石化工程抗爆建筑物設(shè)計(jì)淺析

■ 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計(jì)分公司 崔戍

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，石油化工產(chǎn)品的需求日益增大。同時(shí)，隨著石化工藝的日益復(fù)雜、石化工程規(guī)模的日益擴(kuò)大，意外爆炸的風(fēng)險(xiǎn)也日益增加。爆炸不僅會(huì)摧毀石化工程建筑物，還會(huì)造成重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要對(duì)石化工程建筑物進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)，預(yù)防此類事件的發(fā)生。

1.石化工程建筑物抗爆設(shè)計(jì)的必要性

石油化工裝置儲(chǔ)存或加工易燃、易爆的烴類和其他燃料，如果發(fā)生泄露，很可能造成火災(zāi)或爆炸事故。雖然發(fā)生這類事件的概率較小，但是一旦發(fā)生，造成的后果將不堪設(shè)想，不僅包括人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，還極有可能影響公共安全。因此，石化工程建筑物應(yīng)能承受爆炸的影響，以保護(hù)室內(nèi)人員至少做到建筑物不應(yīng)給建筑內(nèi)的人員帶來(lái)更多的危險(xiǎn)。對(duì)于建筑物來(lái)說(shuō)，通常來(lái)自沖擊波的超壓是工藝裝置意外爆炸最具破壞性的特征。然而，除了爆炸的影響，這類事件可能導(dǎo)致火災(zāi)、飛濺物和地面震動(dòng)，還可能對(duì)建筑物及其內(nèi)部造成破壞。為保障建筑物內(nèi)人員和設(shè)備的安全，應(yīng)對(duì)處于爆炸影響范圍內(nèi)的建筑物根據(jù)《爆炸安全評(píng)估報(bào)告》確定的“爆炸超壓”進(jìn)行抗爆設(shè)計(jì)。

2.建筑物抗爆設(shè)計(jì)的目標(biāo)

建筑物抗爆設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是保障建筑物內(nèi)人員的安全、確保工藝裝置控制的關(guān)閉和減少經(jīng)濟(jì)損失。

抗爆設(shè)計(jì)為建筑物內(nèi)的人員提供的安全度，不應(yīng)小于發(fā)生爆炸時(shí)建筑物外的人員。以往石化工程爆炸事故的證據(jù)表明，許多人員死亡和嚴(yán)重受傷的原因在于由于建筑物倒塌砸到了建筑物內(nèi)的人身上所致。建筑物抗爆設(shè)計(jì)目的就是降低在爆炸發(fā)生時(shí)建筑物本身成為危險(xiǎn)源的可能性。

防止由于未涉及的工藝裝置失去控制而導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)事件，是防爆設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。一個(gè)工藝裝置的事故應(yīng)該不影響其他裝置的繼續(xù)安全運(yùn)行或有序關(guān)閉。

防止或盡量減少經(jīng)濟(jì)損失是抗爆的另一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。如果建筑物內(nèi)有商業(yè)資料、重要或必需的設(shè)備、昂貴和長(zhǎng)周期的設(shè)備，一旦被破壞，將會(huì)造成重大影響或經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)當(dāng)予以抗爆保護(hù)。

3.建筑物的抗爆設(shè)計(jì)原則

在爆炸動(dòng)荷載作用下，允許結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，是建筑物抗爆設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要原則。抗爆動(dòng)力分析的目的是要確定建筑物的變形，其變形的計(jì)算包括延性比、支座轉(zhuǎn)角的計(jì)算等。由于爆炸所產(chǎn)生沖擊波超壓的性質(zhì)和破壞力具有不確定性的特征，因此，在力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，抗爆設(shè)計(jì)過(guò)程中更應(yīng)該重視概念設(shè)計(jì)，從建筑布局、結(jié)構(gòu)選型、材料選擇，以及結(jié)構(gòu)的整體性、剛度、超靜定等多方面進(jìn)行綜合考慮。

