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摘要:抗爆控制室是石油化工厂的核心建筑，本文结合工程实例，介绍石油化工控制室抗爆结构设计的范围､结构形式､爆炸荷载､设计理念､设计步骤和要点等内容。
关键词:抗爆控制室；蒸气云爆炸；单自由度体系动力分析方法；性能化设计；空调设计
中图分类号： U473.7文献标识码： A
引言
由于石油化工行业中装置工艺复杂化､规模超大化､高度自动化生产等物点，且生产过程常需高温､高压等特殊条件，因此装置､设备或管道等存在着发生爆炸事故的可能性。作为管控一体化的核心建筑物-控制室有较高的安全要求，必须进行抗爆设计，在发生爆炸事故时能保证其内部设备正常运行及操作人员的安全。虽然石化行业出版了《石油化工控制室抗爆设计规范》(以下简称规范)，但并未给出切实可行的具体设计步骤与过程。
一、控制室抗爆设计范围
石油化工装置控制室抗爆设计的范围，一直以来没有明确的界定，2009年发布的《规范》上也没有明确提及，执行上可能存在项目不同､设计单位不同，抗爆设计范围也各异的情况。
目前对控制室､现场机柜间需采用抗爆设计的范围规定如下:
(1)中石化､中石油､中海油等执行国内石油石化行业标准的建设项目。(2)国外引进项目或工艺包､基础设计等文件提出要求的建设项目。(3)业主提出要求进行抗爆设计的建设项目。(4)项目安全评价､政府部门安全消防审查意见中提出需要进行抗爆设计的建设项目。
二、爆炸的冲击波参数确定以及载荷
（一）、爆炸的冲击波参数确定
控制室抗爆设计采用的峰值入射超压Pso及相应的正压作用时间td应根据石油化工装置性质及建筑物几何形状､大小､平面布置等因素综合评估确定。若没有进行评估时，可按《规范》要求选用，并在设计文件中说明。规范建议值为:1)峰值入射超压Pso取21kPa，正压作用时间td取100ms；2)或峰值入射超压Pso取69kPa，正压作用时间td取20ms；3)爆炸冲击波形:时间为零时至正压作用时间，峰值入射超压从最大到零的三角形分布。
（二）、爆炸荷载
爆炸最主要的特征是被压缩的能量突然向空气中释放，形成瞬时压力增加现象，即爆炸波超压，传递到建筑物上时就形成爆炸荷载。由于爆炸波在空气中形成后，在传播过程中强度衰减得很快，建筑物随着距离爆炸源的远近不同，形成的爆炸波压力是不同的，一般情况下，爆炸在临近区域形成冲击波形式，在远离区域形成压力波形式。两种爆炸波的表现形式见图1。
图1两种爆炸波的表现形式
钢筋混凝土结构中产生的冲击波或压力波在负压阶段形成的冲击能量，远远低于正压阶段，对建筑物影响较小，通常在抗爆设计中可以不予考虑。
三、抗爆控制室结构形式
《规范》5.1.3和5.1.4条规定:对于承受爆炸荷载的建筑物，建筑平面宜为矩形，层数宜为一层。建筑物应采用钢筋混凝土结构，其受力体系的布置､外墙墙体构造及厚度应通过结构计算确定，典型布置见图2。
图2控制室典型结构布置图
从控制室典型结构布置上看，体现了两道防线的抗爆设计理念:爆炸动水平荷载由外围剪力墙屈服耗能，内部框架只承担竖向力，保证了结构不致坍塌，从而保证控制室的安全。为了保证上述理念得以实现，结构布置时应将剪力墙和框架柱脱开布置，二者之间保留一定距离d。
d=tgθ×H/2
式中：d为剪刀墙和框架柱的距离；θ为剪力墙弹塑性转角；H为墙板计算跨度，取屋盖到基础顶面的高度。
四、控制室抗爆设计要点
（一）、结构整体分析
结构整体分析同常规设计，需要在PKPM或其它软件中进行三维建模，以进行结构整体性计算，这里不再赘述。应注意在建模时必须将外围的剪力墙建进模型里，因为在地震作用时，外围的剪力墙由于刚度很大，地震剪力主要由外围剪力墙承担，如果不建进模型里，则进行地震分析时，地震剪力大部分会由柱来承担，这样出来的结果会导致柱断面和配筋的增大，造成不必要的浪费。
（二）、材料强度
