石油化工企业中心控制室建筑结构设计探讨.pdf

第 5 O卷第 3 期 2 0 1 4年 6月 石油化工自动化 AUT MATI ON I N P ETR0一 CHEMI CAI I NDUS TRY Vo 1 ． 5 0 ，No ． 3 J u n，2 0 1 4 石油化工企业 中心控制室建筑结构设计探讨 王耀东 中石化宁波工程有限公司， 浙江 宁波 3 1 5 1 0 3 摘要 分析了石油化工装置中心控制室的功能特点， 阐述了中心控制室抗爆设计的必要性； 深入探讨了中心控制室的布置、 室 内环境要求 、 建筑 门窗及构造 的抗爆措施 、 建筑屋面和外墙保温的做法 、 结构抗爆计算 、 结 构各参数 的变化对抗爆结构 的影响 ； 结合工程实例阐述 了中心控制室抗爆设计 的要点 。 关键词 中心控制室抗爆结构冲击波 中图分类 号 T U 7 6 1 ． 1 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 4 0 3 0 0 2 0 0 4 St u dy o f Ar c hi t e c t u r a l S t r u c t ur e De s i g n f o r Ce nt r a l Co nt r o l Ro o m i n Pe t r o c h e m i c a l Pl a n t W a ng Ya o d on g S i n o p e c Ni n g b o En g i n e e r i n g Co ．L t d ． ，Ni n g b o，3 1 5 1 0 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t F e a t u r e s o f t h e p e t r o c h e mi c a l p l a n t c e n t r a l c o n t r o l r o o m C CR a r e s t u d i e d ，a n d t h e n e c e s s i t y o f b l a s t - r e s i s t a n t d e s i g n i s s t a t e d ． Th e l a y o u t o f CC R， t h e r e q u i r e me n t o f i n t e ma l e n v i r o n me n t ，t h e b l a s t - r e s i s t a n t meas u r e s o f d o o r s a n d wi n d o ws a n d s t r u c t u r e ， t h e p r a c t i c e o f b u i l d i n g a n d e x t e r n a l wa l l t h e r ma l i n s u l a t i o n 。t h e c a l c u l a t i o n o f b l a s t - r e s i s t a n t s t r u c t u r e a n d t h e i n f l u e n c e o n b l a s t - r e s i s t a n t s t r u c t u r e c a u s e d b y s t r u c t u r e p a r a me t e r s v a r i a t i o n ．