4.建筑物的選址

石化工程建筑物平面位置的確定，需要考慮其危險(xiǎn)性、擴(kuò)建、間距等多種因素。建筑物選址時(shí)，應(yīng)考慮相鄰和附近的工藝操作的危險(xiǎn)性，以及涉及這些危險(xiǎn)的事故產(chǎn)生的后果。

建筑物的抗爆保護(hù)，可以通過(guò)與潛在危險(xiǎn)源保持足夠的安全距離或加固建筑物來(lái)實(shí)現(xiàn)。安全距離是抗爆保護(hù)的首選方式。

對(duì)建筑物進(jìn)行選址，應(yīng)考慮以下因素：

（1）建筑物的朝向應(yīng)使短邊朝向最可能發(fā)生爆炸的爆炸源；

（2）建筑物內(nèi)如果有不需要實(shí)際操作的人員，應(yīng)該盡可能地安排到較遠(yuǎn)的位置；

（3）建筑物的位置應(yīng)遠(yuǎn)離擁擠和封閉的區(qū)域，否則會(huì)增加爆炸的嚴(yán)重性；

（4）建筑物不應(yīng)位于釋放比空氣重的物質(zhì)的潛在釋放源的下坡；

（5）建筑物不應(yīng)位于潛在釋放源的下風(fēng)向；

（6）建筑物不應(yīng)位于易燃液體可能聚集的位置。

5.抗爆建筑的結(jié)構(gòu)類型

抗爆結(jié)構(gòu)最重要的特點(diǎn)是吸收爆炸能量而不會(huì)引起結(jié)構(gòu)整體的災(zāi)難性破壞。抗爆結(jié)構(gòu)中的建筑材料不僅要具有延性而且要具有強(qiáng)度。此外，在發(fā)生爆炸時(shí)，建筑物將承受爆炸荷載在一個(gè)方向產(chǎn)生的側(cè)向力。一個(gè)結(jié)構(gòu)具有的抗爆措施需包括其框架和基礎(chǔ)必須具有吸收較大的橫向載荷的能力，結(jié)構(gòu)構(gòu)件還必須具有足夠的變形能力。

對(duì)于抗爆建筑物，特別是臨近潛在爆炸源的建筑物，很可能在爆炸時(shí)受到相對(duì)較高的爆炸超壓和熱效應(yīng)。建筑物抗爆設(shè)計(jì)的重要目的就是使建筑物在爆炸荷載的作用下不發(fā)生脆性破壞，且應(yīng)具備良好的耐火性能，同時(shí)能夠滿足上述條件的結(jié)構(gòu)形式。采用以鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用，鋼筋混凝土常用于抗爆建筑物的外墻和屋頂，直接承受爆炸的影響。墻壁和屋頂應(yīng)設(shè)計(jì)成具有一定的延性以吸收爆炸能量，而不會(huì)將其傳遞給支撐構(gòu)件。建筑物采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，其受力體系的布置、外墻墻體構(gòu)造及厚度應(yīng)通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定。另外,預(yù)制的鋼結(jié)構(gòu)建筑物，如果設(shè)計(jì)合理，可以在距離爆炸危險(xiǎn)源適當(dāng)?shù)奈恢檬褂谩?/p>

6.抗爆建筑物概念設(shè)計(jì)

抗爆建筑物的平面和立面設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地“簡(jiǎn)潔”，避免凹角和偏移，否則容易造成爆炸載荷局部集中。建筑物的朝向應(yīng)盡量降低爆炸引起的荷載，這就要求建筑物面對(duì)最可能的爆炸源的面積應(yīng)該盡可能小。

抗爆建筑物的平面宜做成正方形或接近正方形的矩形。正方形建筑平面在矩形類平面中，整體剛度最大、爆炸荷載相對(duì)較小，且由于以最小的外表面面積圍合的室內(nèi)空間最大，故平面利用率較高、建筑能耗較低，可以有效降低工程成本。

