化工装置新建控制室布置和建造

1、化工装置新建控制室布置和建造(SG-22)、目的近年来，化工装置一些控制室被爆炸严重损坏，并且造成人员伤亡。在新建控制室的设计、布置和建造时最大限度地减少蒸汽云爆炸或反应爆炸冲击物冲击带来的损害，正是编制本指南的目的。、控制室设计概念为避免因火灾破坏，大多工艺装置内控制室都与主要工艺设备有足够的距离。装置区域内的防火设计和给排水设计，可以预防控制室遇火灾而严重破坏。近年来，一些控制室被破坏，并不是被火灾破坏，而是被可燃气体泄露到空气中被引爆的爆炸冲击波损坏或者是被反应冲击物的冲击致坏，这些事件虽然在这些装置里发生的比例很低，但事件的严重性使人考虑在新建类似装置时考虑控制室的特殊保护。目前还没有

2、一个被普遍接受的方法来预计蒸汽云爆炸的危害范围，甚至还不可预计蒸汽云爆炸的概率。因此，按照我们现有的知识，解决控制室爆炸问题的途径有：首先，要确认装置中的哪些区域可以泄露可燃气体；其次就是采取措施防止泄漏。这些主要措施是对已发生过泄漏的装置对操作工提前提出予警，以减少泄漏量，还有就是对控制室实施抗爆炸保护。本规程要识别三种潜在爆炸类型，从而按照不同类型进行布置和设计。这些条文适合于蒸汽云爆炸，亦同样适用于Runaway Reaction引起的爆炸。、蒸汽云A蒸汽云爆炸的定义蒸汽云爆炸的发生，首先要有可燃物的泄漏的充分时间和泄漏速度，这是可燃物与空气形成爆炸混合物的重要条件，其次还要存在点火源（

3、与空气混合）。几种情况缺一不可，有时候可燃物质在高于自然温度时被点火，而且迅速燃烧，而并没有形成爆炸。B蒸汽云爆炸因素下面一些因素决定一个蒸汽云爆炸的规模，可能几率和严重性：1点火时的可燃物数量；2包含的其他可燃物；蒸汽云的湍流度它影响着蒸汽云中可燃介质范围内的混合物总量。3可燃物的浓度（degrea furbulence）4火焰速度5障碍物阻止蒸汽云自内膨胀，从而加火焰速度；6点火源位置；7燃烧模式：燃烧或者爆炸。对一个潜在危险，关键因素是可燃物的数量和点火时间。点火的可能性随着蒸汽云规模的增加（点火源随着蒸汽云扩张而增多），而爆炸的可能性也随着（不像火灾那样）蒸汽云规模增大，可燃范围内可燃

4、物数量跟着增加，从而爆炸几率增大。一般估计，有10%形成的蒸汽云，被点火爆炸。这个机率（指点火爆炸）很低，数据不是十分可靠。一些观察者认为蒸汽云中可燃气体的最低含量是一个爆炸最值得考虑的一个因素。举个例子，Marshall（4）重新整理了Strehlow（7）提供的数据说明，蒸汽云中含有15t以下可燃物可以造成火灾，而超过30t可以引起爆炸。虽然这些数据是有限的，但还是已经用10t这个标准来区分下面的分类B和分类C。基于以上因素，可燃物释放量是装置设计者和操作者直接可以控制的。工艺装置可以用潜在的蒸汽云危险性来区分，这些危险主要包括一定物理状态（温度和压力等）的大量可燃物，可以以蒸汽形式或者以

5、液体挥发到空气中的形式泄漏到空气中。在这些装置中，设计者需要考虑限制潜在危险物质的最少量（装置控制正常）限制容器的连接数量（尤其是液位以下部分），提供安全减压和设备（施），设计至罐火炬及其他出口的减量措施（步骤），遥控独立操作阀门亦应考虑多数量。装置（操作）人员的高标准的操作、维护和设备检查是保证工艺流程及机械设计良好的保证。可是，如果采取这些措施后，仍然存在潜在的可燃气体泄露并造成爆炸，控制室的设计就要有适宜的（抵抗爆炸的）特点，对其中的人员和设备实施足够的保护。在平面布置上，控制点要布置在主导风向的上风向（可燃物泄露）是一个比较常见的措施。、装置分类按照本指南，化工装置可分为三种类型，类型

