人員集中場所石化建筑抗爆改造技術研究進展

顧 蒙，黨文義，凌曉東，盧 衛(wèi)

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

石油化工裝置所涉及的物料大多為易燃易爆的烴類液體和氣體，一旦泄漏可能發(fā)生蒸氣云爆炸，會造成極大的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1，2]。但在我國石化領域，只有少數(shù)新建化工企業(yè)或裝置考慮了人員占用場所的抗爆安全設計，部分中央控制室或裝置控制室采用了抗爆控制室設計，大部分距離生產(chǎn)裝置較近的人員占用建筑物，只考慮了防火要求，很難滿足安全生產(chǎn)的新要求。此外，建筑物用途改變，生產(chǎn)工藝改變[3]，人員集中場所擴建，防恐風險評估[4]，或者過程危險分析中發(fā)現(xiàn)了可能存在問題，都會要求對現(xiàn)有石化建筑物進行加固改造。需選用合理的抗爆改造方法，既保證項目的可施工性、經(jīng)濟合理性，又將風險控制在可接受的范圍內(nèi)。

1 石化建筑物抗爆改造評估

在對現(xiàn)有建筑物進行加固改造之前，需對建筑物抗爆能力進行評估，建筑物抗爆改造研究通常包括風險識別與量化、建筑物分類、破壞評估和減輕破壞4個步驟[5]。

1.1 風險識別與量化

確定可能發(fā)生爆炸的區(qū)域與爆炸規(guī)模大小，預測建筑物爆炸超壓。

1.2 石化建筑物分類

為提高評估過程效率，并將重點工作放在加固改造上，石化建筑物被分為以下類別。

A類：不需要進行抗爆改造的建筑。該類建筑物爆炸超壓低于最低抗爆改造要求。不同公司由于建筑水平、爆炸預測壓力、可接受風險等級、經(jīng)營要求的不同，對于最低爆炸超壓的設定不同。如果沒有更好的參考，可設定一般建筑物最低爆炸超壓為6.9 kPa(不適用于可移動建筑，未加固砌體建筑)。

B類：需要進行改造，且改造后滿足要求的建筑。需要進一步分析，確定合理的改造方案以滿足抗爆要求。

C類：難以進行有效改造的建筑。若爆炸超壓大于45 kPa，一般很難進行有效的常規(guī)改造。這種情況下，需對建筑物拆除重建，或者在建筑物周圍新建抗爆保護殼，保護現(xiàn)有建筑。

1.3 破壞評估

對于需要進一步評估的建筑，進行完整的工程評估，確定爆炸對建筑物每個構件的破壞程度及后果。

1.4 減輕破壞

對建筑進行抗爆加固改造，將風險控制在可接受的范圍內(nèi)。

2 石化建筑物抗爆加固改造

石化建筑物抗爆改造可能受到許多限制因素的影響，使得它的加固設計、施工等均要比新建建筑結(jié)構復雜[6]。通?；诒ㄝd荷、現(xiàn)有石化建筑物結(jié)構特征、改造成本、加固施工對周圍環(huán)境的影響和建筑物使用功能需求等對現(xiàn)有石化建筑進行加固設計。

2.1 結(jié)構連接處加固

如果不需要拆除現(xiàn)有的內(nèi)墻和設備，并且改造后足以抵御爆炸載荷，那么加強結(jié)構連接是對現(xiàn)有建筑最有效的改造。這種改造適用于對于爆炸荷載具有足夠抗彎能力，但抗爆能力因其連接條件而受到限制的結(jié)構。一種典型的剪力連接是由一個帶有兩個螺栓的剪切板組成的。當爆炸載荷作用于梁時，連接可能由于螺栓損壞、剪切板破壞而失效。這種類型的連接改造可以是將剪切板焊接在梁上，使用高強度的螺栓代替低強度螺栓，螺栓孔也可以擴大以安裝大直徑螺栓。

2.2 框架結(jié)構加固

框架結(jié)構可以通過增加截面來加固。例如，外包型鋼加固法、黏鋼加固法，新增部分與原構件組合成一個整體共同工作，可有效地提高構件承載力和剛度，改善構件的安全性能[7]。鋼框架構件還可以通過增加橫向支撐來改造，以減少有效框架構件跨度，并將彎矩承載力傳遞到一個橫向簡支上，見圖1。對于混凝土梁柱，還通過增配鋼筋加固，該方法不僅可以提高構件的抗彎和抗剪能力，而且可用以修復已損傷的混凝土構件截面，使之提高其耐久性能[8]。

圖1 混凝土梁柱增配鋼筋加固

2.3 砌體墻加固

許多石化建筑中包括砌體墻，砌體結(jié)構缺乏延展性，抗剪、抗拉、抗彎強度較低[9]，具有較低抗爆能力。目前有許多方法可以加固磚墻，以增加它們的抗爆能力，包括許多已經(jīng)被開發(fā)用來抵抗炸彈爆炸荷載的方法。然而，通常只有少數(shù)的這些改造方法是適用于工業(yè)爆炸，因為工業(yè)爆炸載荷正壓作用時間通常遠大于TNT炸藥正壓作用時間[10]。常見的用于工業(yè)爆炸中墻體的抗爆改造方法包括：將垂直鋼柱安裝在墻壁上、鋼筋混凝土外加層加固、將高強度纖維增強材料粘合到墻面上以及噴涂抗爆涂層[3]。

