石油化工控制室抗爆结构设计.pdf

2012,22(2)
瑜石油化工控制室抗爆结构设计
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石油化工控制室抗爆结构设计
邹瑜*中国成达工程有限公司成都610041
摘要结合工程实例,介绍石油化工控制室抗爆结构设计的范围、结构形式、爆炸荷载、设计理念、设计
步骤和要点等内容。
关鍵词抗爆控制室蒸气云爆炸单自由度体系动力分析方法性能化设计
石油化工行业由于其生产加工的产品大多具
(2)国外引进项目或工艺包、基础设计等文
有易燃易爆的特点,因此在生产过程中有发生爆件提出要求的建设项目。
炸的危险。控制室作为全厂或装置生产的指挥中
(3)业主提出要求进行抗爆设计的建设项目。
心,当发生爆炸事故时,必须确保设备正常工作
(4)项目安全评价、政府部门安全消防审查
及操作人员生命安全,不会因为控制室结构坍塌,
导致功能失常而引发各类次生灾害。随着人们安意见中提出需要进行抗爆设计的建设项目。
全意识的提高,控制室抗爆的重要性日渐凸显,
抗爆控制室结构形式
应用也越来越多。爆炸荷载是动荷载,其发生来
源和作用机理都具有很强的特殊性,不同于常规
《规范》5.1.3和5.1.4条规定:对于承受爆
的静荷载。
炸荷载的建筑物,建筑平面宜为矩形,层数宜为
2009年以前,国内控制室抗爆设计结构专业
层。建筑物应采用钢筋混凝土结构,其受力体
并无规范可遵循,工程设计人员大多参照相关资系的布置、外墙墙体构造及厚度应通过结构计算
料或工程经验来进行设计。2009年年末《石油化确定,與型布置见图1。
工控制室抗爆设计规范》(以下简称《规范》)发
布,并于2010年6月1日开始正式实施。这本行
业规范在很大程度上借鉴美国土木工程协会
(ASCE)编写的《 Design of Blast Resistant Buildings
in Petrochemical Facilities》,对控制室抗爆设计进
行了提纲挈领的阐述,工程技术人员在进行抗爆
设计时有规范做指导。本文结合实际工程控制室
抗爆设计,闻述石油化工抗爆控制室的结构设计
应用,供类似工程参考。
图1控制室典型结构布置图
控制室抗爆设计范围
从控制室典型结构布置上看,体现了两道防
石油化工装置控制室抗爆设计的范围,一直线的抗爆设计理念:爆炸动水平荷载由外围剪力
以来没有明确的界定,2009年发布的《规范》上
也没有明确提及,执行上可能存在项目不同、设
墙屈服耗能,内部框架只承担竖向力,保证了结
计单位不同,抗爆设计范围也各异的情况。
构不致坍塌,从而保证控制室的安全。为了保证
中国成达工程有限公司对控制室、现场机柜上述理念得以实现,结构布置时应将剪力墙和框
间需采用抗爆设计的范围规定如下:
架柱脱开布置,二者之间保留一定距离d
(1)中石化、中石油、中海油等执行国内石
d= tge X H/2
油石化行业标准的建设项目
式中,d为剪刀墙和框架柱的距离;6为剪力墙弹
*邹瑜:高级工程师。2000年毕业于南京建筑工程学院建筑工程专业。现从事结构设计工作。联系电话(028)65531356。
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CHEMIICAL ENGNEERNNG DESIGN
化工设计2012,22(2
塑性转角;H为墙板计算跨度,取屋盖到基础顶面6.3.2至6.4.4条详细地给出了这些计算公式,限
