抗爆机柜间的建筑设计

柏 丽

（中科合成油工程有限公司，北京 101400）

在石油化工行业对有爆炸危险的工艺装置进行设计时，要将这类事故发生的几率降至最低限度。尽管此类事故发生的可能性很小，但是，当事故发生时，其后果将极其严重，包括人员、财产和经济损失，以及存在公共安全隐患。若发生类似爆炸事故，则会导致大量设施严重损坏或建筑物坍塌。因此，需要对一些关键建筑物进行抗爆处理，以便保护内部人员的安全及对装置运行产生的影响降至最低。

1 建筑物抗爆的基本目标

1.1 人员安全基本目标

人员安全指的是抗爆设计应为在建筑物内的人员提供安全级别，该级别不得低于当发生爆炸时，在建筑物外人员的防护等级。以往的事故表明许多设施的损坏以及人员的严重伤亡都是由于建筑物的坍塌砸压到了建筑物内人员造成的。本标准设计的目标就是降低建筑物本身在爆炸中成为危险因素的可能性[1]。

1.2 控制停车基本目标

控制停车指的是抗爆设计的另一个目标是防止工艺装置失控导致级联事故，使得其影响扩散。当在一个装置发生事故时，不应影响其他装置继续安全运行或有序停车。

1.3 经济考虑基本目标

经济考虑指的是避免造成经济损失或将经济损失降至最低，是抗爆设计的又一目标。凡建筑物内有业务资料、关键或基本设备、昂贵及长周期设备或一旦损坏会对整个石油化工厂造成重大影响或经济损失的设备，需对这类建筑物进行保护。

2 抗爆机柜间建筑结构的总体布置规定

抗爆机柜间建筑结构的总体布置规定通常状况下指的是宜布装置需要设计在工艺装置一侧的区域，周边不可以同时排布甲、乙类相关装置，并且在设计抗爆类型的建筑物相关场地处不得低于临近装置排布区域的地坪高度；抗爆类型的建筑需要进行独立的设计与排布，不可以和非抗爆类型的建筑合并施工，假如受到现场环境的限制，抗爆类型的建筑和非抗爆类型的建筑物必须要进行合并施工建造的情况下，需要设计相应的方案用于防范非抗爆类型建筑可能对抗爆类型建筑物内部的工作人员以及相关设施带来的二次伤害；抗爆类型的建筑物，其比较狭窄的一侧需要朝向爆炸风险最大的爆炸源的一侧；抗爆类型的建筑不应该在有可能发生气体泄漏的位置设计主导风向的下风口区域，当位于可能泄漏气体源主导风向的下风处时，应采取隔离措施[2]。

3 抗爆机柜间的体型要求

抗爆机柜间的体型要求一般情况下指的是抗爆类型建筑物的平面适合设计成矩形，建筑主体的层数最好为一层，如果有现实需要也不应该超过两层。抗爆类型的建筑其外形需要满足简单以及规则的要求，外墙以及屋面不可设计有发生爆炸的情况可能产生飞溅碎片或者阻塞相关通道的装饰物。抗爆类型的建筑不可以设置室外的楼梯或者雨蓬装置，如果有钢筋混凝土材质的雨蓬必须经过抗爆情况的数值验算并保证在爆炸工况时不能发生破坏的情况。

4 抗爆机柜间的构造要求

抗爆机柜间的构造要求通常状况下指的是抗爆建筑物的抗爆门窗、抗爆类型的阀门必须符合相关抗爆标准要求，设计文件内必须标明相应的爆炸荷载数值，并要确保日常使用时间内抗爆门处于关闭的状态之下。门扇必须设计成朝外开启的结构，并且需要设计自动闭门器装置，并且配备逃生用的门锁以及抗爆用的观察窗装置；抗爆门的门框和门扇间需要保持密封状态；在隔离前室的内、外门需要具备不同时刻可以启动的联锁功能；设备通道处的抗爆门装置，门扇应向外开启，且不应镶嵌玻璃窗，配置抗爆门锁。墙体保温宜采用外墙外保温构造，燃烧方面的各项性能指标的等级在GB8624—2019《建筑材料及制品燃烧性能分级》标准中的定义属于A级的等级标准，其外部装饰材料的表面需要采用整体结构的模式。吊顶周边与建筑外墙之间应设置变形缝，宽度不小于50 mm；室内活动地板与建筑外墙之间应设置变形缝，宽度不小于50 mm。抗爆类型的建筑不适合设计相关变形缝类的结构，如果现场实际情况必须要设计相应变形缝的情况下，必须保证其满足相应的设计规范和要求，并且必须实施可以抵抗对应爆炸荷载的抗爆类密封方案。

抗爆机柜间的平面设计要求：依据GB50779—2012《石油化工建筑物抗爆设计规范》及多个项目的抗爆机柜间的实践，对抗爆机柜间的平面设计进行了优化。

5 隔离前室的设置以及抗爆防护措施

在宁煤项目的图纸消防审查中，专家提出了门相对于抗爆墙的强度来说比较薄弱，机柜间隔离前室的两个门正对，有被炸穿的可能，会威胁到机柜间内人员的安全，因此机柜间隔离前室的门应尽量错位开启。