綜上所述，隨著電力數(shù)據(jù)的激增，數(shù)據(jù)收集、存儲以及整理等工作的任務量也越來越大，而處理這些海量數(shù)據(jù)也給電網(wǎng)規(guī)劃體系建設帶來了新的挑戰(zhàn)。為此，我們需要對大數(shù)據(jù)時代下新型電網(wǎng)規(guī)劃體系存在的問題進行分析，并全面分析新型電網(wǎng)規(guī)劃體系的構架、數(shù)據(jù)獲取方式以及非結(jié)構化數(shù)據(jù)在電網(wǎng)規(guī)劃體系中的應用等內(nèi)容，以不斷完善電網(wǎng)規(guī)劃體系，促進電力行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

2.3.1鋼柱加固改造

與其它大多數(shù)的改造相比，在砌體墻上安裝鋼柱需要占用的空間最小。鋼柱可以安裝在墻壁的內(nèi)部或外部。如圖2所示，放置在建筑物外部可以避免影響室內(nèi)設備及建筑物正常使用。垂直鋼柱加固改造可以設計成非常高的抗爆能力，這取決于柱子的大小和間距。這些柱子能抵抗在向內(nèi)和回彈階段時的沖擊載荷作用，還可以用來抵抗來自防爆門窗的反作用力。

2.3.2鋼筋混凝土外加層加固

在原墻體表面疊澆鋼筋混凝土加固層，使新墻體和現(xiàn)有墻體之間形成復合作用，以增加整體壁厚及抗彎、抗剪能力。如果要求的厚度增加有限，并且增加的墻壁重量不需要修改現(xiàn)有的地基，這種改造是可行的。

2.3.3粘貼纖維復合材料加固

纖維增強復合材料根據(jù)纖維材料材質(zhì)的不同可分為:碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)[11]。纖維復合材料具有強度高、剛度大、優(yōu)異的耐腐蝕、抗疲勞性能的優(yōu)點。纖維復合材料及其粘貼方式分別如圖3、圖4所示。粘貼纖維復合材料加固法，是使用高性能的黏結(jié)劑把纖維布粘著在需要加固的結(jié)構構件表面，使其與原構件協(xié)同發(fā)揮作用，從而提升既有建筑的抗彎、抗剪、抗壓承載力[12-14]。

圖2 垂直鋼柱加固砌體墻

圖3 纖維增強復合材料

圖4 纖維復合材料加固砌體墻的粘貼方式

2.3.4噴涂抗爆涂層加固

聚脲彈性體是一種噴涂于結(jié)構表面以應對動態(tài)荷載下結(jié)構的破裂、碎片飛濺、變形響應的彈性體聚合物。如圖5所示，噴涂聚脲涂層能夠提高墻體結(jié)構的強度、韌性和剛度，增加未加固砌體結(jié)構的抗爆能力[15]。此外，噴涂聚脲加固層還可有效減少砌體結(jié)構在動態(tài)荷載作用下碎片的產(chǎn)生，有效降低室內(nèi)人員的傷亡[16]。

幾乎所有的墻壁都可以通過在現(xiàn)有墻體外增加抗爆墻來進行改造。在抗爆墻和現(xiàn)有墻體之間，應該保持一個大于預期的抗爆墻撓度的間隙。這將防止抗爆墻由于對爆炸荷載的動態(tài)響應，偏離到現(xiàn)有的墻，并使它損壞。同時需要注意，抗爆墻的突然偏轉(zhuǎn)會減少抗爆墻和現(xiàn)有墻體之間的空隙體積，從而增加了空氣壓力，進而破壞現(xiàn)有墻體。在現(xiàn)有墻壁上開鑿小通氣口，抗爆墻與現(xiàn)有墻保持足夠的距離，就可以防止這一潛在問題。如果需要的話，這些通風口可以用低強度、輕質(zhì)材料覆蓋。這種加固方式的優(yōu)點是不需要開展任何建筑內(nèi)的工程改在，并且改造前后建筑外觀相接近。

圖5 砌體墻噴涂聚脲涂層

2.4 屋頂加固

屋頂通常很難加固，往往是建筑物改造成本的重要部分。在建筑物外部改造可供選擇的方法有限，若在建筑物內(nèi)部改造，則常常需要移除吊頂、暖通管道和其它布線系統(tǒng)，改造工期長。在需要進行外部改造時，最實用的方法是在現(xiàn)有屋頂上安裝新的防爆庇護屋頂系統(tǒng)，使現(xiàn)有的屋頂免受爆炸沖擊。如果現(xiàn)有屋頂上安裝了空調(diào)機組，則必須在新屋頂和暖通空調(diào)系統(tǒng)安裝之前，向建筑物提供臨時空調(diào)。

