石油化工控制室抗爆设计规范在工程中的应用

《石油化工控制室抗爆设计规范》SH/T3160-2009在工程中的应用2012年3月30日目录国标报批稿的主要变化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》的定位抗爆结构设计问题的提出抗爆结构设计3抗爆结构设计问题的提出炼油及化工厂中许多生产装置均具有易燃、易爆的特性，随着石油化工工艺变得越来越复杂，装置的尺寸也在加大，从而也大大增加了发生爆炸事故的风险。爆炸事故不仅毁坏了装置建构筑物，而且在有些案例中还造成人员伤亡和经济损失。做为最重要的生产环节之一的控制系统，在石油加工的过程中，面临着易燃、易爆的生产环境，必须能够为操作人员和控制设备提供足够的保护措施，以便在发生灾害时能够采取应急措施，抑制灾害的蔓延，避免发生次生灾害。为了达到上述目的，集中控制室本身必须具备一定的承受装置爆炸的能力而不被爆炸首先摧毁，同时控制室内的操作人员也得到保护。。本规范与SH3006-1999《石油化工控制室和自动分析器室设计规范》提出的在“存在爆炸危险性的炼油、石油化工、化纤等工艺装置”中的“中央控制室建筑物”应采用“抗爆结构设计”相对应，是一本独立编制的建筑结构设计规范。4《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。5《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。6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向所有方向向外传播。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。7爆炸荷载取值问题人体直接暴露于爆炸超压可能受到的损害情况1bar=100kPa来源：LossPreventionintheProcessIndustries,FrankPlees,Vol.2,2ndEdition生命威胁3致命的身体受损0.76严重的肺部受损0.7致命的脑部受损0.55耳膜受损0.35安全0.02人体受害程度压力(bar)8爆炸荷载取值问题破坏了标准住宅木板的牢固,导致木板被吹掉破坏了波纹状的钢或铝板的牢固,它们跟着被弯曲波纹状的石棉被粉碎0.069-0.138房屋部分毁坏，无法居住0.069对房屋的结构造成较小的破坏0.048大小窗户通常会被粉碎0.034-0.069有限的较小结构损坏0.028“安全距离”（有0.95的可能性，超过这个值就不会造成严重的破坏）发射物限度对房屋的天花板造成一些破坏，10%的窗户玻璃破碎0.021典型玻璃破碎的压力0.01震破受压的小窗户0.007高噪音(143dB)，声音震破玻璃0.003偶尔震破受压的大玻璃窗户0.002讨厌的噪音(137dB)，低频(10-15Hz)0.001设施破坏程度压力(bar)9爆炸荷载取值问题轻工业厂房的复合钢结构破裂0.276储油罐破裂无结构的钢板建筑物被破坏0.207-0.276钢结构的建设物被扭曲并脱离地基工厂厂房里的大型机器(3000lb)遭到少许的损坏0.207砖砌的房屋受到50%的破坏0.172严重结构损坏的最低限度0.159没有加固的混凝土或空心砖的墙壁被粉碎0.138-0.207房屋墙和屋顶部分坍塌0.138造成建设物架的钢结构轻微地扭曲0.09设施破坏程度压力(bar)10爆炸荷载取值问题弹坑边的极限20.68特大机床(12,000lb)幸免大型机床(7000lb)被移动并遭严重损坏房屋可能完全损坏0.689装货的货车车箱完全被毁坏0.621没有被加固、8-12厚的砖块因扭曲/弯曲而失效0.483-0.552装货的货车箱倾覆0.483房屋几乎完全被毁坏0.345-0.483在建筑物里的大型水压机(40,000lb)轻微损坏木杆被折断0.345设施破坏程度压力(bar)11爆炸荷载取值问题爆炸超压对受到冲击的部分炼油设施的影响（Stepgens1970年）裂化反应器倒0.82再生器倒0.51管架框架倒塌、管线破裂0.41再生器框架变形0.37加热炉翻倒\破坏0.34裂化反应器电线切断；管架框架变形0.24再生器电线切断0.20加热炉结构移动、管线破裂0.17破坏程度压力(bar)12爆炸荷载取值问题超压值及不同建筑形式的反应:（见APIRP*752）Totaldestruction完全坍塌。