石油化工裝置控制室抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計

張娜

【摘 要】隨著我國社會經(jīng)濟的進(jìn)一步發(fā)展，石油化工類裝置逐漸朝著超大規(guī)?；c高度自動化、智能化的方向不斷改進(jìn)。從石油化工企業(yè)的生產(chǎn)特征層面而言，原材料、半成品與產(chǎn)成品多屬于易爆、易燃、有毒類物質(zhì)，且通常情況下在實際的生產(chǎn)過程中會伴隨著高壓與高溫等特殊條件，所以裝置出現(xiàn)爆炸風(fēng)險性較高。因此研究石油化工抗爆建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計有著重要的現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】石油化工裝置；控制室；抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、控制室抗爆概述

近年來，由于工藝生產(chǎn)裝置技術(shù)的發(fā)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(chǎn)裝置均具有易燃易爆的特點，為保證在任何情況下對生產(chǎn)裝置的正常操作和安全開停車，最經(jīng)濟有效的方式是總圖規(guī)劃時將控制中心設(shè)置在遠(yuǎn)離裝置爆炸區(qū)的范圍內(nèi)。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(yīng)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(jìn)行抗爆設(shè)計，因此有關(guān)控制室的選址應(yīng)該進(jìn)行必要的技術(shù)經(jīng)濟分析。有時當(dāng)總圖布置受實際場地及諸多原因的影響，只能設(shè)置在距裝置較近的地方時，為保證生產(chǎn)裝置的正常操作，必須對控制中心建筑物進(jìn)行抗爆設(shè)計。

二、抗爆建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計基礎(chǔ)

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容來看，爆炸荷載屬于偶然荷載，它是企業(yè)各部門按自身的專業(yè)特點、經(jīng)驗采用，且有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，在目前，我國還沒有制定相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但在石油行業(yè)卻有出臺相關(guān)的抗爆設(shè)計規(guī)范。爆炸荷載的特點是，在極短的時間內(nèi)爆炸值非常的大，但持續(xù)的時間段，只有幾毫秒左右，在空氣沖擊波傳播過程中強度衰減的很快。而且，爆炸荷載值的代表值是由空氣沖擊波-超壓函數(shù)和建筑物的形狀、建筑物的方位來確定的。按照國際慣例來看，爆炸荷載的計算主要是由爆炸的超壓力Pso及爆炸持續(xù)時間t0計算出來的，因此，工程師們可以根據(jù)計算所得的爆炸荷載代表值選擇合適的結(jié)構(gòu)并后進(jìn)行抗爆的設(shè)計

分析。

三、石油化工裝置抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

石油化工裝置爆炸通常以氣體爆炸形式出現(xiàn)，一旦裝置發(fā)生爆炸，就有爆炸產(chǎn)生的空氣波沖擊作用在控制室的外墻和屋面上，這就是爆炸動力作用。所謂抗爆設(shè)計，就是要使控制室的外墻和屋面能抵抗住這種作用，使控制室裂而不倒。控制室抗爆設(shè)計水準(zhǔn)是允許在爆炸事故后，結(jié)構(gòu)處于非彈性狀態(tài)而不至于倒塌。當(dāng)遭受一次爆炸荷載作用，可能局部損壞時，經(jīng)一般修理應(yīng)能繼續(xù)使用。在保證建筑物整體安全的同時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件必須具有足夠的變形能力。

（1）在爆炸動荷載作用下，允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。

（2）結(jié)構(gòu)本身的抗爆性能取決于結(jié)構(gòu)的最大變形，引起結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因是由于變形能力和耗能能力不足。抗爆動力分析的目的是要確定建筑物的變形，其變形計算包含延性比、支座轉(zhuǎn)角計算。

（3）由于裝置爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓性質(zhì)和破壞力具有不確定性的特征，因此，在力學(xué)計算的基礎(chǔ)上，抗爆設(shè)計過程中更應(yīng)該重視概念設(shè)計，從建筑布局、結(jié)構(gòu)選型等多方面綜合考慮。

（4）當(dāng)采用單層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)時，構(gòu)件呈現(xiàn)單自由度動力特征，其動力分析可近似采用單自由度體系動力分析方法。