由于在爆炸荷载的作用下，结构材料的变形率一般会落后于应力加载速率，这种对于荷载的响应方式使材料在最终破坏前达到一个高于最小屈服点的应力值，形成材料强度增加的现象，这种现象使得结构动力承载能力比静力承载能力有所增加，这个增加值用动力荷载提高系数DIF来衡量；另外，在一般规范和规程中，材料强度是按照最低性能定义的，在实际爆炸受力中，材料平均屈服强度会高于规范中给出的强度，如钢材的平均屈服强度会比《规范》中规定的屈服强度高出约25%，这种屈服强度的增加用强度提高系数SIF来衡量。因此材料在爆炸荷载作用下的屈服强度Fdy=Fy×DIF×SIF。关于这一点，《规范》6.7.2条有明确规定，设计时应注意。
（三）、结构构件布置
当采用单自由度体系进行构件的弹塑性动力分析时，由于《规范》受分析方法的局限，目前对于板只能进行单向板的动力分析，而对于梁，只能分析三种荷载作用下的梁，即均布荷载､一个集中荷载和两个集中荷载。因此，在进行屋盖系统结构布置时，应注意尽量将板划分为单向板，并且保证每根框架梁上的集中荷载数量不大于两个。
（四）、空调设计中的气流组织及压力平衡
图3所示为控制室空调系统压力平衡图，按照房间布局，UPS室和机柜室2相对正压值最高，操作室维持房间正压的气流将流向室外和走道，为防止控制室相对室外的正压值过高，在卫生间设置排风机排出多余的风量同时排除卫生间异味。
图3控制室空调系统压力平衡图
根据图3所示各房间的正压值确定房间之间相对压差后，可以采用压差法计算维持房间相对正压值的门缝漏风量。漏风量计算见式:
Ly=0.827×3600×1.25fΔp1/b
式中:Ly为漏风量(m3/h)；f为门､窗缝隙的计算漏风总面积(m2)，在计算门缝隙漏风总面积时，门缝隙宽度取3.0mm；Δp为门､窗两侧的压差(Pa)；b为指数，对于门缝及较大漏风面积取2，对于窗缝取1.6。
（五）、抗爆阀设计
在抗爆控制室建筑物以外，当厂区的其他工艺装置发生爆炸时，钢筋混凝土外墙上的风管孔洞会降低抗爆墙对爆炸荷载的抵抗力，从而危及控制室的安全。为抵抗来自建筑物外部的爆炸冲击波，在新风入口及排风口的外墙上均应加装与建筑围护结构相同抗爆等级的抗爆阀，当感应到爆炸冲击波时，抗爆阀能在极短的时间内(通常短于40ms)自动关闭，使建筑物成为一个安全封闭的空间；当外部空气压力恢复正常时，抗爆阀能自动复位。抗爆阀由阀座､阀叶､平衡杆､转轴及弹簧等部件组成，材质主要为不锈钢，可以竖直安装在抗爆墙体上，也可以水平安装在屋顶上。抗爆阀分为常开型和常闭型，通常在新风及排风系统中用常开型，常闭型通常用在排烟系统或者气体灭火后排风系统中。抗爆阀可直接预埋在外墙内或者用膨胀螺栓安装在外墙外侧，设计及施工时需与结构专业紧密配合，参见图4。阀的压降通常为100Pa，通过阀体的风速取0.5m/s。
图4抗爆阀安装图
连接空调机组室内外机的制冷剂铜管及控制电缆等穿越抗爆墙体时，可采用穿墙密封件的安装形式，穿墙密封件也起到类似于抗爆阀的作用。穿墙密封件由框架及填充模块组成，框架材质为不锈钢，填充模块为不含卤素的膨胀橡胶聚合物，起到密封及抗爆作用。框架需预埋在抗爆墙内，根据铜管的尺寸选择相应的填充模块。
（六）、电动气密阀(MD)
为防止装置区的有毒有害气体从风管渗入控制室，对人员和精密仪表设备造成腐蚀损害，在新风及排风管道上靠近外墙室内侧处，应设置密封性良好的电动气密阀，正常为带电常开，并与相应的系統风机联锁。当检测到室外空气中有毒有害气体浓度超标时，新风机及排风机关闭，电动气密阀也相应关闭，以阻止有毒有害气体的渗入。气密阀的漏风标准为:当阀体关闭时在压差100Pa的情况下漏风量小于10m3/(m2·h)。
结束语
石油化工控制室的抗爆设计不同于一般框架剪力墙的设计，采用的是单自由度体系的弹塑性动力分析方法，这种方法强调的是对构件变形的控制，而非常规的应力控制，因此在设计时要摈弃截面越大越好､配筋越多越牢的传统思想，在爆炸发生时，允许外部结构构件在《规范》规定的范围内发生变形开裂以吸能耗能，从而保证主体结构的安全。
参考文献
[1] SH/T3160-2009，石油化工控制室抗爆设计规范[S].北京:中国计划出版社，2009.
