石油化工控制室抗爆设计规范GB50779-XXXX在工程中的应用

1中石化洛阳工程有限公司《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012在工程中的应用2013年7月2中石化洛阳工程有限公司目录国标与行标相比的主要变化抗爆结构设计抗爆结构设计中的基本概念爆炸荷载取值问题《石油化工控制室抗爆设计规范》的定位动力分析方法3中石化洛阳工程有限公司《石油化工控制室抗爆设计规范》的定位《石油化工控制室抗爆设计规范》解决的是在主体专业提出建筑物的抗爆要求之后，建筑、结构、采通专业如何做抗爆设计，规定了总平面布置、建筑设计、结构设计、通风与空调等几方面的内容，是一本独立编制的建筑结构设计规范。按照本规范进行设计的控制室，当遭受相当于设计取定的爆炸荷载作用时，可能局部损坏，但经一般修理应可以继续使用。4中石化洛阳工程有限公司《石油化工控制室抗爆设计规范》的定位本规范编制中参考的主要文献：1）DesignofBlastResistantBuildingsinPetrochemicalFacilities石油化工行业建筑抗爆设计，由美国土木工程师协会能源部石油化工委员会抗爆设计任务委员会编制,ASCE美国土木工程师协会出版2）StructurestoResisttheEffectsofAccidentalExplosions（TM5-1300）抗偶然爆炸结构（设计手册）3）ASCEManual42美国抵抗核爆炸建筑物设计规范4）SitingandConstructionofNewControlHousesforChemicalManufacturingPlants,(SG-22),ChemicalManufacturingAssociation.化工生产协会的《化工生产装置新建控制室的现场布置和施工》5）CodeRequirmentsforNuclearSafetyRelatedConcreteStructures(ACI349-01)核安全相关混凝土结构规范6）ProcessPlantHarzardandControlBuildingDesign（CIA1992），ChemicalIndustriesAssociation化学工业协会出版的《工艺装置危险性分析及控制室设计,7）《人民防空工程设计规范》GB502258）《人民防空地下室设计规范》GB500389）一些国际知名工程公司的相关标准等。5中石化洛阳工程有限公司爆炸荷载取值问题石油化工行业中的爆炸可分为四个基本形式：1)气云爆炸;2)压力容器爆炸;3)凝液相爆炸;4)粉尘爆炸。尽管爆炸形式有各种各样，但是，气云爆炸在石油化工行业中是需要首要考虑关注的。对于抗爆设计，最为重要的爆炸特性是向大气中瞬间释放的能量，导致压力瞬变，或导致爆炸冲击波。爆炸冲击波以超声波或声波速度由爆炸源沿所有方向向外传播。爆炸冲击波的量级和形态取决于能量释放的特性和距爆炸中心的距离。6中石化洛阳工程有限公司爆炸荷载取值问题z在国外，一般由业主提供爆炸冲击波荷载。该参数需由业主的保险提供者或相关专业咨询公司根据石油化工装置性质（包含的工艺方案、物料性质等）及平面布置等因素通过计算机程序模拟，进行综合评估确定。当前已建的很多合资项目也都进行了专项爆炸危险性评估。评估结论中冲击波荷载参数的确定，将直接涉及建筑工程成本并对建筑物的平面布置、结构形式和规模形成制约。z不管采用何种方法确定设计爆炸荷载，在详细设计前该数值都应该得到业主的确认。7中石化洛阳工程有限公司爆炸荷载取值问题目前，国内尚无国家、行业层面强制性的法律、法规要求进行爆炸危险性评估。在本规范的编制过程中，对于抗爆建筑物设计输入最为关键性数据-爆炸荷载的取值，是否列入本规范一直争议很大。但基于国内石油化工装置设计的现状，主要从规范的可操作性方面考虑，在定稿的《石油化工控制室抗爆设计规范》国标、行标中均给出了未进行评估时的荷载取值参考值，具体如下（参考ASCEmanual及SG-22）：a.