抗爆建筑物的層數(shù)一般為地上一層。對(duì)建筑層數(shù)的限制既要考慮工程計(jì)算的復(fù)雜程度，還要考慮在滿足基本安全要求的前提下的工程成本問(wèn)題。與較高的結(jié)構(gòu)相比，較矮的建筑物所承受的爆炸載荷較低。

為了避免在工藝裝置爆炸狀態(tài)下非抗爆建筑物可能產(chǎn)生的碎塊阻塞控制室內(nèi)人員疏散通道的現(xiàn)象的發(fā)生，抗爆建筑物應(yīng)獨(dú)立設(shè)置，不得與非抗爆建筑物合建。

遇到工藝裝置爆炸時(shí)，建筑安全出口有可能被爆炸所產(chǎn)生的碎片阻塞，影響人員疏散。為了提高人員疏散的可靠性，抗爆建筑物至少應(yīng)在兩個(gè)方向設(shè)置安全出口，且不可直接面向有爆炸危險(xiǎn)的工藝裝置。

人員通道外門的室內(nèi)側(cè)，應(yīng)設(shè)置隔離前室。設(shè)置隔離前室可以有效地保持室內(nèi)的正壓環(huán)境，如果外門在爆炸荷載作用下?lián)p壞時(shí)，還可以成為第二道防護(hù)體系。

建筑物采取保溫的構(gòu)造措施，有利于減少溫差對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力。同時(shí)，普通變形縫的設(shè)置可能導(dǎo)致在建筑物整體抗爆體系中形成一個(gè)安全缺陷或隱患。因此，應(yīng)在抗爆建筑方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中共同采取措施，避免設(shè)置變形縫。

7.抗爆建筑物構(gòu)造措施

采取構(gòu)造措施，是為了減少爆炸時(shí)可能產(chǎn)生的次生災(zāi)害?？贡ㄖ锿獗砻娌粦?yīng)附著密度較大的裝配式建筑構(gòu)件，不得采用裝配式架空隔熱的構(gòu)造。女兒墻屬于懸臂構(gòu)造，應(yīng)由結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)爆炸力的特性進(jìn)行專門的驗(yàn)算，以確保在爆炸力的作用下因破壞產(chǎn)生碎塊飛濺傷人。女兒墻高度應(yīng)在滿足屋面泛水構(gòu)造要求的同時(shí)取最小值，采用鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)形式。

在發(fā)生爆炸時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系可能產(chǎn)生較大的變形，為了減少吊頂由于受到水平力沖擊而造成面板脫落傷人的現(xiàn)象，吊頂周邊與抗爆建筑物外墻之間應(yīng)設(shè)置變形縫，寬度不應(yīng)小于50mm。同時(shí)增加吊頂龍骨的剛度，吊頂面板選擇密度小的材料，減輕爆炸時(shí)可能產(chǎn)生的次生災(zāi)害。自重較大的燈具應(yīng)采用鋼筋吊桿直接將其固定在鋼筋混凝土屋面板上，防止燈具脫落，以免對(duì)人員造成傷害。

抗爆建筑物的開(kāi)孔包括進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口、電源和控制電纜。對(duì)于抗爆建筑，有必要在建筑物的開(kāi)口處提供保護(hù)措施。通過(guò)使用專用設(shè)備，電纜或管道周圍的環(huán)形空間可以實(shí)現(xiàn)完全密封。另外，也可以使用定制設(shè)計(jì)的封閉板。直徑大于150mm的進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口應(yīng)安裝與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)同等抗爆等級(jí)的抗爆閥?？贡y應(yīng)確保在建筑物外發(fā)生爆炸時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)外部空氣壓力恢復(fù)正常時(shí)自動(dòng)復(fù)位。

8.結(jié)語(yǔ)

石化工程建筑物的抗爆設(shè)計(jì)，直接關(guān)系人員及設(shè)備的安全、正常的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)效益，具有非常重要的意義。只有提高安全意識(shí)，重視建筑物的抗爆設(shè)計(jì)，才能保證石油化工生產(chǎn)的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展。