a r e e x p l o r e Th e k e y p o i n t o f CC R b l a s t - r e s i s t a n t d e s i g n i s i n t r o d u c e d b a s e d o n t h e p r a e t i c a l p r o j e c t Ke y wo r d s c e n t r a l c o n t r o l r o o m；b l a s t r e s i s t a n t s t r u c t u r e ；s h o c k wa v e 随着信息化的不断深入 ， 管理与控制一体化变 得越来越重要， 而中心控制室作为管控一体化的中 心， 已经被列为全厂性重要设施之一 ， 具有生产操 作、 生产过程控制、 安全保护 、 先进控制与优化 、 仪表 维护、 仿真培训、 生产管理及信息管理等一系列功 能。在中心控制室中， 不仅安装有大量贵重的控制 设备和计算机， 还有一定数量的操作和系统维护人 员、 生产管理人员、 生产调度人员 ； 而石油化工企业 中许多生产装置具有易燃、 易爆的特性 ， 中心控制室 必须为内部人员及控制设备提供保护 ， 确保全厂在 任何情况下都能正常生产 ， 并且在事故状态下能够 及时采取应急措施 ， 控制事故状态 ， 抑制灾情蔓延 ， 避免次生灾害 ， 中心控制室的抗爆设计已成必然。 为此， S H／ T 3 O O 6 2 O 1 2 石油化工控制室设计规 范 规定 “ 中心控制室宜布置在生产管理区； 对于有 爆炸危险的石油化工装置， 中心控制室的建筑结构应 根据其相邻装置在设计寿命期间内可能发生爆炸的 概率、 类型及可能产生的破坏特征进行安全评估， 安 全评估报告作为中心控制室抗爆设计的重要依据” 。 1 中心控制室建筑设计要点 1 ． 1 总体布置要求 中心控制室应独 立设置 ， 不应与变 配电所相 邻 ； 宜布置在非爆炸危险区域内， 尽可能远离装置 ， 且不应被装置包围 ， 与其他建构筑物或装置的防火 间距应 同时满足 G B 5 0 1 6 0 --2 0 0 8 { 石油化工企业 设计 防火规范 的相关规定 。建筑物所在场地标高 不应低于相邻装置区的地坪 ， 并远离产生振动及噪 声的设备 ； 为了保证装置在爆炸力下即使产生巨大 的塑性变形也不会垮塌 ， 钢筋混凝土抗爆整体结构 外形要求为长方体 ； 同时为减少受力 ， 要求建筑物 尽可能紧凑 ， 宜为 1层建筑 ， 不应超过 2层 ； 高度尽 可能低 ， 既不设凸出的部件 ， 如雨篷等 ， 也无阴角造 型， 以防止爆炸力的积聚和结构应力集 中； 安全 出 口应开 向不同方 向且数量不少于 2个 ， 当人员的安 全出口面向有爆炸危险的生产装置 时， 必须在抗爆 门的外侧设置有顶的抗爆墙等防护措施。 1 ． 2 室内环境 抗爆的中心控制室为封闭性建筑 ， 室内采用人 工照明， 应进行温度和湿度控制 ， 重要房 间采用恒 稿件收 到 日期 2 0 1 4 0 4 0 9 。 作者简 介王耀东 1 9 6 5 一 ， 男 ， 1 9 8 7年毕 业于甘肃 工业大学工业 与民用 建筑专业 ， 现就职于 中石化 宁波工程有限公司土建室 ， 长期 从事石 油化工结构专业工程设计与管理工作 ， 任高级工程师 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 王耀东． 石油化工企业中心控制室建筑结构设计探讨 2 1 温、 恒湿的全空气 空调系统 ， 一般房间采用舒适性 空调系统。操作室、 机柜室、 工程师室、 UP S间、 电 信室等为重要房间， 其冬季温度为 2 0 2 ℃， 夏季 温度为 2 6 --2 ℃； 其相对湿度为 4 O ～6 O ； 操 作室 、 工程师站 、 电信室的噪声不得大于 6 5 d B， 机 柜室 、 UP S室的噪声不得大于 7 5 d B 。 1 ． 