6、A小型或者设有爆炸危险装置装置包含：吸热反应或者轻微放热反应，而且材料是不可燃材料，闪点在54（130）以上，而且高于最大净操作温度8（15）以上。（一个流程中）类型B小型爆炸危险装置装置包含：易于控制的化学放热反应，比如酯化、胺化装置通过减少氨和硫的用量，加上适当的控制措施及泄压保护措施防止反应失去控制，还有存在可燃气体和液体，但设备的布置、隔离阀隔离总量以及温度压力下使得可燃气体五分钟泄露量不会超过10吨。类型C有爆炸危害性的装置装置包含：不易控制的高放热反应，比如硝化、氧化、卤化、加氢、烃化以及聚合反应。或者装置中材料（使用）NFPA中活性系数2或者更高。或者五分种内释放可燃气体或液体，

7、总量超过10吨。以上类型不包含装置设施爆炸，这种爆炸不在本指南范围内，这些装置的建造、布置、保护和防护可参见国防部（手册）。、影响布置的因素新建控制室的布置不是决定于单一一种因素。通常，单一因素比较容易识别，但是多种因素影响的平衡将决定选择（新建控制室）的布置这些因素包括：可能危险、暴露物、将来发展、环境影响和间距（控制室与装置之间的）。可能的危险1控制室布置考虑临近装置操作的危险，以及可能发生事故造成的危害。这些典型危险包括：爆炸 在一些存在爆炸可能的常见反应器（周围），高压或放热装置，设置适当障碍物减少暴露于这些爆炸危险中。可燃气体泄漏的可能伴随点火机率引起爆炸或大的火灾。爆炸残骸抛出的可

8、能危害。2火灾潜在火灾的大小和持续时间，可燃、易燃液体随地面流向控制室的可能性。3严重健康危害设备附近存在有毒物质，如果泄漏对控制室内人员造成集中伤害。4长期健康考虑雇员长时间暴露于装置有轻微有害材料的环境下。暴露物考虑生产装置的危险性以后，也要适当考虑控制室本身：1联合控制室如果一个控制室控制多个装置，一个装置发生危险时不能对其他装置失去控制也不能影响其他装置的安全停车，这点是十分重要的。2人员装置必须的操作人员必须待在控制室内。他们应该接受过相应装置可能危害处理方面的培训。控制室的布置要考虑这些人员的安全和可用设施重要性，以尽量减少生产装置发生事故的影响。3关键设备要考虑对计算机、控制系统

9、和其他类似设备（关键设备或者长周期运行设备）进行保护，降低设备损坏的可能。C将来发展通常包含生产设施及控制室内设施，考虑将来发展的可能性，对于扩张可能性，控制室建造位置要适合将来发展需要。（而不是先占据一块场地）D.环境和其他因素1风向应该考虑风向因素，它直接影响着释放可燃气体和有毒有害气体的流动方向；考虑风向的另外一个因素是空调和净化风入口位置的选择。2地形和排水有比空气重的气体释放时要考虑地形因素。如果有这种可能，控制室布置不宜在生产装置的下面。如果存在液体物质泄漏，排水设计需要阻止可燃液体向控制室方向流动。3平面布置要求平面布置要考虑地上地下电缆、仪表电线及管线的走向。E.间距在考虑上述

10、因素的基础上，要考虑控制室同生产装置的距离。没有单一因素确定一个固定距离，但从现有经验总结出一个典型距离或者布置要点将是非常有用的。类型A小型或者没有爆炸危险的装置如果生产设施及其具体情况下，很少或不可能发生前述或其他类型危险，那么控制室可以临近生产设施布置。类型B小型爆炸危险装置这种类型装置的控制室应距离含有可燃材料设备或放热反应器至少15米（50英尺）符合APIRD500A第三版，1968.4月（1973年重新认定）。关于“炼厂电气区域划分推荐标准”以及NFPA4971975中“化工装置电气安装一类危险布置”类型C爆炸危险装置这种装置的控制室应距离含有可燃材料设备或放热反应器至少30米（1

