搜索
控制室的抗爆设计---规范宣贯2011年9月提纲•提纲：–规范由来–关于爆炸的一些概念–控制室为什么要抗爆–钢筋混凝土构件在爆炸作用下的性能–抗爆建筑物的设计规范由来•石油化工装置中烃类以及其它可燃物质极易发生爆炸。装置设计尽量避免事件的发生，虽然发生爆炸的几率非常低，但是一旦发生爆炸，它造成的设备损坏和人员伤亡却比较严重。•在国外，20多年前，就有针对性地对石油化工装置中控制中心进行防护，已经有较为成熟的做法，有的已经形成比较容易操作的设计手册。•在国内，由于HSE风险意识认识不足，因此起步较晚，近几年才有意识的提出对石油化工装置中控制中心的抗爆问题。规范由来•建筑物抵抗爆炸作用方面的研究文献较多，这方面的研究机构也较多。最早是从防护武器袭击开始，包括常规武器的影响和核弹的影响。近年来，对于恐怖袭击的研究也提到议事日程上，比如国外已有专门研究汽车炸弹在建筑物不同位置爆炸对建筑物的影响。（包括在建筑物内部）•美国土木工工程师协会（AmericansocietyofCivilEngineers）1964年发布的一本关于原子武器影响的书，是建筑物抵抗爆炸作用的研究方面最早、最全面的文献之一。书名叫，《抵抗原子武器影响的结构物设计》（DesignofStructurestoResistNuclearWeaponsEffects,---ManualsandReportsonEngineeringPractice–No.42）。它内容涵盖核弹造成的空气冲击波、弹坑以及地面运动分析，对设施的要求，结构上作用的冲击荷载，结构构件在冲击荷载作用下的表现特征，结构选型和设计步骤，动力分析等多个方面。规范由来•《抗偶然爆炸结构(设计手册)》（StructurestoResisttheEffectsofAccidentalExplosions）（TM5-1300）是另外一本有关建筑物抵抗爆炸作用的研究方面最早、最全面的文献之一。该书是美国陆海空三军司令部于1969年联合出版，1981年美国国防部组织编委会对该手册进行修订，修订工作考虑了69年出版以来许多科研新成果，增补了许多新内容，于1990年出版。该书对弹药的研制、试验、贮存、维护、改进、检验等设施的防护结构设计具有重要的参考作用。•《化工装置新建控制室布置和建造指南》（SG-22）是美国化学工业协会（MANUFACTURINGCHEMISTSASSOCIATION）1978年发布的一个设计指南。它从设计意图、原理、装置分类、控制室布置考虑的因素以及建筑、结构、通风方面的构造要求等方面对化工装置新建控制室进行了阐述和规定，其中的等效静力荷载的设计方法较为简便、实用，已被大多数公司采纳，作为其企业规范。比如，ABBlumous,FlourDaniel,Exxon公司以及韩国GS公司等的企业规范都采用这种方法。规范由来•1991年美国土木工工程师协会的石油化工能源委员会（ASCEPetrochemicalEnergyCommittee）成立。这个委员会成员集合大家意见，在现有研究的基础上，于1997年完成出版了《石油化工设施的建筑物抗爆设计》（DesignofBlastResistantBuildingsinPetrochemicalFacilities），是对建筑物抗爆设计方面比较全面的一本手册。•《核安全相关混凝土结构规范》（CodeRequirmentsforNuclearSafetyRelatedConcreteStructures）（ACI349-01）是美国ACI349委员会2001年发布的报告。它内容涵盖了核电站以及与核安全相关混凝土结构的设计、建造标准要求，规范形式及编排上与《建筑混凝土规范》（BuildingCoderequirmentforStructuralConcrete）（ACI319-95）相同。其中的附录C“脉动、冲击影响特殊规定”（SpecialProvisionsforImpulsiveandImpactiveEffects）给出了脉动、冲击影响下材料动力强度的提高（Dynamicstrengthincrease）系数、结构的弹塑性变形、结构保证延性的措施，是其他手册等资料引用的原始依据。规范由来•FlourDanielPractice:FlourDaniel的这本抗爆分析指南以ASCE的《石油化工设施的建筑物抗爆设计》为基础，简明扼要地阐述了箱型建筑物在爆炸荷载作用下的受力概念和计算方法，并给出了与《石油化工设施的建筑物抗爆设计》中相同的例题，但是其控制标准不同，其前墙容许延性比限值为10，而前者为3。FlourDanielspecification：FlourDaniel的一本有关抗爆控制室的设计规定。它以《化工装置新建控制室布置和建造指南》（SG-22）为基础，将其中的内容具体应用到项目的设计规定中。•国内国防方法，是国内关于TNT爆炸方面的一些经验总结。虽然目前国内抵抗TNT爆炸的抗爆结构（建筑物）的计算方法尚未有统一规定，但该资料从冲击波荷载的确定、结构等效静载的计算、结构计算等三个方面对该类建筑物设计计算给出了较为全面的阐述。并根据其近几年来的工作实践，参阅了部分国内外资料，总结了个别工厂的爆炸事故经验，就化爆空气冲击波作用下，对嵌入式建筑物的结构计算问题进行分析研究。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–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。–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。RR13WW1关于爆炸-爆炸相似率0.11101000.010.11010011031104psxy()x1千吨TNT爆炸，冲击波超压与距离关系关于爆炸-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。•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•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，无约束的蒸气云爆炸作为抗爆设计基础。•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•确定设计爆炸的冲击波超压以及作用时间。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。•在国外，业主咨询业主的保险提供者提供冲击波荷载。•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。计算机模拟程序可以模拟。工艺和平面布置等作为输入数据。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