[2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1993:623.
关键词:抗爆控制室；蒸气云爆炸；单自由度体系动力分析方法；性能化设计；空调设计
中图分类号： U473.7文献标识码： A
引言
由于石油化工行业中装置工艺复杂化､规模超大化､高度自动化生产等物点，且生产过程常需高温､高压等特殊条件，因此装置､设备或管道等存在着发生爆炸事故的可能性。作为管控一体化的核心建筑物-控制室有较高的安全要求，必须进行抗爆设计，在发生爆炸事故时能保证其内部设备正常运行及操作人员的安全。虽然石化行业出版了《石油化工控制室抗爆设计规范》(以下简称规范)，但并未给出切实可行的具体设计步骤与过程。
一、控制室抗爆设计范围
石油化工装置控制室抗爆设计的范围，一直以来没有明确的界定，2009年发布的《规范》上也没有明确提及，执行上可能存在项目不同､设计单位不同，抗爆设计范围也各异的情况。
目前对控制室､现场机柜间需采用抗爆设计的范围规定如下:
(1)中石化､中石油､中海油等执行国内石油石化行业标准的建设项目。(2)国外引进项目或工艺包､基础设计等文件提出要求的建设项目。(3)业主提出要求进行抗爆设计的建设项目。(4)项目安全评价､政府部门安全消防审查意见中提出需要进行抗爆设计的建设项目。
二、爆炸的冲击波参数确定以及载荷
（一）、爆炸的冲击波参数确定
控制室抗爆设计采用的峰值入射超压Pso及相应的正压作用时间td应根据石油化工装置性质及建筑物几何形状､大小､平面布置等因素综合评估确定。若没有进行评估时，可按《规范》要求选用，并在设计文件中说明。规范建议值为:1)峰值入射超压Pso取21kPa，正压作用时间td取100ms；2)或峰值入射超压Pso取69kPa，正压作用时间td取20ms；3)爆炸冲击波形:时间为零时至正压作用时间，峰值入射超压从最大到零的三角形分布。
（二）、爆炸荷载
爆炸最主要的特征是被压缩的能量突然向空气中释放，形成瞬时压力增加现象，即爆炸波超压，传递到建筑物上时就形成爆炸荷载。由于爆炸波在空气中形成后，在传播过程中强度衰减得很快，建筑物随着距离爆炸源的远近不同，形成的爆炸波压力是不同的，一般情况下，爆炸在临近区域形成冲击波形式，在远离区域形成压力波形式。两种爆炸波的表现形式见图1。
图1两种爆炸波的表现形式
钢筋混凝土结构中产生的冲击波或压力波在负压阶段形成的冲击能量，远远低于正压阶段，对建筑物影响较小，通常在抗爆设计中可以不予考虑。
三、抗爆控制室结构形式
《规范》5.1.3和5.1.4条规定:对于承受爆炸荷载的建筑物，建筑平面宜为矩形，层数宜为一层。建筑物应采用钢筋混凝土结构，其受力体系的布置､外墙墙体构造及厚度应通过结构计算确定，典型布置见图2。
图2控制室典型结构布置图
从控制室典型结构布置上看，体现了两道防线的抗爆设计理念:爆炸动水平荷载由外围剪力墙屈服耗能，内部框架只承担竖向力，保证了结构不致坍塌，从而保证控制室的安全。为了保证上述理念得以实现，结构布置时应将剪力墙和框架柱脱开布置，二者之间保留一定距离d。
d=tgθ×H/2
式中：d为剪刀墙和框架柱的距离；θ为剪力墙弹塑性转角；H为墙板计算跨度，取屋盖到基础顶面的高度。
四、控制室抗爆设计要点
（一）、结构整体分析
结构整体分析同常规设计，需要在PKPM或其它软件中进行三维建模，以进行结构整体性计算，这里不再赘述。应注意在建模时必须将外围的剪力墙建进模型里，因为在地震作用时，外围的剪力墙由于刚度很大，地震剪力主要由外围剪力墙承担，如果不建进模型里，则进行地震分析时，地震剪力大部分会由柱来承担，这样出来的结果会导致柱断面和配筋的增大，造成不必要的浪费。
