較薄弱，機(jī)柜間隔離前室的兩個門正對，有被炸穿的可能，會威脅到機(jī)柜間內(nèi)人員的安全，因此機(jī)柜間隔離前室的門應(yīng)盡量錯位開啟。

盡量不在爆炸危險區(qū)開設(shè)人員安全出口，如受條件限制而開向有爆炸危險性的裝置時，則優(yōu)先采取有頂抗爆墻的防護(hù)措施。沒有頂抗爆墻時，則采用隔離前室的兩門完全錯位開啟，最好不同方向設(shè)置。

6 房間布置

《石油化工控制室設(shè)計規(guī)范》表4.3.3相關(guān)技術(shù)要求：第一點所規(guī)定的是操作室必須和機(jī)柜室、工程師辦公室進(jìn)行鄰近形式的布置，并且各個房屋之間需要有門，實現(xiàn)相通；第二點所規(guī)定的是工程師辦公室、機(jī)柜室和輔助房間處于相鄰的狀態(tài)下，不允許出現(xiàn)有門相通的狀況；第三點所規(guī)定的是UPS電源控制室必須和機(jī)柜室相鄰布置。

空調(diào)機(jī)室與操作室、工程師辦公室、機(jī)柜間不相鄰布置，采用走道隔開布置。石油化工控制室總布置圖如圖1所示。

圖1 石油化工控制室總布置圖

7 建筑疏散

機(jī)柜間整體建筑至少在兩個不同方向設(shè)置安全出口，并設(shè)置隔離前室。現(xiàn)場機(jī)柜間里的機(jī)柜室房間建筑面積大于400 m2時，安全出口不少于2個。走廊的疏散設(shè)計中參考了民用建筑的規(guī)定，位于2個出口之間的房間疏散距離安全出口小于等于40 m，位于袋形走道盡端的房間疏散門距離安全出口小于等于22 m。

8 地面設(shè)置

機(jī)柜間地面采用鋼筋混凝土剛性地坪，對抗爆墻起到嵌固和減小厚度的作用。

機(jī)柜間里電子設(shè)備較多，需要布設(shè)大量電線電纜，因此機(jī)柜室、工程師辦公室、UPS室等房間做架空的防靜電地板。這樣就使得地面標(biāo)高不同，處理的方法有兩種：

技術(shù)方案一：建筑物內(nèi)基礎(chǔ)地面標(biāo)高一致，地面最終完成面為兩個不同標(biāo)高。優(yōu)點是易施工，土方量小；缺點是臺階多，后期使用不方便。

技術(shù)方案二：建筑物內(nèi)基礎(chǔ)地面有兩個不同的標(biāo)高，地面最終完成面為相同標(biāo)高。優(yōu)點是后期使用方便，美觀；缺點是剛性地面施工復(fù)雜。

針對這兩個技術(shù)方案，分析了已建成的項目資料，咨詢現(xiàn)場人員，并請來儀表專業(yè)的負(fù)責(zé)人參加評審會，他們認(rèn)為：室內(nèi)地面平齊方便工作人員使用。優(yōu)先考慮采用技術(shù)方案二。技術(shù)方案一與技術(shù)方案二如圖2所示。

圖2 技術(shù)方案一與技術(shù)方案二

9 衛(wèi)生間設(shè)置

《石油化工控制室設(shè)計規(guī)范》第7.12條規(guī)定，現(xiàn)場機(jī)柜室不宜設(shè)置衛(wèi)生間，但是因裝置廠區(qū)范圍大，裝置區(qū)內(nèi)都是設(shè)備裝置、管道、橋架等，建筑物比較少，特別是有衛(wèi)生間的建筑物更是極少，現(xiàn)場工作人員上廁所比較困難，業(yè)主要求在機(jī)柜間里設(shè)置衛(wèi)生間。根據(jù)已建成項目的業(yè)主反映，機(jī)柜間沒有設(shè)置窗戶，靠機(jī)械排風(fēng)無法完全排除異味[3]。

解決的方法：在設(shè)計中，把衛(wèi)生間靠外墻設(shè)置，并做隔離前室獨立朝外開設(shè)出入口，臨近機(jī)柜間人員出入口的位置，方便人員的進(jìn)出使用。衛(wèi)生間相對位置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 衛(wèi)生間相對位置結(jié)構(gòu)

10 爆炸荷載條件下的機(jī)柜抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計

在爆炸負(fù)載的強(qiáng)烈反應(yīng)條件下，該動力二次曲線分析能夠接近應(yīng)用具有靈活自由度體系動力研究的技術(shù)模式或者等效靜荷載研究技術(shù)模式。

10.1 單自由度相關(guān)結(jié)構(gòu)等效靜荷載技術(shù)方法

在猛烈爆炸荷載的作用過程中，建筑物內(nèi)部主要構(gòu)件等效靜荷載的計算過程必須基于結(jié)構(gòu)靜力研究計算的方式進(jìn)行替代動力分析，這種技術(shù)將會為結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計帶來非常便利的技術(shù)優(yōu)勢。

10.2 單自由度相關(guān)結(jié)構(gòu)動力模式方法

針對鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，抗爆機(jī)柜相關(guān)工程技術(shù)人員必須依照彈塑性相關(guān)技術(shù)條件進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，針對建筑物受彎構(gòu)件，為了確保結(jié)構(gòu)的塑性變形性能，該結(jié)構(gòu)抗剪載荷比抗彎載荷至少高125.185%，進(jìn)而確保構(gòu)件早期發(fā)生受彎或者鋼筋屈服，避免過早產(chǎn)生斜裂縫以至于遭到嚴(yán)重破壞。爆炸過程中產(chǎn)生沖擊波重要參數(shù)信息，抗爆機(jī)柜相關(guān)工程技術(shù)人員在設(shè)計過程中使用的峰值入射超壓必須基于石油化工設(shè)備等因素進(jìn)行確定。機(jī)柜之間安全參數(shù)必須依據(jù)安全評估確定以后，需要應(yīng)用沖擊波峰值的超高壓20.775 kPa，正壓力值作用周期105.935 ms。爆炸過程中所產(chǎn)生的載荷必須按照相關(guān)法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實施簡化驗證及校核。

11 結(jié)束語

綜上所述，抗爆機(jī)柜相關(guān)工程技術(shù)人員能夠依據(jù)相關(guān)行業(yè)內(nèi)部法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)完成規(guī)劃圖實施機(jī)柜之間基礎(chǔ)項目工程的規(guī)劃設(shè)計工作，進(jìn)而確保建筑物平立面的布置符合設(shè)計規(guī)范尺寸技術(shù)要求。各個機(jī)柜之間的建筑平面外形尺寸的長度與寬度比值是2.2時，就能夠確保水平載荷平均分配至側(cè)墻體，進(jìn)而保證該建筑結(jié)構(gòu)具有合理的水平剛度進(jìn)行水平爆炸力的傳遞。抗爆機(jī)柜相關(guān)工程技術(shù)人員必須將抗爆墻體設(shè)計成性能優(yōu)良的建筑物主要構(gòu)件。