石油化工控制室抗爆設計摘 要 簡述了控制室抗爆設計的緣由，結合實際工程介紹了控制室抗爆結構設計時爆炸荷載取值及荷載組合、設計方案的確定原則等。關鍵詞 抗爆設計 爆炸荷栽 剛性地坪 概念設計1控制室抗爆概述近年來，由于工藝生產裝置技術的發展，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、化工廠中許多生產裝置均具有易燃易爆的特點，為保證在任何情況下對生產裝置的正常操作和安全開停車，最經濟有效的方式是總圖規劃時將控制中心設置在遠離裝置爆炸區的范圍內。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，即對控制室進行抗爆設計，因此有關控制室的選址應該進行必要的技術經濟分析。有時當總圖布置受實際場地及諸多原因的影響，只能設置在距裝置較近的地方時，為保證生產裝置的正常操作，必須對控制中心建筑物進行抗爆設計。2 本工程控制室介紹本設計為某石化分公司儲運系統控制室，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-剪力墻結構，總建筑面積為593.55平方米。室內設置有控制室、機柜間，同時還設置有輔助設施。平面布局規整，整體外觀簡單大方，有利于整體結構的抗震、抗爆。目前國內還沒有專門針對控制室抗爆設計的標準和規范，有關石油化工控制室抗爆設計規范的編制工作正在進行。因此本設計以國外相關規范、標準為主要參考依據，結合國內相關標準及其它參考資料進行。3 爆炸荷載取值及組合抗爆建筑工程成本遠遠高于普通建筑，經統計，一般為普通框架結構建筑物的2.5至4倍。對于布置在裝置區域內的控制室，國外的做法是先由專業咨詢公司根據相鄰裝置在設計基準期內可能發生爆炸的概率、爆炸的類型及其可能產生的破壞特征等，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情況，作為該控制室抗爆設計的依據。由于國內尚無這樣的專業咨詢公司，也沒有相應的標準規范。根據行業標準石油化工控制室和自動分析器室設計規范6(sh30061999)，自控專業提供的有關抗爆結構的定義是“建筑物能夠承受在100英尺(折合3048米)以外裝置的爆炸(爆炸的能量相當于一噸的tnt炸藥)，發生中等程度的結構破壞，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：一是由裝置中的設備或壓力容器爆炸引起的；二是由大面積可燃氣體聚集，達到一定濃度時引起的爆炸，即蒸汽云爆炸理論vce(vapor cloud explosion)，vce是石化企業中最常見的爆炸形式。根據文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(美國石油保護協會)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。結合規范6的規定，綜合取ola推薦的第一種情況下的爆炸力作為本工程設計計算依據。爆炸與地震作用相似，也是一種偶然作用。根據建筑結構荷載規范(gb500092001)第3.2.6條規定：偶然荷載的代表值不乘分項系數，而且在荷載組合時，抗爆荷載不應與地震作用、風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 設計方案由于爆炸發生的復雜性和不確定性，設計時首先樹立概念設計重于結構計算的思想尤為重要。結合控制室的平面布置，將本工程設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置兩個安全出口，以提高人員疏散的可靠性。(2)在材料及設備的選用上以防火、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。室內玻璃隔斷選用金屬框架及安全玻璃。(3)采用框架-剪力墻結構型式。控制室外墻即為鋼筋混凝土剪力墻(墻厚度300或400rlam)，設置于框架外側，由其直接承受水平爆炸作用，將爆炸荷載傳遞至基礎。建筑物屋頂采用現澆鋼筋混凝土板，以傳遞外墻傳來的爆炸荷載。保證在爆炸發生時框架結構受損較小，整個結構處于非彈性狀態而不倒塌。(4)為減少水平爆炸力在基礎上產生過大彎矩，在室內地坪下適當位置(一般取活動地板下)設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件的計算長度，使構件內力減少；另一方面減少了基礎內力，也加強了控制室的整體性剛度。(5)在設計中除根據結構受力需要設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定性，通過設置鋼筋混凝土構造柱和圈粱的方法對墻體進行加強。柱與圈粱的設置構造可參考抗震結構規范但要嚴于該規范為宜。(6)對控制室整體結構的抗傾覆、抗滑移計算。一般來講，單層或寬度較大的多層控制室結構抗傾覆均可滿足要求；在滑移計算中應考慮的抗滑移荷載有上部爆炸荷載與豎向恒荷載(包括基礎及其上土重)所產生的摩擦力、地基土的被動土壓力，滑移荷載為水平爆炸作用。根據分析，水平爆炸作用力由于正面墻體的變形(消能)在進行滑移計算時可以乘以折減系數0.7。5 總結通過本設計，對抗爆結構總結如下：(1)控制室的房間布置不同，則其結構方案可能不同。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，豎向荷載應盡可能由單獨設置與剪力墻分開的鋼筋混凝土柱粱體系承受。(2)根據相關規范，控制室應按乙類建筑物設計。結合本工程抗震設防烈度為8度，則根據(建筑抗震規范)(gb500112001)，無論框架還是剪力墻其抗震等級均不應低于二級構造。(3)控制中心周邊裝置不同，控制室距裝置爆炸源距離不同，則應考慮的爆炸力不同。較為合理的做法是應針對具體情況進行控制室的安全評估。(4)牢固樹立概念設計重于結構設計的理念。(5)在結構設計中，爆炸等偶然荷載作用下應考慮結構材料強度的提高以及地基驗算時地基承載力提高。(6)在抗爆結構的抗滑移計算中，應充分考慮地基土的被動土壓力。若按一般基礎埋深無法滿足要求時，可通過加深基礎埋深和設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1 蔣津 控制室抗爆設計的沖擊波超壓 石油化工建筑設計 19992 design of blast resista