峰值超压3psi(21kPa)，作用时间100ms;它近似相当于直径60m，高4m包含6%乙烷的气体爆炸，距中心距离75m处产生的冲击波超压。b.峰值超压10psi(69kPa)，作用时间20ms;这大概相当于一个球体在自由空气中爆炸1UStonTNT在距中心距离30.5m(100ft)处所产生的冲击波超压。一般情况下，控制室抗爆只考虑气云爆炸，即第一种荷载的情况，而对于像压力设备爆炸、液体爆炸等的影响一般不予考虑。随着国家法律法规制度的健全，人们安全意识的不断提高，在后续规范升版过程中，现行规范给出未进行评估时的荷载取值参考值的做法必将取消，而直接采用各项目爆炸危险性评估报告的结论。8中石化洛阳工程有限公司爆炸荷载取值问题某石油化工项目，对应业主标准《项目HSE风险可接受标准》SDEP-SPT-SH2006中1X10-4/年累积概率的灾难事故情况下，建筑物爆炸危险性评估的结论如右表所示。从表中可以看出，规范推荐的数值对有的建筑物偏大（过于保守），对有的建筑物却偏小（不安全）。1bar=100kPa140xx联合装置外操室12315xx联合装置外操室11105xx联合装置外操室10210xx联合装置外操室920厂区仓库8140xx装置区分析小屋37315xx装置区分析小屋26315xx装置区分析小屋1520维修站470中心化验室及环保监测中心370中心控制室230综合办公楼1建筑物爆炸超压设计值不低于(mbar)建筑物名称序号9中石化洛阳工程有限公司抗爆结构设计中的基本概念•冲击波超压：术语：呈法向作用于冲击波包围物体的各个表面的在冲击波压缩区内超过周围大气压的压力值。该压力值是气体被压缩后产生的压力，它不具有方向性，处于被冲击波包围的物体，不论冲击波的传播方向如何，超压总是呈法向作用在物体各个表面。通常都将其简化为典型的按照直线规律变化的荷载。•动压：术语：冲击波在空气中传播时，由于冲击波内的气体分子有很大的运动速度，因而产生的类似风压一样具有明确的方向性的作用。动压的作用机理类似风压，但这是一股高速运动，有被压密了的气流，其强度可比飓风大千百倍。动压的变化规律与超压相似，都是随时间变化的压力，波阵面上具有最大动压。动压值（一般指动压最大值）取决于超压值，具有明确的方向性。只有当地面上的物体阻碍空气质点的高速运动时，物体除了受到超压作用外，还将受到动压作用。10中石化洛阳工程有限公司抗爆结构设计中的基本概念•爆炸冲击波的传播：当一个爆炸冲击波冲击一个建筑物时，该建筑物将承受冲击波超压和爆炸冲击波的阻力。爆炸冲击波和结构间的交互作用非常复杂，参见右图所示。该图显示了爆炸冲击波由左向右水平移动的情况。但是，根据有关建筑物现场布置存在的爆炸危险位置隐患，爆炸可从任何方向冲击建筑物，并且，如果爆炸源来自上方，可能从上方倾斜向下冲击建筑物。11中石化洛阳工程有限公司抗爆结构设计中的基本概念12中石化洛阳工程有限公司建筑物抗爆设计建筑物抗爆设计原则•在爆炸动荷载作用下,允许结构构件进入弹塑性状态。•抗爆动力分析的目的是要确定建筑物的变形，其变形的计算包含延性比、支座转角的计算。•由于装置爆炸所产生的冲击波超压其性质和破坏力具有不确定性的特征，因此在力学计算的基础上，抗爆设计过程中更应该重视概念设计，从建筑布局、结构选型、材料选择、结构的整体性、刚度、超静定等多方面综合考虑。13中石化洛阳工程有限公司建筑物抗爆设计建筑物层数问题：在本标准编制过程中，所有参考的美国标准、手册，以及一些国际知名工程公司的抗爆建筑物相关设计标准中均指出，在石油化工设施中抗爆结构最为常用的形式是钢筋混凝土单层矩形建筑物。通常，一旦确定了建筑物的体积，抗爆的成本随建筑物高度增加而增加。与较高的结构相比，较矮的建筑物所承受的爆炸载荷较低，以及遭受较低的倾覆作用。因此，建议建筑物抗爆结构不要超过两层。同时，抗爆建筑物的平面和立面图应力求“干净、简洁”，避免凹凸，以避免在这些地方局部聚集较高的爆炸载荷。