四、抗爆建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

（一）建筑結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)形式

在石油化工建筑抗暴設(shè)計中，要達(dá)到的最重要的指標(biāo)就是，結(jié)構(gòu)在爆炸的作用力中不發(fā)生突然倒塌，同時要保證建筑物的整體安全性，且具備一定的吸收爆炸能量的能力。就需要，保證材料必須具有足夠的強度和延展性，普通的混泥土等脆性的材料就不實用。在爆炸的作用力下，建筑物受到的沖擊相當(dāng)大，所以要求結(jié)構(gòu)材料要有足夠的變形能力，現(xiàn)在普遍的認(rèn)為鋼筋混凝土是最經(jīng)濟合理的材料，特別是當(dāng)建筑物處于高壓和高熱的爆炸源附近時。

（二）荷載代表值同爆炸波的關(guān)系

在石油化工抗爆建筑中，主要承受的爆炸有：蒸汽云爆炸、壓力容器爆炸、濃縮相爆炸、粉塵爆炸。最主要的特征就是壓縮能量突然釋放，形成短時的壓力增長現(xiàn)象，然后爆產(chǎn)生的超壓傳遞到建筑物上形成爆炸荷載。由于建筑物離爆炸源的距離不同，受到的爆炸作用力也不同，一般情況下，離爆炸源近的受到?jīng)_擊波，離爆炸源遠(yuǎn)的受壓力波。

（三）建筑物材料的標(biāo)準(zhǔn)和強度

通常的情況下，在爆炸中建筑材料變形速度越快，那么建筑材料的強度就是越強的。建筑材料強度的大小，會使建筑結(jié)構(gòu)動力承受爆炸作用力的能力增加10%-30%之間。建筑材料在爆炸的影響下發(fā)生的強化效應(yīng)，可以提高建筑物的抗爆性能，從而提高吸收爆炸能量的能力。在實際的爆炸受力中，材料的平均強度會超過相關(guān)的規(guī)范要求。

五、抗爆設(shè)計實例分析

（一）工程概況

某石化項目控制室，建筑平面尺寸為10.0m×29.4m，建筑總高度為5.5m，單層框架，結(jié)構(gòu)外部配置抗爆墻及抗爆屋頂，均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件盡量均勻布置，避免結(jié)構(gòu)剛度不規(guī)則。抗爆設(shè)計按照動力反應(yīng)的等效靜力計算方法進(jìn)行計算，以控制室前墻為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗爆分析和設(shè)計。

（二）抗爆建筑物結(jié)構(gòu)形式及傳力路徑

（1）抗爆建筑物結(jié)構(gòu)形式

對于承受爆炸荷載的建筑物，一般要求平面為矩形，立面盡量簡單，層數(shù)為單層，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為經(jīng)濟單層整體鋼筋混凝土箱形建筑，且?guī)Ъ袅?。因此，設(shè)計建筑物外圍墻體是將鋼筋混凝土剪力墻作為抗爆墻，外墻包圍的中間為豎向承重的框架結(jié)構(gòu)。

（2）抗爆結(jié)構(gòu)的傳力路徑

矩形平面在沖擊波荷載作用下傳力路徑明確，它的傳力路徑是正面面對爆炸荷載墻（前墻），把受到的爆炸荷載傳給屋面板和基礎(chǔ)，屋面板把受到的荷載傳遞給剪力墻，剪力墻把荷載傳給基礎(chǔ)。爆炸能量通過結(jié)構(gòu)的彈性變形，將沒有被結(jié)構(gòu)吸收的爆炸能量部分傳至基礎(chǔ)?？贡Y(jié)構(gòu)設(shè)計中只限于外圍結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接承受爆炸動荷載作用，對內(nèi)墻、與外圍結(jié)構(gòu)脫開的柱及中間樓板等一般不考慮由于結(jié)構(gòu)振動引起的動力作用，僅在構(gòu)造上予以適當(dāng)加強。在設(shè)計過程中，通常是根據(jù)荷載的傳力途徑，逐個構(gòu)件進(jìn)行分析?？贡Y(jié)構(gòu)的傳力路徑如圖3所示。

