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控制室的抗爆设计---简化动力分析的方法2010年元月提纲•提纲：–关于爆炸–为什么要抗爆–钢筋混凝土构件在爆炸作用下的性能–抗爆建筑物的设计关于爆炸-概念•爆炸通过气体在受限制的空间里突然膨胀而释放机械能、化学能或核能。•按照产生爆炸的物质分类，我们可以将石油化工装置中可能发生的爆炸与TNT爆炸区别开来。常规炸弹炸药包、手榴弹等爆炸就是TNT爆炸；核弹爆炸也相当于TNT爆炸，只不过其释放的能量非常巨大。TNT爆炸的特点是相对于爆炸影响的范围讲，爆炸源相当于一个点。关于爆炸-概念•石油化工装置中可能发生的爆炸不同于一般的TNT爆炸，可分为蒸汽云爆炸（VaporCloudExplode，简称VCE）、压力容器爆炸、浓缩相物质爆炸以及粉尘爆炸。这几种爆炸在相关的资料中都有介绍。•虽然石油化工装置中可能发生的爆炸存在多种形式，但石化工业内还是主要考虑蒸汽云爆炸。有资料表明，1972年至2000年近30年间，世界上烃类企业各种灾害的统计情况，从统计的角度可以验证上面的论述，尽管这些都是特大灾害而没有统计全面。关于爆炸-对人体的伤害人体直接暴露于爆炸超压可能受到的损害1bar=100kPa压力(bar)人体受害程度0.02“安全”0.35耳膜受损0.55致命的脑部受损0.70严重的肺部受损0.76致命的身体受损3.00生命威胁来源：LossPreventionintheProcessIndustries,FrankPLees,Vol.2,2ndEdition关于爆炸-对设施的危害爆炸超压造成的破坏影响压力(bar)破坏程度0.001讨厌的噪音(137dB)，低频(10-15Hz)0.002偶尔震破受压的大玻璃窗户0.003高噪音(143dB)，声音震破玻璃0.007震破受压的小窗户0.01典型玻璃破碎的压力0.021“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0.028有限的较小结构损坏0.034-0.069大小窗户通常会被粉碎0.048对房屋的结构造成较小的破坏0.069房屋部分毁坏，无法居住0.069-0.138波纹状的石棉被粉碎破坏了波纹状的钢或铝板的牢固,它们跟着被弯曲破坏了标准住宅木板的牢固,导致木板被吹掉0.09造成建设物架的钢结构轻微地扭曲0.138房屋墙和屋顶部分坍塌0.138-0.207没有加固的混凝土或空心砖的墙壁被粉碎关于爆炸-对设施的危害0.159严重结构损坏的最低限度0.172砖砌的房屋受到50%的破坏0.207工厂厂房里的大型机器(3000lb)遭到少许的损坏钢结构的建设物被扭曲并脱离地基0.207-0.276无结构的钢板建筑物被破坏储油罐破裂0.276轻工业厂房的复合钢结构破裂0.345木杆被折断在建筑物里的大型水压机(40,000lb)轻微损坏0.345-0.483房屋几乎完全被毁坏0.483装货的货车箱倾覆0.483-0.552没有被加固、8-12厚的砖块因扭曲/弯曲而失效0.621装货的货车车箱完全被毁坏0.689房屋可能完全损坏大型机床(7000lb)被移动并遭严重损坏特大机床(12,000lb)幸免20.68弹坑边的极限关于爆炸-对部分炼油设施的危害压力(bar)破坏程度0.17加热炉结构移动、管线破裂0.20再生器电线切断0.24裂化反应器电线切断；管架框架变形0.34加热炉翻倒\破坏0.37再生器框架变形0.41管架框架倒塌、管线破裂0.51再生器倒0.82裂化反应器倒爆炸超压对受到冲击的部分炼油设施的影响（Stepgens1970年）关于爆炸-爆炸相似率•爆炸相似率[1]–爆炸冲击波参数可以用爆炸相似率，（也叫“Hopkinson规律”）来求得。假定特定的爆炸产生的冲击波通过空气按照冲击波的形式传递，可以计算得出某一确定的冲击波压力值会在距爆炸源某一距离处产生，而且与能量的立方根成正比。