人员集中场所石化建筑抗爆改造技术研究进展

顾 蒙，党文义，凌晓东，卢 卫

(中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266071)

石油化工装置所涉及的物料大多为易燃易爆的烃类液体和气体，一旦泄漏可能发生蒸气云爆炸，会造成极大的人员伤亡和经济损失[1，2]。但在我国石化领域，只有少数新建化工企业或装置考虑了人员占用场所的抗爆安全设计，部分中央控制室或装置控制室采用了抗爆控制室设计，大部分距离生产装置较近的人员占用建筑物，只考虑了防火要求，很难满足安全生产的新要求。此外，建筑物用途改变，生产工艺改变[3]，人员集中场所扩建，防恐风险评估[4]，或者过程危险分析中发现了可能存在问题，都会要求对现有石化建筑物进行加固改造。需选用合理的抗爆改造方法，既保证项目的可施工性、经济合理性，又将风险控制在可接受的范围内。

1 石化建筑物抗爆改造评估

在对现有建筑物进行加固改造之前，需对建筑物抗爆能力进行评估，建筑物抗爆改造研究通常包括风险识别与量化、建筑物分类、破坏评估和减轻破坏4个步骤[5]。

1.1 风险识别与量化

确定可能发生爆炸的区域与爆炸规模大小，预测建筑物爆炸超压。

1.2 石化建筑物分类

为提高评估过程效率，并将重点工作放在加固改造上，石化建筑物被分为以下类别。

A类：不需要进行抗爆改造的建筑。该类建筑物爆炸超压低于最低抗爆改造要求。不同公司由于建筑水平、爆炸预测压力、可接受风险等级、经营要求的不同，对于最低爆炸超压的设定不同。如果没有更好的参考，可设定一般建筑物最低爆炸超压为6.9 kPa(不适用于可移动建筑，未加固砌体建筑)。

B类：需要进行改造，且改造后满足要求的建筑。需要进一步分析，确定合理的改造方案以满足抗爆要求。

C类：难以进行有效改造的建筑。若爆炸超压大于45 kPa，一般很难进行有效的常规改造。这种情况下，需对建筑物拆除重建，或者在建筑物周围新建抗爆保护壳，保护现有建筑。

1.3 破坏评估

对于需要进一步评估的建筑，进行完整的工程评估，确定爆炸对建筑物每个构件的破坏程度及后果。

1.4 减轻破坏

对建筑进行抗爆加固改造，将风险控制在可接受的范围内。

2 石化建筑物抗爆加固改造

石化建筑物抗爆改造可能受到许多限制因素的影响，使得它的加固设计、施工等均要比新建建筑结构复杂[6]。通常基于爆炸载荷、现有石化建筑物结构特征、改造成本、加固施工对周围环境的影响和建筑物使用功能需求等对现有石化建筑进行加固设计。

2.1 结构连接处加固

如果不需要拆除现有的内墙和设备，并且改造后足以抵御爆炸载荷，那么加强结构连接是对现有建筑最有效的改造。这种改造适用于对于爆炸荷载具有足够抗弯能力，但抗爆能力因其连接条件而受到限制的结构。一种典型的剪力连接是由一个带有两个螺栓的剪切板组成的。当爆炸载荷作用于梁时，连接可能由于螺栓损坏、剪切板破坏而失效。这种类型的连接改造可以是将剪切板焊接在梁上，使用高强度的螺栓代替低强度螺栓，螺栓孔也可以扩大以安装大直径螺栓。

2.2 框架结构加固

框架结构可以通过增加截面来加固。例如，外包型钢加固法、黏钢加固法，新增部分与原构件组合成一个整体共同工作，可有效地提高构件承载力和刚度，改善构件的安全性能[7]。钢框架构件还可以通过增加横向支撑来改造，以减少有效框架构件跨度，并将弯矩承载力传递到一个横向简支上，见图1。对于混凝土梁柱，还通过增配钢筋加固，该方法不仅可以提高构件的抗弯和抗剪能力，而且可用以修复已损伤的混凝土构件截面，使之提高其耐久性能[8]。