11、00英尺）。（离开含有可燃材料设备）的最小距离控制室不被生产装置爆炸影响，是60米（200英尺）。如果这样布置，类型C装置可按第四节B中的类型B建造。因为即使离开60米，空中爆炸仍可能使结构损坏，击碎玻璃窗等。、装置分类、建设指南1. 类型A 小型或没有爆炸危险的装置内控制室 1.1符合当地建筑规范（见表1.2） 1.2必须是不可燃烧 1.3支撑屋顶的墙体应避免采用脆性材料（如果存在爆炸危险）2. 类型B类型A的补充要求小型爆炸危险的单套装置控制室2.1 材料 承重构件及外部构件应采用柔性材料如钢筋砼、配筋 砌体或金属夹心板结构。 木材等其他辅助燃烧的材料不应使用。 窗、门及透光材料满足如下要

12、求： a.窗框及格栅应为金属材料 b.门及门框（墙上的）以及内部的防火门应为金属材料 c.内部、外部使用的（门、窗及门窗的部件）玻璃应为“安全玻璃”，指标见ANSI97.1，最小厚度为6刚化玻璃或者覆以（玻璃内侧）最小厚度0.38的金属网片。表1标准和规范ICBO官方建筑国际会议UBC统一建筑规范及当地规范ANSI规范CI国家电力规范INFDA70Z970.1建筑用安全透光材料表2标准及出版物ASHRAE美国采暖、制冷及空调协会指南及数据书原理手册ANSI标准A525 锌涂层（或镀锌）钢板垫浸锌工艺一般要求B209 铝合金板E84 建筑材料表面燃烧性能2.2 设计 屋顶及其垂直支撑构件连接应有

13、足够延性。 所有控制室应至少在两端外墙上有两个出口，外门均应外开，而且至少有一个门是应急出口。 建筑物一般宜为单层。如果超过一层，上层应至少有两种出口形式，其中一个应该是开敞防火通道或者封闭防火楼梯间。 窗.1一般情况下，距离处理可燃液体、气体设备60米以内，建议不设玻璃窗。如果设窗应符合以下规定： 墙与设备距离（释放源在建筑物外）小于30米（100英尺）3060米（100200英尺）玻璃G1、G3面向设备（墙上）窗户区域A1玻璃G1、G3窗框设计F1窗框设计F1其他墙上玻璃G1、G2窗户区域A2、A3窗框设计F1 图例：玻璃： G16（1/4）完全刚化玻璃 G26（1/4）内覆0.38金属网

14、片玻璃 G36（1/4）内覆1.5金属网片玻璃玻璃面积（窗户大小）限值A10.18（2ft2）门，0.46（5ft2）每边墙 A20.46（5ft2）每窗 A35%每边墙面积窗框及格栅设计：F1对窗户、窗框、格栅及锚固设计应满足静荷载7.2Kpa（150psf）作用方向内外 楼层地下构造.1每个房间的最终地坪标高应比相邻场地标高高200.2为防止可燃气体、液体侵入，距离处理可燃液体设备60米以内区域内不应布置开敞的沟及坑槽。地下室可以建设但不应对外设开敞通道。涵洞、通道（为动力电缆及仪表缆）应有良好密封（为防止“串气”）措施，而且不应该有发火花设备。 屋顶 钢筋砼顶及金属顶铺一般满铺沥青油毡层

15、。 排水 控制室一般不设地面排水收集系统。如果需要，通向污水管线时要设一个存水弯。2.3 采暖、通风、空调 所有封闭房间必须每小时四次（至少）通风换气。 新鲜风进口应布置在可以得到干净空气的位置。而且在进口位置最好设置爆炸分析探测装置以警报25%（或小于）爆炸浓度气体。 当需要压力通风时（对电气分类区域或者有毒气体）压力要维持至0.02Kpa（0.1英寸水压），见NFPA496。2.4 其他 除蒸汽、仪表风、水、新鲜空气的管线可以从安全位置进入外，控制室不允许其他液体和气体进入。所有管线、电缆及线管（动力、信号、控制）进入建筑物都应密封（在进口处）。可燃材料样品试验室及电配间是控制室的一部分时

16、，它应有直接通向室外的通道，而且不能通向控制室。冲击物：针对爆炸的固有特性或者建筑物的具体形式，或者两者均有，要考虑爆炸飞来的残骸的（或叫“冲击物”）的影响。冲击物保护一般采用钢筋砼，其他一些结构一般容易被损坏（冲击物刺入）。一个典型冲击计算例题见附录三3类型C类型A、B的补充要求有爆炸危险性单个装置控制室或者多个装置（B、C类）的控制室。类型C的控制室从经济上以及从设计简便出发，宜设计成单层，双层建筑物技术上是可行的（有时在空间上有限制需要布置）。类型C的建筑包含办公室及门卫室时，应限制这些人员直接进入装置日常操作室内，因为他们平时在办公室，这些房间就应该包含在抗爆结构内。如果实验室包含在抗