大能量以及核爆已经验证了这样的相似率。因此，爆炸冲击波参数可以利用现有的武器爆炸试验数据（通常是1千吨或者1万吨TNT当量）按照相似率求得。关于爆炸-爆炸荷载•通常人们用TNT当量来描述一个特定爆炸的大小。从工业应用来看，很多材料可以引起爆炸。每种爆炸物或者爆炸物组合有其自身的燃烧率。对于蒸汽云，其冲击波特性同样依赖于可燃气（可燃气与空气混合）混合物以及蒸汽云团可燃气的浓度。通过测量特定爆炸的冲击波性质，确定多少TNT数量可以产生同样的冲击波，这就是TNT当量。虽然有很多其他爆炸物存在，但由于有大量的实验数据可以应用，因此TNT当量仍然被用作一个普遍的爆炸参数。•现在的趋势是，TNT当量应用在减少。通过蒸汽云计算机模型研究以及对真实爆炸的观测表明，采用TNT当量得出的结果，在距离爆炸源较近时超压偏大，而距离较远时超压偏小。关于爆炸-爆炸荷载关于爆炸-爆炸荷载•无约束的蒸气云爆炸经常被使用作为抗爆设计基础。其他的爆炸形式，如沸腾膨胀液体蒸汽爆炸以及设备爆炸均有可能发生。•许多种爆炸的基本特性是相似的。冲击波的大小和持续时间随距离、爆炸能量以及爆炸形式的变化而变化。一般冲击波的特性描述和高能量爆炸特性计算见TM5-1300第二章或者ASCE手册的第四章。三个重要概念如下：–超压：冲击波通过时产生的超过大气压的空气压力–反射压：冲击波在传播方向上遇到障碍物时反射的超压增量。–正压作用时间：超压（或反射压）作用在建筑物上的时间。作用时间越长，建筑物反应越大。关于爆炸-爆炸荷载关于爆炸-爆炸荷载•设计爆炸的冲击波超压以及作用时间通常由他人确定。这个过程包括化学工程原理、工艺危害分析和工业风险评价。•业主的标准有时也确定一个冲击波荷载。业主的抗爆标准不同，但是很多业主的爆炸荷载是根据装置包含的工艺方案以及平面布置研究确定的。•业主完成的现场布置分析，外部咨询商，或者设计单位工艺安全组可以确定合理的冲击波超压。业主的保险提供者也要被咨询。计算机模型程序也可以达到这个目的。合理的工艺和平面布置决定输入数据。理想地，工艺P&IDs和平面布置应该是比较先进的。关于爆炸-爆炸荷载•爆炸危险性分析给定；•ASCEManual•SH行标；•GB国标–焦点：方便实用的单一值\给出随距离变化的参数；（蒸气云的特点决定）•如果没有其他方法确定爆炸荷载，可以应用已经确定的荷载标准。下面两组荷载，从CIA和SG-22而来，可以用作近似确定蒸汽云爆炸的最后方法。–b.峰值超压3psi(21kPa)，作用时间100ms;–a.峰值超压10psi(69kPa)，作用时间20ms;•不管采用何种方法确定设计爆炸荷载，在详细设计前者写设计基础都应该得到业主的确认。为什么要抗爆•国外：要不要抗爆设计通常情况下是由业主在项目组的协助下决定的，有以下几种原因。–职业安全健康管理局:OSHA安全章程不具体地提及抗爆设计。OSHA要求,雇主必须提供一个安全工作场所。OSHA从以前爆炸经验调查表明,抗爆措施应该被考虑–人员安全：虽然安全总是主要关注的事情，保护范围也许是问题。明显地,一个开敞的工艺装置为人不提供任何保护，而且在紧急状态情形下人员还必须撤离。控制室则是另外一种情况：建筑物内总是有人，并且操作人员还要当班处理装置的突发事件。为什么要抗爆–通常的爆炸水平来看,冲击波不足以直接地对生命造成威胁。虽然有例外,多数严重的伤害由爆炸引起残骸造成。经验表明,常规的建筑设计由于建筑物倒塌的残骸阻挡了有限的逃生路线，从而增加了人员伤害的危险。正像“中间风险”的最小原则，建筑物不能对刚好在外面的人员造成另外的伤害。为达到这个最低要求，建筑物在外部爆炸的作用下应保持不倒塌。–控制设备：程序控制设备是昂贵的,可能需要久时间替换。控制室服务多个装置单元要求对控制设备进行保护保证爆炸后恢复装置操作。为什么要抗爆–紧急停工：一次事故后的正确停工步骤实施后可以有效预防二次火灾或爆炸。有时业主需要保持某种操作而进行另外的保护。这种额外的保护通常要求对控制设备控制的设施进行保护。