图1 混凝土梁柱增配钢筋加固

2.3 砌体墙加固

许多石化建筑中包括砌体墙，砌体结构缺乏延展性，抗剪、抗拉、抗弯强度较低[9]，具有较低抗爆能力。目前有许多方法可以加固砖墙，以增加它们的抗爆能力，包括许多已经被开发用来抵抗炸弹爆炸荷载的方法。然而，通常只有少数的这些改造方法是适用于工业爆炸，因为工业爆炸载荷正压作用时间通常远大于TNT炸药正压作用时间[10]。常见的用于工业爆炸中墙体的抗爆改造方法包括：将垂直钢柱安装在墙壁上、钢筋混凝土外加层加固、将高强度纤维增强材料粘合到墙面上以及喷涂抗爆涂层[3]。

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2.3.1钢柱加固改造

与其它大多数的改造相比，在砌体墙上安装钢柱需要占用的空间最小。钢柱可以安装在墙壁的内部或外部。如图2所示，放置在建筑物外部可以避免影响室内设备及建筑物正常使用。垂直钢柱加固改造可以设计成非常高的抗爆能力，这取决于柱子的大小和间距。这些柱子能抵抗在向内和回弹阶段时的冲击载荷作用，还可以用来抵抗来自防爆门窗的反作用力。

2.3.2钢筋混凝土外加层加固

在原墙体表面叠浇钢筋混凝土加固层，使新墙体和现有墙体之间形成复合作用，以增加整体壁厚及抗弯、抗剪能力。如果要求的厚度增加有限，并且增加的墙壁重量不需要修改现有的地基，这种改造是可行的。

2.3.3粘贴纤维复合材料加固

纤维增强复合材料根据纤维材料材质的不同可分为:碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)[11]。纤维复合材料具有强度高、刚度大、优异的耐腐蚀、抗疲劳性能的优点。纤维复合材料及其粘贴方式分别如图3、图4所示。粘贴纤维复合材料加固法，是使用高性能的黏结剂把纤维布粘着在需要加固的结构构件表面，使其与原构件协同发挥作用，从而提升既有建筑的抗弯、抗剪、抗压承载力[12-14]。

图2 垂直钢柱加固砌体墙

图3 纤维增强复合材料

图4 纤维复合材料加固砌体墙的粘贴方式

2.3.4喷涂抗爆涂层加固

聚脲弹性体是一种喷涂于结构表面以应对动态荷载下结构的破裂、碎片飞溅、变形响应的弹性体聚合物。如图5所示，喷涂聚脲涂层能够提高墙体结构的强度、韧性和刚度，增加未加固砌体结构的抗爆能力[15]。此外，喷涂聚脲加固层还可有效减少砌体结构在动态荷载作用下碎片的产生，有效降低室内人员的伤亡[16]。

几乎所有的墙壁都可以通过在现有墙体外增加抗爆墙来进行改造。在抗爆墙和现有墙体之间，应该保持一个大于预期的抗爆墙挠度的间隙。这将防止抗爆墙由于对爆炸荷载的动态响应，偏离到现有的墙，并使它损坏。同时需要注意，抗爆墙的突然偏转会减少抗爆墙和现有墙体之间的空隙体积，从而增加了空气压力，进而破坏现有墙体。在现有墙壁上开凿小通气口，抗爆墙与现有墙保持足够的距离，就可以防止这一潜在问题。如果需要的话，这些通风口可以用低强度、轻质材料覆盖。这种加固方式的优点是不需要开展任何建筑内的工程改在，并且改造前后建筑外观相接近。

图5 砌体墙喷涂聚脲涂层

2.4 屋顶加固

屋顶通常很难加固，往往是建筑物改造成本的重要部分。在建筑物外部改造可供选择的方法有限，若在建筑物内部改造，则常常需要移除吊顶、暖通管道和其它布线系统，改造工期长。在需要进行外部改造时，最实用的方法是在现有屋顶上安装新的防爆庇护屋顶系统，使现有的屋顶免受爆炸冲击。如果现有屋顶上安装了空调机组，则必须在新屋顶和暖通空调系统安装之前，向建筑物提供临时空调。