17、爆控制室内，它不应有内部连通门。结构设计就要防止实验室爆炸而影响控制室其他部分；实验室应有一个独立的通风系统，实验室宜距离工艺区60米以外。按照本指南的目的，抗爆建筑物被定义成足以抵抗外部装置爆炸所产生的冲击波超压为69Kpa,作用时间为20ms。这大概相当于一个球体在自由空气中爆炸（1美国吨TNT在30米(100ft)处）所产生的冲击波超压。为抵抗这种爆炸，结构中度损坏而不倒塌是可以接受的。在这种情况下，人员可保证安全，控制室设施保证具有可操作性。对于蒸汽云爆炸，设计计算时不用69Kpa、作用时间20ms爆炸冲击波，而采用冲击波超压为20 Kpa（2.9Psi）、持续时间为100ms。它近似

18、相当于直径60m，高4米包含6%乙烷的气体爆炸，距中心距离75米处产生的冲击波超压。在一定范围内，在特定结构构件的自然频率下，冲击波超压和作用时间之间有一个平衡交换。抵抗高动压和短作用时间的结构构件同样要具备抵抗低冲击波压力和长作用时间的能力，反之亦然。如果结构构件的自然频率超出设计范围，这就不正确了。（比如，高自振频率的构件在长时低压的冲击波作用下比（相对）短时冲击波作用下内力要小）除非对平时设计没有考虑到的关键区域（地方）提出特殊措施，按照静力荷载设计的建筑物没有同样造价的、按照动力荷载设计的建筑物更符合抗爆实际情况。3.1抗爆补充要求汇总下表3列出了要用到的出版物表3标准规范ACI美国混

19、凝土协会ACI318建筑钢筋砼规范AISC美国钢结构协会建筑钢结构设计、制作、安装ASCE美国土木工程师协会NO.42核武器影响结构设计美国政府出版物TM5-1300抵抗爆炸影响结构TR4837HE爆炸影响的钢结构设计3.2建筑类型类型C建筑宜建成a.单层整体钢筋砼箱形建筑，带剪力垟。b.钢筋砼或钢结构框架，钢筋砼或其他柔性材料墙体，如果采用预应力钢筋砼或配筋砌体材料在类型C的建筑中，结构构件在房屋倒塌之前，吸收能量的能力要超过抵抗的爆炸设计荷载的2倍。不应使用脆性材料，也不应采用非延性节点连接。3.3荷载 爆炸冲击波压力及作用时间箱形建筑物上作用以下荷载，它决定于爆炸的形式。.1 可以采用下

20、面荷载a 每墙承受净反射压172Kpa(25Psi)作用时间20ms。（反射压的解释见本书资料2中第7节）b 顶板和梁设计荷载：冲击波超过69Kpa，作用时间20ms的偶然爆炸；c 主框架应设计成：抵抗任何一面墙上冲击压（同本节a）和下面有关屋面的荷载；净压 屋顶荷载框架跨度 m(ft) 施加均布压力 kPa(Psi) 作用时间ms3（10）69（10）206（20）38（5.5）3512（40）30（4.4）5518（60）26（3.8）60如果框架跨度在上表数值范围内，可以线性插入。.2 也可以采用：a 冲击波超压20Kpa，正压持续时间100ms，每面墙抗冲击波反射压30Kpa (4.4

21、Psi)。正压持续时间100ms。b 屋顶抵抗冲击波超压20Kpa（2.9PSi）和正压持续时间100ms。c 当侧墙承担正墙传递水平剪力时（见本节a）也应同时承受本节b中的同屋顶相同的冲击波超压。注：所有冲击波压力随时间（假定）线性递减。 冲击波压力和持续时间的有效静荷载。.1 结构构件的动力反应随着构件本身振动周期的变化而不同周期越长，其动力反力就越大。（因此推荐大跨度）在冲击荷载作用方向上要求构件的动承载力，其计算步骤在ASCE NO.42手册中有概括性的描述，但也可以使用其他等效的计算方法进行（考虑动力反应）。一般可按下式进行计算（见ASCE.NO.42）R=其中：R:构件要求的动力承

