控制室的抗爆设计2011-09

规范由来
• 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。
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。
关于爆炸-爆炸荷载
• • • • 爆炸危险性分析给定； ASCE Manual 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。
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。
– 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-对设施的危害
压力 (bar)
0.001 0.002 0.003
破坏程度
讨厌的噪音 (137 dB)，低频 (10-15 Hz) 偶尔震破受压的大玻璃窗户 高噪音 (143 dB)，声音震破玻璃
0.007
0.01 0.021 0.028 0.034-0.069 0.048 0.069 0.069-0.138
震破受压的小窗户
典型玻璃破碎的压力 “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 有限的较小结构损坏 大小窗户通常会被粉碎 对房屋的结构造成较小的破坏 房屋部分毁坏，无法居住 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 造成建设物架的钢结构轻微地扭曲 房屋墙和屋顶部分坍塌 没有加固的混凝土或空心砖的墙壁被粉碎
R R1
3
W W1
关于爆炸-爆炸相似率
1 10 4
1 10
3
100
p s ( x y)
10
0.1
1
10
100
0.1
0.01 x
1千吨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。
• 《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。
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（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。
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（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 Provisions for 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。
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) 0.02 0.35 人体受害程度 “安全” 耳膜受损
0.55
0.70 0.76 3.00
Fra Baidu bibliotek
致命的脑部受损
严重的肺部受损 致命的身体受损 生命威胁
来源：Loss Prevention in the Process Industries, Frank P Lees, Vol. 2, 2nd Edition
规范由来
• 《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。
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（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。
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：
0.207-0.276
0.276 0.345
0.345-0.483 0.483 0.483-0.552 0.621 0.689
20.68
关于爆炸-对部分炼油设施的危害
爆炸超压对受到冲击的部分炼油设施的影响（Stepgens 1970年）
压力 (bar) 0.17 0.20 0.24 0.34 0.37 0.41 0.51 0.82 破坏程度 加热炉结构移动、管线破裂 再生器电线切断 裂化反应器电线切断；管架框架变形 加热炉翻倒\破坏 再生器框架变形 管架框架倒塌、管线破裂 再生器倒 裂化反应器倒
0.09 0.138 0.138-0.207
关于爆炸-对设施的危害
0.159 0.172 0.207 严重结构损坏的最低限度 砖砌的房屋受到50% 的破坏 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 无结构的钢板建筑物被破坏 储油罐破裂 轻工业厂房的复合钢结构破裂 木杆被折断 在建筑物里的大型水压机 (40,000 lb) 轻微损坏 房屋几乎完全被毁坏 装货的货车箱倾覆 没有被加固、8-12"厚的砖块因扭曲/弯曲而失效 装货的货车车箱完全被毁坏 房屋可能完全损坏 大型机床 (7000 lb) 被移动并遭严重损坏 特大机床 (12,000 lb) 幸免 弹坑边的极限
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。