•国内–国际接轨：众多国外投资石化项目的实践–《石油化工控制室和自动分析器室设计规范》-正在修订–中石油企业规定（2005年）–化工行业：设计规定–爆炸危险性评估等HSE问题。钢筋混凝土构件的抗爆性能•钢筋混凝土构件的工作过程•钢筋混凝土构件的工作过程：•构件初始加载时，抗力随挠度理想的线性增加，直到达到钢筋屈服为止；•随着构件继续挠曲，全部钢筋屈服，抗力不再随挠度的增加而增大，而是保持常数；•在屈服阶段内，在挠度相当于2o支座转角时，受压混凝土被压碎；•对于无抗剪钢筋的钢筋混凝土构件，混凝土压碎即导致构件破坏；•对于有抗剪钢筋（单肢箍筋或拉筋）的钢筋混凝土构件，抗剪钢筋适当拉住抗弯钢筋，混凝土压碎导致承载能力稍许降低，因为压力被传递到受压钢筋上；钢筋混凝土构件的抗爆性能•随着构件进一步挠曲，钢筋进入硬化阶段，抗力随着变形的增加而增加；•单肢箍筋在钢筋进入应变硬化阶段后的短时间内能约束产生受压钢筋，支座转角为4o时，构件丧失其结构完整性而破坏；•而拉筋通过其桁架作用在整个应变硬化阶段都能约束钢筋，直到支座转角为12o左右钢筋被拉坏为止；•混凝土或混凝土与抗剪钢筋联合，必须提供足够的抗剪能力，这样才能发挥构件的抗弯能力，如果抗弯能力超过构件的抗剪能力，则在弯曲响应期间的任一时刻都可能发生突然的剪切破坏。钢筋混凝土构件的抗爆性能（配置单肢箍筋的构件）（配置拉筋的构件）抗爆建筑物设计-结构形式•通常，石化装置内的抗爆建筑物主要就是控制室，一般为箱形剪力墙结构。直接曝露在冲击波下的外表面全部为钢筋混凝土结构以抵抗爆炸物的冲击。由于外墙在侧向荷载下可能丧失支撑力，因此由独立的钢筋混凝土或钢结构框架来支撑屋顶。钢结构压型板作为浇筑混凝土的模板。采用钢结构构建同时也降低了现场安装的费用。•近年来，当中度风险水平的低冲击波情况下，采用钢结构。这些钢结构建筑同普通的预制钢结构房屋一样可能有冷轧或热轧型钢制成。•根据当地的经济影响、劳动力和原材料供应情况，抗爆建筑物还可以采用其他结构形式。抗爆建筑物设计-材料•脆性材料：砖或者无筋混凝土块不能用于抵抗爆炸荷载。这些材料比适合用于外墙或者内墙。因为砌块之间抗拉强度低，材料的坠落可能危及室内人员•半柔性材料：通常的结构构件如，配筋混凝土砌体、翼缘无连结的钢结构托梁以及压型钢板上浇筑混凝土的组合楼板，其延性非常有限。配筋混凝土砌体的延性受钢筋布置以及砂浆抗剪承载力的限制，翼缘无连结的钢结构托梁受焊接质量、特定截面缺陷以及支撑构件的微小限制。这些结构构件只能应用于超压在2psi以下的情况。•柔性材料：因为钢筋混凝土结构和钢结构可以设计成适应大的塑性变形，因此一般被推荐在抗爆建筑物使用。压型钢板同样可以抵抗冲击荷载，但在防止爆炸残骸穿入方面能力较小。抗爆建筑物设计-分析方法•抗爆动力分析同其他动力分析的目的一样，是要确定变形。其变形的计算包含延性比或/和支座转角的计算。–延性比是构件整体变形的体现。在荷载-变形曲线上，有些点会发生构件破坏。这些破坏点可以通过测量变形得到，但由于构件几何尺寸不同，破坏的标准通常用与屈服变形的比值来确定。延性比由动力分析结果确定。容许延性比与构件型式和容许破坏水平有关。容许值同时包括破坏安全系数。–它是构件塑性转角的度量。对于简支或者固端梁来讲，支座转角其实也是中间塑性铰的转角。绝对转动标准是相对变形标准（延性比）的补充。支座转角可由动力分析结果确定。容许支座转角与材料种类和容许破坏水平有关。对于混凝土结构有时采用大的容许转角值，但这是钢筋布置必须十分严格抗爆建筑物设计-分析方法•塑性反应：抗爆设计时常常让动力反应超过材料的屈服极限进入塑性状态。这样做有几个原因：首先，爆炸荷载是非常偶然的荷载，出现适度的塑性变形是允许的，构件破坏水平一般同塑性发展水平相关；其次，在完全弹性的条件下，材料是有富余的；第三，结构的塑性反应吸收能量，减少了对支撑结构构件的荷载传递。•耦合：耦合因为计算复杂很少在石油化工抗爆设计中使用。采用简化了的分析方法，可以不考虑构件之间的耦合作用（相互