的高度。
于篇幅,不再一一罗列。
由于人工费用较高,美国ASCE推荐的多为内
部钢框架、外围装配式钢筋混凝土剪力墙的结枃4抗爆设计方法
形式,虽有些区别,但设计理念一致。
《规范》6.1.4条规定:控制室结构在爆炸荷
载作用下,其动力分析可近似采用等效静荷载分
3爆炸荷载
析方法或单自由度体系动力分析的方法。
石油化工装置中可能发生的爆炸有蒸汽云爆
等效静荷载分析方法是将爆炸荷载转化为等
炸、压力容器爆炸、浓缩相物质爆炸以及粉尘爆效静荷载,然后再用常规的结构设计方法进行设
炸等。虽然可能发生的爆炸存在多种形式,但石计,《规范》附录E给出了等效静荷载的计算公
油化工装置主要以蒸气云爆炸为主。蒸气云是指式。由于等效静荷载的分析方法采用的是常规的
由易燃易爆气体泄漏后在空气中形成的气团,由结构设计方法,不允许出现塑性变形,而爆炸荷
于蒸气云可以在空中自由飘移,因此它的爆炸位载是瞬间荷载,其加载过程和作用时间与静力荷
置和方向具有很大的不确定性。
载有着本质的不同,如果不管爆炸荷载的动力特
爆炸最主要的特征是被压缩的能量突然向空性,按照常规方法来进行设计,则势必出现设计
气中释放,形成瞬时压力增加现象,即爆炸波超过于保守、材料浪费大、造价高且存在安全隐患
压,传递到建筑物上时就形成爆炸荷载。由于爆等问题。
炸波在空气中形成后,在传播过程中强度衰减得
单自由度体系动力设计方法,简言之就是将
很快,建筑物随着距离爆炸源的远近不同,形成建筑物的每一部分结构构件都简化为单自由度的
的爆炸波压力是不同的,一般情况下,爆炸在临构件来进行动力分析,在爆炸荷载作用下允许构
近区域形成冲击波形式,在远离区域形成压力波件出现塑性饺从而进入弹塑性工作阶段,设计以
形式。两种爆炸波的表现形式见图2。
控制构件的变形为主。这种设计方法充分体现了
抗爆设计中的性能设计理念,在满足安全性的前
提下最大程度地兼顾了经济性,是目前进行抗爆
设计的最优方法。
因此,现阶段采用单自由度体系动力分析的
方法来进行控制室的抗爆设计是比较合适的。
(a)冲击波
(b)压力波
图2两种爆炸波的表现形式
5控制室抗爆设计步骤和要点
钢筋混凝土结构中产生的冲击波或压力波在5.1设计步骤
负压阶段形成的冲击能量,远远低于正压阶段
抗爆控制室的结构设计主要分四步:
对建筑物影响较小,通常在抗爆设计中可以不予5.1.1结构整体分析
考虑
结构整体分析同常规设计,需要在PKPM或其
用于确定爆炸荷载代表值的参数主要包括:它软件中进行三维建模,以进行结构整体性计算,
①冲击波峰值入射超压Ps;②正压作用时间a。这里不再赘述。应注意在建模时必须将外围的剪
般情况下该两项参数应由业主提供《蒸汽云爆力墙建进模型里,因为在地震作用时,外围的剪
炸定量分析报告》确定,但在没有相关报告数据力墙由于刚度很大,地震剪力主要由外围剪力墙
时,《规范》6.3.1条规定,取冲击波峰值入射超承担,如果不建进模型里,则进行地震分析时,
压21kPa,正压作用时间100ms;或冲击波峰值入地震剪力大部分会由柱来承担,这样出来的结果
射超压69kPa,正压作用时间20ms。
会导致柱断面和配筋的增大,造成不必要的浪费。
确定了以上两个基本参数以后,可以通过公5.1.2爆炸工况下単一构件分析
式求得波速、峰值动压、波长以及作用在建筑物
爆炸工况主要应考虑爆炸荷载在前墙产生的
前墙、侧墙、屋面和后墙的爆炸荷载。《规范》水平爆炸荷载和在屋盖产生的垂直爆炸荷载。水