2.5 拦截系统加固

在建筑物内可以放置各种“拦截墙”和“拦截屋顶”系统，以防止墙壁和屋顶系统产生的碎片造成建筑内人员伤害。这些系统通常用于面积小、人员集中场所，并且这些场所的建筑物的框架可以抵抗爆炸荷载，但是屋顶或墙面若不改造将难以抵抗爆炸负荷。“拦截墙”改造包括在人员集中区域的周围构建带有重钢格栅的室内钢框架，在人员集中区域前放置室内防爆墙系统。“拦截屋顶”安装在原屋顶之下，由钢管横梁支撑着重钢格栅，刚栅的设计目的是，当屋面板和托梁在爆炸荷载作用下失效时支撑原屋面板和托梁。

2.6 防爆外壳加固

当加固现有结构的方案不可行时，可用钢筋混凝土或钢框架及防爆板在现有建筑物周围建造一个独立的壳体或“茧”结构。钢筋混凝土抗爆外壳可以选择现浇或预制墙和屋面板。显然，这通常是最昂贵的改造方案。然而，抗爆外壳依然有部分优点：

a)大部分工作都是在建筑物外面完成，建筑物使用的中断能最小化。

b)外壳可以满足几乎任何特定的防爆标准。对于某些荷载上限，其它加固改造方法是不适用的。

c)对于抗爆外壳而言，连接的可施工性容易实现。而将新改造组件充分连接到现有建筑物的过程是相当困难的。

3 建筑物抗爆加固方法总结

现有石化建筑物抗爆加固改造有多种选择，可以从很小的升级，比如窗户加固，到非常重大的改造，比如在现有的建筑周围建造一个坚固的混凝土外壳，或者“茧”一样的结构。一般而言，建筑物抗爆能力提升改造可以分为3类基本方法，各类方法抗爆能力的提升等级见表1。

a)加固已有建筑构件或建筑构件的连接。

b)允许建筑构件破坏，但其产生的碎片由拦截系统拦截，避免建筑物内人员伤亡、设备损伤。

c)建筑周围新建抗爆保护壳，保护现有建筑。

表1 石化建筑物抗爆加固方法总结

需要注意的是，拦截系统不能应用于带承重墙的建筑。常规建筑构件抗爆能力提升系数：低(100%～150%)，中(150%～300%)，高(>300%)。由于不同建筑的规模、材料强度和其它特性各有差异，建筑物抗爆能力实际的增加有很大的不同。此外，当进行抗爆改造时，需要考虑一些减少碎片伤害的非结构性改造。例如：减少或者消除建筑物内可能脱落的重物。对所有屋顶上方的设备、灯、吊顶进行连接加固。将所有的书架固定在墙上。拆除门口附近可能倒塌，堵塞门口的围墙[5]。

4 石化建筑物抗爆加固改造技术的发展

石化建筑抗爆改造不同于一般建筑物改造，改造成本不仅包括建筑成本，还包括由于改造而导致的停工时间成本。石化企业正常生产的中断，将会极大的增大改造费用。纤维复合材料、抗爆涂层加固方法，不仅可以充分发挥材料的高强性能，而且施工方便，操作性强，占用空间小，加固效果显著，无论是可施工性、经济合理性及加固效果方面，都比其他加固方法有较大的优势，值得进行更加深入的研究与探索。此外，推进纤维复合材料、抗爆涂层国产化可进一步降低工程造价。

目前国内关于石化建筑抗爆试验研究较少，由于建筑物在爆炸冲击波荷载作用下的复杂性，为确定影响建筑物的结构破坏形态及抗爆性能的因素，应研发可靠、有效的室内外实验装置和实验方法，同时加强对加固建筑结构在抗爆原理、理论分析和设计计算方法等方面的研究，为指导石化建筑加固提供依据。

对于石化工程中哪些类型建筑物需要进行抗爆设计，国内缺少相关的指导性规范。GB 50779-2012《石油化工控制室抗爆设计规范》规定，当控制室未进行爆炸安全性评估时，抗爆设计采用固定载荷法，未考虑现场实际情况。对于现有建筑物加固改造为抗爆建筑，GB 50779-2012也没有给出明确规范。标准与规范的缺乏将会限制加固技术在国内的发展，需制定有关的技术标准与规范，使得抗爆构件计算分析方法、爆炸超压、加固施工要求等一系列工作有章可依。