3 建筑功能设计 在石油化工项 目中， 由于装置 的多样 化、 规模 超大化 、 高度 自动化 的生产特点 ， 作为全厂生产装 置的中枢 ， 中心控制室 的规模越来越大 ， 其主要功 能房问包括操作室 、 机柜室、 工程师站 、 空调机室、 UP S室、 电信设备室、 打印机室、 过程计算机室、 备 件室及安全消防监控室； 辅助房间包括交接班室 、 生产调度室 、 会议室、 办公室 、 更衣室、 资料室 、 休息 室 、 接待室 、 培训师、 卫生间等。功能房间的面积根 据控制系统的操作站 、 机柜和仪表盘等设备数量及 布置确定。辅助用房设计 中应根据使用人数合理 确定房间的建筑面积 ， 优先布置重要房间， 保证有 关联的房间紧密布置 ， 使用方便。 1 ． 4 建筑门窗 在 中心控制室的抗爆设计中， 建筑外门是抗爆 防护体系中的最薄弱点 ， 因而对抗爆防护门的数量 和尺寸应严格控制， 以满足最基本的功能要求为设 计原则。建筑外门可分为两种类型， 即人员通道的 抗爆门和设备通道 的抗爆 门。 人员通道 的抗 爆 门洞 口尺寸 宽度 不宜 大 于 1 ． 5 m， 高度不宜大于 2 ． 4 m， 抗爆外 门的计算荷 载与所在墙面计算 冲击波超压相 同， 隔离前室 内 的其他内门也应 选用 抗爆防护门 ， 其 计算 冲击波 超压为外 门计算 冲击波超压 的 5 0 ； 并确保在计 算荷载作 用下 ， 内外抗 爆 门均处 于弹性 状态 ， 所 有人员通道 门均外 开并设 置门镜或抗爆观察 窗 ， 以便于事故状态下人 员可观察 门外侧 的状 况 ， 可 以安全撤离 。 设备通道抗爆 门的洞 口应满足设备进 出的要 求 ， 可以不设抗爆隔离前室， 在不使用时将保持完全 封闭的状态， 其计算荷载与所在建筑墙面计算冲击 波超压相同， 在计算荷载的作用下， 处于弹塑性状态。 由于飞散 的破碎玻璃在爆炸时对人员 的威胁 最大 ， 因此应严格 限制建筑外墙上玻璃的使用 ， 中 心控制室的次要房间如卫生间、 餐厅等可以开设面 积较小的固定抗爆防护窗， 其计算荷载与所在建筑 墙面计算冲击波超压相同。重要房 间不应在外墙 开设窗户 ， 避免装置爆炸后产生 的有害烟 、 气 、 火 、 热流等可能通过炸坏的窗洞 口进入 中心控制室内。 内窗和内部玻璃隔断应采用金属框架及安全玻璃 。 1 ． 5 建筑屋面 屋面应具有防水 、 保温及隔热的性能 ， 其防水 等级应为 I级 。屋顶上不应覆盖石砾或松动的混 凝土砖 ， 不得采用装配式架空 隔热构造 ； 女儿墙宜 采用钢筋混凝土结构， 在满足屋面防水构造要求的 情况下取最小值， 应根据爆炸力的特性加以验算， 确保在爆炸力作用下不至于破坏或产生碎块 ， 防止 爆炸时飞到空 中伤人。 1 ． 6 其他建筑要求 抗爆的中心控制室建筑具有其特殊性 ， 既不属 于可燃物较多的生产厂房， 又不属于人员较多的公 共建筑， 根据 S H 3 0 1 7 --1 9 9 9 { 石油化工 生产建筑 设计规范 ， 其火灾危险性等级划分为丁类 ， 耐火等 级为一级 。设计中应按民用建筑考虑其防火分区、 安全疏散 、 建筑节能。 2 结构设计要点 2 ． 1 结构布置要求 抗爆设计 不 同于一般 的工业 与 民用建 筑设 计 ， 主要表现为爆炸产生 冲击波对结 构表面产生 巨大的压力 ， 所 以在 GB 5 0 7 7 9 --2 0 1 2 { 石油化 工 控制室抗 爆设 计 规 范 的基本 规 定 中作 出 了平 面宜为矩 形 、 层数宜 为 1层不应 超过 2层 、 结 构 宜为钢筋混 凝 土 结构 的要 求 ， 但 这 只 是基 本 要 求 ， 根据设计 经验 ， 在结 构设计 时尚需考虑 以下 要求 1 根据爆炸产生冲击波对结构表面产生 巨大 压力的特点， 控制室抗爆结构设计首先应考虑如何 减小作用在结构上的冲击波 。 2 要求抗爆建筑物应该尽量远离爆炸源 ， 即 使受场地限制 ， 建筑物离爆炸源的距离也不宜小于 3 0 m 。 3 冲击波参数要由安全专业人员考虑石油化 工装置性质、 平面布置、 风向等因素， 运用安全模拟 分析软件计算后提出。 