控制室的抗爆设计2013

控制室的抗爆设计 规范宣贯 2013年7月 提纲 提纲： 规范背景 参考资料 与控制室设计规范的关系 抗爆设计基本概念 关于爆炸的一些概念 动力计算与等效静力计算 钢筋混凝土构件在爆炸作用下的性能 旧建筑物抗爆设计 规范背景 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。 本规范: 201320082012 规范背景 建筑物抵抗爆炸作用方面的研究文献较多 常规武器的影响 核弹的影响 恐怖袭击的研究，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） 其他爆炸 我们参考的 美国土木工工程师协会（American society of Civil Engineers）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（Design of Structures to Resist Nuclear Weapons Effects,- Manuals and Reports on Engineering Practice 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。 规范背景 抗偶然爆炸结构(设计手册)（Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions）（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 （MANUFACTURING CHEMISTS ASSOCIATION）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，ABB lumous, Flour Daniel, Exxon公司以及韩国GS公司等的企业规范都采用 这种方法。 规范背景 1991年美国土木工工程师协会的石油化工能源委员会（ASCE Petrochemical Energy Committee）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（Design of Blast Resistant Buildings in Petrochemical Facilities），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（Code Requirments for Nuclear Safety Related Concrete Structures）（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（Building Code requirment for Structural Concrete）（ACI 319 - 95）相同。其中的附录C“脉动、冲击影响特殊规定” （Special Provisionsfor Impulsive and Impactive Effects）给出了脉动、冲击影响 下材料动力强度的提高（Dynamic strength increase）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。 规范背景 Flour Daniel Practice: Flour Daniel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。Flour Daniel specification：Flour Daniel 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。 规范背景 与控制室规范的关系 抗爆设计的基本概念 爆炸 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。 抗爆设计的基本概念 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（Vapor Cloud Explode，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。 抗爆设计的基本概念 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：Loss Prevention in the Process Industries, Frank P Lees, Vol. 2, 2nd Edition 关于爆炸-对设施的危害 压力 (bar)破坏程度 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 0.138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 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 (3000 lb) 遭到少许的损坏 钢结构的建设物被扭曲并脱离地基 0.345-0.483房屋几乎完全被毁坏 抗爆设计的基本概念 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（Stepgens 1970年） 抗爆设计的基本概念 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。 R R1 3 W W1 关于爆炸-爆炸相似率 0.1110100 0.01 0.1 10 100 1.103 1.104 psx y,() x 1千吨TNT爆炸，冲击波超压与距离关系 抗爆设计的基本概念 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。 抗爆设计的基本概念 抗爆设计的基本概念 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。 抗爆设计的基本概念 爆炸参数的确定 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。 抗爆设计的基本概念 抗爆设计的基本概念 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； 抗爆设计的基本概念 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。 抗爆设计的基本概念 （配置单肢箍筋的构件）（配置拉筋的构件） 抗爆设计的基本概念 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。 抗爆设计的基本概念 等效静力分析等效静力分析，有时也叫等效风载分析，除下面描述的情况外，在抗 爆分析中不推荐采用 最简单的（等效静力）分析方法。这种方法的优点是可以沿用常规的静力设计程 序。从概念上看，这同抗震设计时采用底部剪力法计算等效静力荷载相类似。由 于爆炸荷载的多样性，又允许变形，对于结构框架的抗爆分析，没有这样的公式 可算 。 对于像行政办公楼这样的建筑，距离爆炸源很远，可以采用 这种方法设计。在很 远的距离下，冲击波超压会变得非常小，而且正压作用时间变得非常长。这时就 可采用两倍的冲击波超压的等效静力荷载进行标准的弹性状态设计。这种方法适 用于超压与风载大小接近时 基础的设计通常采用等效静力分析的方法 抗爆设计的基本概念 动力分析动力分析是石化抗爆设计常用的方法。 简化动力分析在计算动力特性的基础上采用图表或者公式确定构 件最大变形。这些图表或者公式是基于假定的荷载-时间曲线得出 的。荷载-时间曲线的结果可以见Biggs, ASCE Manual 42, 和 TM5-1300。如果要精确结果，图表或者公式必须从真实的荷载- 时间曲线而得。 输入荷载和输出结果的范围存在局限性。图表可能使用于56种荷 载-时间曲线。不同的荷载假定甚至可以得出错误的结果。同时， 由于只能得出最大变形，这种方法不能得出时间-反力曲线从而