2.5 攔截系統(tǒng)加固

在建筑物內(nèi)可以放置各種“攔截墻”和“攔截屋頂”系統(tǒng)，以防止墻壁和屋頂系統(tǒng)產(chǎn)生的碎片造成建筑內(nèi)人員傷害。這些系統(tǒng)通常用于面積小、人員集中場所，并且這些場所的建筑物的框架可以抵抗爆炸荷載，但是屋頂或墻面若不改造將難以抵抗爆炸負荷?！皵r截墻”改造包括在人員集中區(qū)域的周圍構建帶有重鋼格柵的室內(nèi)鋼框架，在人員集中區(qū)域前放置室內(nèi)防爆墻系統(tǒng)?！皵r截屋頂”安裝在原屋頂之下，由鋼管橫梁支撐著重鋼格柵，剛柵的設計目的是，當屋面板和托梁在爆炸荷載作用下失效時支撐原屋面板和托梁。

2.6 防爆外殼加固

當加固現(xiàn)有結(jié)構的方案不可行時，可用鋼筋混凝土或鋼框架及防爆板在現(xiàn)有建筑物周圍建造一個獨立的殼體或“繭”結(jié)構。鋼筋混凝土抗爆外殼可以選擇現(xiàn)澆或預制墻和屋面板。顯然，這通常是最昂貴的改造方案。然而，抗爆外殼依然有部分優(yōu)點：

a)大部分工作都是在建筑物外面完成，建筑物使用的中斷能最小化。

b)外殼可以滿足幾乎任何特定的防爆標準。對于某些荷載上限，其它加固改造方法是不適用的。

c)對于抗爆外殼而言，連接的可施工性容易實現(xiàn)。而將新改造組件充分連接到現(xiàn)有建筑物的過程是相當困難的。

3 建筑物抗爆加固方法總結(jié)

現(xiàn)有石化建筑物抗爆加固改造有多種選擇，可以從很小的升級，比如窗戶加固，到非常重大的改造，比如在現(xiàn)有的建筑周圍建造一個堅固的混凝土外殼，或者“繭”一樣的結(jié)構。一般而言，建筑物抗爆能力提升改造可以分為3類基本方法，各類方法抗爆能力的提升等級見表1。

a)加固已有建筑構件或建筑構件的連接。

b)允許建筑構件破壞，但其產(chǎn)生的碎片由攔截系統(tǒng)攔截，避免建筑物內(nèi)人員傷亡、設備損傷。

c)建筑周圍新建抗爆保護殼，保護現(xiàn)有建筑。

表1 石化建筑物抗爆加固方法總結(jié)

需要注意的是，攔截系統(tǒng)不能應用于帶承重墻的建筑。常規(guī)建筑構件抗爆能力提升系數(shù)：低(100%～150%)，中(150%～300%)，高(>300%)。由于不同建筑的規(guī)模、材料強度和其它特性各有差異，建筑物抗爆能力實際的增加有很大的不同。此外，當進行抗爆改造時，需要考慮一些減少碎片傷害的非結(jié)構性改造。例如：減少或者消除建筑物內(nèi)可能脫落的重物。對所有屋頂上方的設備、燈、吊頂進行連接加固。將所有的書架固定在墻上。拆除門口附近可能倒塌，堵塞門口的圍墻[5]。

4 石化建筑物抗爆加固改造技術的發(fā)展

石化建筑抗爆改造不同于一般建筑物改造，改造成本不僅包括建筑成本，還包括由于改造而導致的停工時間成本。石化企業(yè)正常生產(chǎn)的中斷，將會極大的增大改造費用。纖維復合材料、抗爆涂層加固方法，不僅可以充分發(fā)揮材料的高強性能，而且施工方便，操作性強，占用空間小，加固效果顯著，無論是可施工性、經(jīng)濟合理性及加固效果方面，都比其他加固方法有較大的優(yōu)勢，值得進行更加深入的研究與探索。此外，推進纖維復合材料、抗爆涂層國產(chǎn)化可進一步降低工程造價。

目前國內(nèi)關于石化建筑抗爆試驗研究較少，由于建筑物在爆炸沖擊波荷載作用下的復雜性，為確定影響建筑物的結(jié)構破壞形態(tài)及抗爆性能的因素，應研發(fā)可靠、有效的室內(nèi)外實驗裝置和實驗方法，同時加強對加固建筑結(jié)構在抗爆原理、理論分析和設計計算方法等方面的研究，為指導石化建筑加固提供依據(jù)。

對于石化工程中哪些類型建筑物需要進行抗爆設計，國內(nèi)缺少相關的指導性規(guī)范。GB 50779-2012《石油化工控制室抗爆設計規(guī)范》規(guī)定，當控制室未進行爆炸安全性評估時，抗爆設計采用固定載荷法，未考慮現(xiàn)場實際情況。對于現(xiàn)有建筑物加固改造為抗爆建筑，GB 50779-2012也沒有給出明確規(guī)范。標準與規(guī)范的缺乏將會限制加固技術在國內(nèi)的發(fā)展，需制定有關的技術標準與規(guī)范，使得抗爆構件計算分析方法、爆炸超壓、加固施工要求等一系列工作有章可依。