在《石油化工控制室设计规范》SH/T3006-2012中明确：控制室建筑物为抗爆结构时宜为一层，不应超过两层。《石油化工控制室抗爆设计规范》GB50779-2012规定：抗爆控制室建筑平面宜为矩形，层数宜为一层。目前，国内的控制室最多做到了两层，且总高度尽量控制在10m左右。14中石化洛阳工程有限公司业主规定和标准建筑物要求：重要程度、位置、布置、场地情况等爆炸危害性分析标准做法选址分析新的建筑物现有建筑物空旷场地爆炸参数建筑物功能要求构件荷载取值选择材料和结构体系材料特性初步假定构件尺寸变形限值分析方法等效静态7109865432111SDOFMDOF结构分析变形极限计算结果是否满意？12基础设计附属物设计构造和详细设计文件131415不满意满意业主负责设计工程师负责业主规定和标准建筑物要求：重要程度、位置、布置、场地情况等爆炸危害性分析标准做法选址分析新的建筑物现有建筑物空旷场地爆炸参数建筑物功能要求构件荷载取值选择材料和结构体系材料特性初步假定构件尺寸变形限值分析方法等效静态7109865432111SDOFMDOF结构分析变形极限计算结果是否满意？12基础设计附属物设计构造和详细设计文件131415不满意满意业主负责设计工程师负责建筑物抗爆设计15中石化洛阳工程有限公司（一）收集设计基本资料：了解建筑物在总平面的布置及方位，建筑资料、设计基本条件、爆炸危害性报告提供的爆炸荷载取值。（二）设计简图：–对于封闭建筑物，爆炸载荷主要作用于外墙和屋顶，并通过各个结构构件传至基础。爆炸能量通过结构的弹性变形，更为重要的是结构的塑性变形而被吸收。没有被结构吸收的爆炸能量部分传至基础。–抗爆结构设计中只限于外围结构构件直接承受爆炸动荷载作用，对内墙、与外围结构脱开的柱及中间楼板等一般不考虑由于结构振动引起的动力作用，仅在构造上予以适当加强（规范条文5.7.4）。–在设计过程中，通常的做法是根据荷载的传递途径，逐个构件进行分析。建筑物抗爆设计16中石化洛阳工程有限公司建筑物抗爆设计17中石化洛阳工程有限公司建筑物抗爆设计（三）爆炸荷载分析1.给出建筑物的体型特征参数；2.根据评估报告提供的超压Pso及作用时间td，按照规范给出的公式计算爆炸冲击波参数，即波速、峰值动压、波长。(规范公式5.3.2-1~5.3.2-3)18中石化洛阳工程有限公司3.计算作用在建筑物上的爆炸荷载：•前墙：峰值反射压力Pr，前墙正压等效作用时间te(规范公式5.4.2-1~5.4.2-5)•侧墙及屋面：有效冲击波超压Pa，有效冲击波超压升压时间tr•(规范公式5.4.3-1~5.4.3-2)•后墙：有效冲击波超压Pb、冲击波到达后墙时间ta、有效冲击波超压升压时间trb(规范公式5.4.3-1~5.4.3-2)建筑物抗爆设计19中石化洛阳工程有限公司（四）材料的选择：（五）抗爆构件的试算1.设定外墙参数：2.前墙核算：3.侧墙核算:4.后墙核算:5.屋面板的计算：6.框架梁、柱及次梁计算：注意：外墙设计时应尽量接近容许延性和转角的限值，以便减少对支撑构件的荷载传递。建筑物抗爆设计20中石化洛阳工程有限公司（六）基础设计：1.建筑物抗倾覆验算；2.建筑物滑移验算；3.地基承载力验算建筑物抗爆设计21中石化洛阳工程有限公司国标与行标相比的主要变化1.基本规定：SH/T3160-2009规定：6.1.1按照本规范进行设计的控制室，当遭受相当于设计取定的爆炸荷载作用时，可能局部损坏，但经一般修理应可以继续使用。GB50779-2012规定：3.0.2按本规范进行设计的控制室，当遭受一次爆炸荷载作用时，可能局部损坏，但经一般修理应能继续使用。本条强调了按照本规范设计的建筑物不考虑承受连续多次爆炸的情况。22中石化洛阳工程有限公司国标与行标相比的主要变化2.电缆进线洞口的要求：1)SH/T3160-2009中规定：5.1.8室外电缆进入室内应采用电缆沟进线的方式（构造参见附录C），基础墙体洞口采用防火材料封闭，沟内充砂。不得在室内地面以上的外墙上开设电缆进线洞口。2）GB50779-2012规定：4.1.6