（三）抗爆設(shè)計參數(shù)計算

該項目由于業(yè)主未能提供爆炸安全分析報告，根據(jù)GB50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范取沖擊波峰值入射超壓最大值Ps0=21kPa，正壓作用時間td=100ms，爆炸沖擊波形時間為零至正壓作用時間，峰值入射超壓從最大到零的三角形分布。峰值反射壓力：Pr=（2+0.073Ps0）×Ps0=45.2kPa。峰值動壓：q0≈0.0032P2s0=1.4kPa。停滯壓力：Ps=Ps0+Cdq0=22.4kPa。其中，Cd為阻力系數(shù)，對于封閉矩形建筑物，前墻的阻力系數(shù)取1.0。波速：U=345×（1+0.0083Ps0）0.5=373.9m/s。反射壓持續(xù)時間：tc=3S/U=0.041s

（四）抗爆墻承載力計算

抗爆設(shè)計時允許墻板兩端出現(xiàn)塑性鉸，按照底部簡支在剛性地坪處，上部簡支在屋面板處的受彎構(gòu)件考慮，如圖4所示。取1m寬板帶計算，則1m板寬As=1695mm2。

鋼筋動力設(shè)計強度：fdy=γsif·γdif·fyk=1.1×1.7×400=514.8MPa。

混凝土動力強度設(shè)計值：fdc=γsif·γdif·f'ck=1.1×1.19×20.1=24MPa。

極限抗彎承載力：MPc=α1fdcbx（h0-x/2）=198.9kN·m。

單位板寬的墻板能承受的均布壓力：P=8MPc/L2=52.6kPa。

（五）抗爆墻動力計算

1）計算構(gòu)件截面平均慣性矩?；炷翗?gòu)件對形心軸的毛截面慣性矩（不考慮鋼筋影響）為：Ig=bh3/12=1.3×109mm4?；炷灵_裂截面慣性矩為：Icr=bc3/3+nAs（d-c）2=0.41×109mm4。其中，b為截面寬度，取1000mm；d為截面高度，取250mm；。

構(gòu)件截面平均慣性矩：Ia=0.5（Ig+Icr）=0.86×109mm4。

2）計算質(zhì)點震動周期。根據(jù)GB50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范附錄B表B.0.1-1取彈塑性狀態(tài)分析有：

荷載傳遞系數(shù)：KL=0.57。

質(zhì)量傳遞系數(shù)：Km=0.42。

構(gòu)件剛度：k=384EcIa/（5L3）=1.19×107N/m。

等效質(zhì)量：Me=Km·m=0.42×1×0.25×5.5×25=14.4kN。

質(zhì)點振動周期：。

3）延性比和彈塑性轉(zhuǎn)角驗算。

a.延性比驗算。根據(jù)以上計算結(jié)果，查GB50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范附錄A圖A.0.2，注意到圖中Ru/P應(yīng)取P/Pr=52.6/45.2=1.16，Td/TN應(yīng)取te/TN=0.07/0.28=0.25，可得到構(gòu)件延性比為0.6，不大于3.0，滿足規(guī)范GB50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范表5.6.3要求。

b.彈塑性轉(zhuǎn)角驗算。爆炸火災(zāi)作用下板墻跨中變形：

。結(jié)構(gòu)彈塑性轉(zhuǎn)角：θ=arctan（2Δ/L）=0.44°。轉(zhuǎn)角不大于2°，滿足規(guī)范GB50779—2012石油化工控制室抗爆設(shè)計規(guī)范表5.6.4要求。

結(jié)語：在抗爆結(jié)構(gòu)設(shè)計中，允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)本身的抗爆性能取決于結(jié)構(gòu)的最大變形。同時，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計中，爆炸荷載作用下，應(yīng)考慮提高結(jié)構(gòu)材料強度，材料強度的設(shè)計值應(yīng)用材料的動力強度代替?？贡O(shè)計設(shè)計因素復(fù)雜，設(shè)計要以概念設(shè)計為主。加強構(gòu)造措施，使結(jié)構(gòu)裂而不倒，從而保證控制室內(nèi)生產(chǎn)人員的安全。

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