4 仅有不应超过 2层要求是不够 的， 还应尽 量降低抗爆建筑物的高度 。 5 要选择合理 的结构类型 。由于圆形及地下 式的抗爆结构抗爆性能好 ， 但是存在不易 布置 、 施 工难度大等问题 ， 故一般选择建筑平面为矩形的框 剪力墙结构方案， 美国的相关抗爆规范对结构 类型的选择要求也 是如此。框架一 剪力墙结构 中， 钢筋混凝土墙承受水平爆炸力 不承受竖直方向的 荷载 ， 侧墙承受前墙通过屋盖传递的水平剪力， 框 架部分承受竖直方 向的自身重力及竖向爆炸荷载 ， 框架 一般 为 钢筋 混凝 土 框架 ， 也 可 采用 钢结 构 框架 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 石 油化工 自动化 第 5 O卷 2 ． 2 爆炸荷载取值 爆炸荷载是一种偶然作用， 冲击波压力大且持 续时间很短。在石油化工装置 中最常见 的爆炸为 蒸汽云爆炸 ， 其冲击波参数是由安全专业人员考虑 石油化工装置性质、 平面布置、 风向等因素 ， 运用安 全模拟分析软件 ， 模拟计算后得到。当没有进行安 全评估时 ， 采用冲击波峰值入射超压 2 1 k P a ， 正压 作用时间 1 0 0 ms ， 该参数近似相当于直径 6 0 m， 高 4 m 乙烷体积分数为 6 的气体爆炸， 距中心距离 7 5 m处产生 的冲击波超压 ， 这与美 国相关 规范的 规定是一致的。 2 ． 2 ． 1 爆炸荷载的基本参数 确定爆炸荷载参数冲击波峰值入射超压 P 。 和 正压作用时间 t a以后， 按下列公式换算作用在建 筑物各个部位的荷载。 波速 一 3 4 5 1 0 ． 0 0 8 3 p 1 式中 一冲击波波速 ， m／ s ； 冲击波峰值 入射超压， k P 。 峰值动压 P 。 P 。一 2 ． 5 7 p P ≈ 0 ． 0 0 3 2 2 式 中 P 。 峰值动压， k P ； P 环境标准大 气压 ， k P 。 冲击波的波长 L L 一 v t d 3 式中 L 冲击波波长 ， m； t a 冲击波正压作 用时间 ， s 。 2 ． 2 ． 2 前墙冲击波荷载参数 峰值反射压力 P P 一 24 - 0 ． 0 0 7 3 p 。 。 4 式 中P 一 峰值反射压力 ， k P 。 停滞压力 P P 一 P 。 4 - CaP 。 5 式 中 P 停滞压力 ， k P ； C a 一一 拖曳力 系数 ， 取决于障碍物表面的形状及朝向。 前墙正压等效作用时问 t 一 3 S ／ v t d 6 式 中 ￡ 反射压持续时间， S ； s 停滞压力点 到建筑物边缘的最小距离， 取 H 或 B／ 2中的较小 值 ， i n 。 t 一 2 1 ／ p 一 t d ～ p 。 ／ p t c 7 式 中 前墙正压等效作用 时间， S ； 1 w 正 压冲量 ， j 0 ． 5 P 一P t 0 ． 5 p t d 。 2 ． 2 ． 3 侧墙及屋面冲击波参数 侧墙以及平屋 顶建筑物 屋 面坡 度小于 1 0 。 屋面上的冲击波荷载参数 P P C P 。 _ _ Ca p 。 8 t 一 Ll ／ v 式中 P a 作用在侧墙及屋面上的有效冲击波超 压， k I a ； t r 侧墙及屋面有 效冲击波超压 升压 时 间， s ； L 冲击波前进方 向结构构件的长度 ， m。 2 ． 2 ． 4 后墙的冲击波荷载参数 Pb C o P 。 Cd p 。 t 一 D／ v 9 t r h S ／ v 式 中P 作用 在后墙 上 的有效 冲击 波超压 ， k P ； t a 冲击波达到后墙的时间 ， S ； D 冲击 波前进方 向建筑物宽度 ， m； t r b 后墙 上有效冲 击波超压升压时间 ， S 。 构件受到冲击波荷载作用后 ， 在一段时间内作 往复运动 ， 按 G B 5 0 7 7 9 -- 2 0 1 2 石油化工控制 室抗 爆设计规范 第 5 ． 