22、载能力，表述为等效静力荷载（冲击波压力和作用时间）的单位kpa（psi）P:构件冲击荷载Kpa(psi)A:能量吸收系数。最大位移（复位）系数Xm/XyT:持续时间系数Tto/TXm:允许最大动力变位.mm.inXy: 屈服时的实际（有效）变位.mm.inTo：冲击荷载持续时间msT：结构构件的几本自振周期.ms.2 最大允许动变位见下表 变形限值结构构件 变形系数Xm/Xy=配剪砖砌体： 1.0钢筋砼：中心受压 1.0受弯 3.0受剪 1.5钢结构梁和框架 5.0冷扎围护（封闭断面） 3.0 框架中大梁用来限制柱（变位）以抵抗侧向荷载，因此在垂直荷载作用下，其变形系数应为1.0，框架的侧移、

23、高度比率不应高于0.04。.3 （构件）的反弹承载力（与冲击荷载方向相反的）应按ASCE NO.42中的方法或其它等效方法确定。反弹承载力不能低于75的无阻尼反弹，及25的动承载力（方法计算的），两者取大值。 荷载组合.1 （构件）需要的动承载力R应按下式同其他荷载进行组合 U=D+L+R其中 U:构件要求的总动承载力 D：静荷载，或者静载引起的内力（弯矩、反力） L：活荷载，或者活载引起的内力（弯矩、反力）.2 反弹承载力只应与静载组合.3 冲击承载力不与地震及风荷载组合3.4 结构设计结构形状应简单明快， 避免布置凹角、轴线偏移及门廊、前庭等。 结构设计承载力任何结构构件的动

24、承载力应该按照结构塑性设计（AISC规范）和极限承载力方法（ACI，钢筋砼结构）确定。除了：a 材料的动力强度按下表采用；b 强度折减系数可以提高10；钢结构和钢筋的动力强度（用最小屈服强度相比）钢结构fy415Mpa (60Ksi)中心受拉受弯fay 1.2fy中心受压 2Fa*但fdy受剪 0.6fy钢结构 fy415Mpa*中心受拉 受弯 1.1fy中心受压 1.8Fa*但fdy受剪 0.55fy砼的动力强度Mpa or Psi(同28天标准圆柱体强度相比)*中心或弯曲受压 fdc1.25fc直剪 Vd0.20 fc斜截面受 Vdc0.187 (2.25)粘结 ud 0.15中心受拉 0

25、.622 (7.5)承压(fbc)0.85注：*Fa是允许压应力(按照AISC第一部分)；*此类钢材选用要征得业主工程师认可；*任何情况下不应小于20Mpa。 其他结构设计要求.1 钢筋砼结构应满足下列要求a 屋顶板及外墙应双层配筋。b 框架及剪力墙设计应符合ACI318附录A的抗震设计要求（本次修改除外）。.2 钢结构应满足以下要求a 所有构件应通过设置加劲及支撑以避免在完全塑性铰形成之前丧失稳定性。b构件间的连接承载力应不小于构件的承载力.3 无配筋砖砌体及素砼结构、无粘结后张法予应力结构或者其他脆性材料结构不应采用。3.5基础设计3.51基础设计推荐采用以下同时组合的动力反应最大值（进行

26、计算）：a 反射压；b 屋顶荷载；c 静、活荷载；动力反应的最大值可以理解为不考虑时间效应的静荷载作用下的结构总抗力（U），在任何情况下基础的承载力都不能小于结构构件所支承的极限静荷载。 冲击荷载情况下土壤的允许压力可取其极限值的80。土壤极限承载力是基于土壤试验结果并考虑在冲击荷载作用下允许的总的和不均匀变形（沉降）。 基础抗不平衡侧向动力荷载的倾覆安全系数取1.2，不考虑活荷载的影响。 需要考虑基础的被动土压力增加抗滑能力时，基础的被动土压力应该是不平衡荷载的1.5倍。所谓不平衡荷载系指总动水平荷载减去摩擦阻力。 柱基础在冲击荷载作用下的允许垂直承载力可取其极限承载力的0.8倍。 如果考虑桩来抵抗冲击荷载下的水