尽量不在爆炸危险区开设人员安全出口，如受条件限制而开向有爆炸危险性的装置时，则优先采取有顶抗爆墙的防护措施。没有顶抗爆墙时，则采用隔离前室的两门完全错位开启，最好不同方向设置。

6 房间布置

《石油化工控制室设计规范》表4.3.3相关技术要求：第一点所规定的是操作室必须和机柜室、工程师办公室进行邻近形式的布置，并且各个房屋之间需要有门，实现相通；第二点所规定的是工程师办公室、机柜室和辅助房间处于相邻的状态下，不允许出现有门相通的状况；第三点所规定的是UPS电源控制室必须和机柜室相邻布置。

空调机室与操作室、工程师办公室、机柜间不相邻布置，采用走道隔开布置。石油化工控制室总布置图如图1所示。

图1 石油化工控制室总布置图

7 建筑疏散

机柜间整体建筑至少在两个不同方向设置安全出口，并设置隔离前室。现场机柜间里的机柜室房间建筑面积大于400 m2时，安全出口不少于2个。走廊的疏散设计中参考了民用建筑的规定，位于2个出口之间的房间疏散距离安全出口小于等于40 m，位于袋形走道尽端的房间疏散门距离安全出口小于等于22 m。

8 地面设置

机柜间地面采用钢筋混凝土刚性地坪，对抗爆墙起到嵌固和减小厚度的作用。

机柜间里电子设备较多，需要布设大量电线电缆，因此机柜室、工程师办公室、UPS室等房间做架空的防静电地板。这样就使得地面标高不同，处理的方法有两种：

技术方案一：建筑物内基础地面标高一致，地面最终完成面为两个不同标高。优点是易施工，土方量小；缺点是台阶多，后期使用不方便。

技术方案二：建筑物内基础地面有两个不同的标高，地面最终完成面为相同标高。优点是后期使用方便，美观；缺点是刚性地面施工复杂。

针对这两个技术方案，分析了已建成的项目资料，咨询现场人员，并请来仪表专业的负责人参加评审会，他们认为：室内地面平齐方便工作人员使用。优先考虑采用技术方案二。技术方案一与技术方案二如图2所示。

图2 技术方案一与技术方案二

9 卫生间设置

《石油化工控制室设计规范》第7.12条规定，现场机柜室不宜设置卫生间，但是因装置厂区范围大，装置区内都是设备装置、管道、桥架等，建筑物比较少，特别是有卫生间的建筑物更是极少，现场工作人员上厕所比较困难，业主要求在机柜间里设置卫生间。根据已建成项目的业主反映，机柜间没有设置窗户，靠机械排风无法完全排除异味[3]。

解决的方法：在设计中，把卫生间靠外墙设置，并做隔离前室独立朝外开设出入口，临近机柜间人员出入口的位置，方便人员的进出使用。卫生间相对位置结构如图3所示。

图3 卫生间相对位置结构

10 爆炸荷载条件下的机柜抗爆结构设计

在爆炸负载的强烈反应条件下，该动力二次曲线分析能够接近应用具有灵活自由度体系动力研究的技术模式或者等效静荷载研究技术模式。

10.1 单自由度相关结构等效静荷载技术方法

在猛烈爆炸荷载的作用过程中，建筑物内部主要构件等效静荷载的计算过程必须基于结构静力研究计算的方式进行替代动力分析，这种技术将会为结构轻量化设计带来非常便利的技术优势。

10.2 单自由度相关结构动力模式方法

针对钢筋水泥混凝土结构的主要构件，抗爆机柜相关工程技术人员必须依照弹塑性相关技术条件进行规划设计，针对建筑物受弯构件，为了确保结构的塑性变形性能，该结构抗剪载荷比抗弯载荷至少高125.185%，进而确保构件早期发生受弯或者钢筋屈服，避免过早产生斜裂缝以至于遭到严重破坏。爆炸过程中产生冲击波重要参数信息，抗爆机柜相关工程技术人员在设计过程中使用的峰值入射超压必须基于石油化工设备等因素进行确定。机柜之间安全参数必须依据安全评估确定以后，需要应用冲击波峰值的超高压20.775 kPa，正压力值作用周期105.935 ms。爆炸过程中所产生的载荷必须按照相关法规及技术标准实施简化验证及校核。

11 结束语

综上所述，抗爆机柜相关工程技术人员能够依据相关行业内部法规及技术标准完成规划图实施机柜之间基础项目工程的规划设计工作，进而确保建筑物平立面的布置符合设计规范尺寸技术要求。各个机柜之间的建筑平面外形尺寸的长度与宽度比值是2.2时，就能够确保水平载荷平均分配至侧墙体，进而保证该建筑结构具有合理的水平刚度进行水平爆炸力的传递。抗爆机柜相关工程技术人员必须将抗爆墙体设计成性能优良的建筑物主要构件。