3.0psi(20.7kPa)Completecollapse完全倒塌。1.5psi(10.4kPa)Wallsandroofpartiallycollapse墙体及屋面部分毁坏。1.25psi(8.6kPa)Partialcollapseofwallsthathavenobreakablewindows没有易碎窗户的墙体部分倒塌1.0psi(6.9kPa)Unreinforcedmasonrybearingwallbuilding未配筋砌体墙建筑物Totaldestruction全部毁坏5.0psi(34.5kPa)Buildingframestands,butcladdingandinternalwallsaredestroyedasframedistorts建筑物框架存在但有变形，维护结构及内部墙体毁坏。2.5psi(17.3kPa)Sheetingrippedoffandinternalwallsdamaged.Dangerfromfallingobjects维护结构板材被撕裂，内部墙体毁坏。存在坠落物造成的危险。1.5psi(10.4kPa)Steel-frame/metalsidingpre-engineeredbuilding钢框架/金属维护预制结构建筑物Totaldestruction全部毁坏5.0psi(34.5kPa)Completecollapse完全倒塌2.0psi(13.8kPa)Isolatedbuildingsoverturn.Roofsandwallscollapse.独立的建筑物倾覆，屋面及墙体倒塌1.0psi(6.9kPa)Wood-frametrailerorshack木框架活动房、棚屋建筑物的响应峰值超压(psi)建筑物类型13爆炸荷载取值问题Totaldestruction建筑物完全坍塌12.0psi(82.8kPa)Buildinghasmajordamageandcollapses建筑物主要构件破坏、倒塌6.0psi(41.4kPa)Roofandwalldeflectunderloading.Internalwallsdamaged在荷载作用下屋面及墙体变形，内部墙体破坏4.0psi(27.6kPa)Reinforcedconcreteormasonryshearwallbuilding钢筋混凝土或配筋砌体剪力墙建筑Totaldestruction完全坍塌5.0psi(34.5kPa)Completeframecollapse整个框架倒塌2.5psi(17.3kPa)Roofslabcollapses屋面板倒塌2.0psi(13.8kPa)Wallsblowin墙体被吹进1.5psi(10.4kPa)Steelorconcreteframew/unreinforcedmasonryinfillorcladding钢结构或混凝土框架，未配筋砌体填充墙或未配筋屋面。建筑物的响应峰值超压(psi)建筑物类型由以上数据可以看出，每一种类型的建筑物都具有一定的抗爆等级，而提供一个绝对的抗爆等级是不现实的。换句话说，设计基础被突破的可能性总是存在的。14爆炸荷载取值问题爆炸冲击波产生的超压值对于各生产企业、各种不同的工艺和现场都是不同的，即使在一套装置内，位置不同，所产生的爆炸冲击波超压也不同。因此，量化一个统一的最小或最大爆炸冲击波产生的超压值是不切合实际的。一项在美国行业内对某些生产企业和承包商抗爆设计的实际调查情况显示，在抗爆设计时考虑的建筑物距离气云爆炸危险的距离为50至1200英尺(15至365米)。但是，大多数行业标准规定建筑物距离爆炸危险在100至400英尺(30至120米)范围。规定的抗爆载荷根据装置的形式、空间以及所承受的不同的爆炸量化不同而变化。通常，间隔距离越大，受到的超压和冲击越小，但是，爆炸载荷的持续时间越长。15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目前正在改编的《石油化工控制室和自动分析器室设计规范》已经将相关问题提出，指出建筑物是否抗爆应由安全评估确定，而不是自控专业确定。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。16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