5 ． 2条进行验算 时， 还应该考虑 构件 回弹 的荷载效应可能为负值的问题 。 2 ． 3 结构设计要点 GB 5 0 7 7 9 --2 0 1 2 { 石油化工控 制室抗 爆设计 规范 第 5 ． 2 ． 3 条规定 “ 不得任意提高钢筋强度等 级和加大配筋 面积” 。该条规定 的前 提条件 ， 是抗 爆构件的钢筋强度等级和钢筋面积应提高计算确 定 ， 即经计算确定后的钢筋强度等级和配筋面积不 得任意提高 ， 这对抗爆构件十分重要 。抗爆建筑设 计不同于一般的工业与民用建筑设计 ， 抗爆结构要 求构件有较好的变形能力 以适应在爆炸荷载下的 变形 ， 因而要求结构设计时尽量采用高强度等级的 钢筋和低强度等级的混凝土 ， 但混凝土 的强度等级 不得低于规范规定的 C3 0 ， 建议尽量采用 C 3 0 。 1 有关裂缝 的控制 。G B 5 0 7 7 9 --2 0 1 2 { 石油 化工控制室抗爆设计规范 第 5 ． 1 ． 2 条规定对结构 构件的裂缝可不进行验算 ， 这对于在偶然爆炸荷载 作用下要求结构裂而不倒、 构件进入塑性变形的前 提下是正确 的， 但随着石油 化工企业规模 越来越 大 ， 控制室 的规模也越来越大 ， 其平面尺寸 ， 尤其是 中心控制室的长度尺寸严重超过 GB 5 0 0 1 0 --2 0 1 0 混凝土结构设计规范 规定 的设置温度缝 的长度 要求 ， 这对在正常工作状态下 ， 控制室建筑的外墙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 王耀东． 石油化工企业中心控制室建筑结构设计探讨 2 3 保温要求越来越高。 2 有 关抗爆外 墙孔洞 。无论 是 国标还是 行 标 ， 抗爆规范都严禁在抗爆外墙上的任意位置设置 孔洞。规 范 对 门窗 孔 洞 尺 寸 也 作 了 限 制G B 5 0 7 7 9 --2 0 1 2第 4 ． 2 ． 1 2对 门窗孔洞做出了不得 大于 1 5 0 0 mmX 2 4 0 0 mm 的 限制； G B 5 O 7 7 9 2 0 1 2 第 4 ． 2 ． 1 3同时要求洞 口需满足设备进出 的要求 ； 电缆进 口采用地下进 口； 要求 门窗等外墙 附件的抗爆 荷载与所在 外墙 的 冲击波超 压荷 载 相同。 3 有 关 抗 爆 外 墙 设 置 附 件 的 问 题 。S H 3 1 6 0 --2 0 0 9 石油 化工 控制 室抗 爆设 计规 范 第 5 ． 3 ． 1 条规定抗爆外墙不得设置普通雨棚、 挑檐等 建筑装饰物， 同样也不得设置诸如电缆支架等其他 构件 ， 主要原 因是难以满足附件的抗爆荷载与所在 外墙的冲击波超压荷载相同的要求 ； 事故中外设构 件容易造成次生伤害。 3 结束语 随着国家对安全的 E l 益重视 ， 石油化工装置中 心控制室的抗爆设计更加重要 ， 但 同时要注意在建 筑布置时不能把控制室的功能扩大化 ； 平面布置 、 层数的要求须满足相关规范的规定 ； 结构设计要注 意在计算后不得任意提高钢筋强度等级和加大配 筋面积 ， 以免造成投资增大的同时， 也无法满足规 范的要求 。 参考文献 [1] 中国石化集 团洛阳石油化工工 程公司． S 卜 I ／ T 3 1 6 0 2 0 0 9石 油化工控 制 室抗 爆 设 计 规 范 [ s ] ． 北 京 中 国 石 化 出版 社， 2 0 1 0 ． [2] 刘武 ， 路以宁 ， 张俊 ， 等． GB 5 0 7 7 9 -- 2 0 1 2石油化 工控 制室 抗爆设计规范I s ] ． 北京中国计划出版社， 2 0 1 2 ． r 3]AS C E ． De s i g n o f B l a s t - 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