（二）、材料强度
由于在爆炸荷载的作用下，结构材料的变形率一般会落后于应力加载速率，这种对于荷载的响应方式使材料在最终破坏前达到一个高于最小屈服点的应力值，形成材料强度增加的现象，这种现象使得结构动力承载能力比静力承载能力有所增加，这个增加值用动力荷载提高系数DIF来衡量；另外，在一般规范和规程中，材料强度是按照最低性能定义的，在实际爆炸受力中，材料平均屈服强度会高于规范中给出的强度，如钢材的平均屈服强度会比《规范》中规定的屈服强度高出约25%，这种屈服强度的增加用强度提高系数SIF来衡量。因此材料在爆炸荷载作用下的屈服强度Fdy=Fy×DIF×SIF。关于这一点，《规范》6.7.2条有明确规定，设计时应注意。
（三）、结构构件布置
当采用单自由度体系进行构件的弹塑性动力分析时，由于《规范》受分析方法的局限，目前对于板只能进行单向板的动力分析，而对于梁，只能分析三种荷载作用下的梁，即均布荷载､一个集中荷载和两个集中荷载。因此，在进行屋盖系统结构布置时，应注意尽量将板划分为单向板，并且保证每根框架梁上的集中荷载数量不大于两个。
（四）、空调设计中的气流组织及压力平衡
图3所示为控制室空调系统压力平衡图，按照房间布局，UPS室和机柜室2相对正压值最高，操作室维持房间正压的气流将流向室外和走道，为防止控制室相对室外的正压值过高，在卫生间设置排风机排出多余的风量同时排除卫生间异味。
图3控制室空调系统压力平衡图
根据图3所示各房间的正压值确定房间之间相对压差后，可以采用压差法计算维持房间相对正压值的门缝漏风量。漏风量计算见式:
Ly=0.827×3600×1.25fΔp1/b
式中:Ly为漏风量(m3/h)；f为门､窗缝隙的计算漏风总面积(m2)，在计算门缝隙漏风总面积时，门缝隙宽度取3.0mm；Δp为门､窗两侧的压差(Pa)；b为指数，对于门缝及较大漏风面积取2，对于窗缝取1.6。
（五）、抗爆阀设计
在抗爆控制室建筑物以外，当厂区的其他工艺装置发生爆炸时，钢筋混凝土外墙上的风管孔洞会降低抗爆墙对爆炸荷载的抵抗力，从而危及控制室的安全。为抵抗来自建筑物外部的爆炸冲击波，在新风入口及排风口的外墙上均应加装与建筑围护结构相同抗爆等级的抗爆阀，当感应到爆炸冲击波时，抗爆阀能在极短的时间内(通常短于40ms)自动关闭，使建筑物成为一个安全封闭的空间；当外部空气压力恢复正常时，抗爆阀能自动复位。抗爆阀由阀座､阀叶､平衡杆､转轴及弹簧等部件组成，材质主要为不锈钢，可以竖直安装在抗爆墙体上，也可以水平安装在屋顶上。抗爆阀分为常开型和常闭型，通常在新风及排风系统中用常开型，常闭型通常用在排烟系统或者气体灭火后排风系统中。抗爆阀可直接预埋在外墙内或者用膨胀螺栓安装在外墙外侧，设计及施工时需与结构专业紧密配合，参见图4。阀的压降通常为100Pa，通过阀体的风速取0.5m/s。
图4抗爆阀安装图
连接空调机组室内外机的制冷剂铜管及控制电缆等穿越抗爆墙体时，可采用穿墙密封件的安装形式，穿墙密封件也起到类似于抗爆阀的作用。穿墙密封件由框架及填充模块组成，框架材质为不锈钢，填充模块为不含卤素的膨胀橡胶聚合物，起到密封及抗爆作用。框架需预埋在抗爆墙内，根据铜管的尺寸选择相应的填充模块。
（六）、电动气密阀(MD)
为防止装置区的有毒有害气体从风管渗入控制室，对人员和精密仪表设备造成腐蚀损害，在新风及排风管道上靠近外墙室内侧处，应设置密封性良好的电动气密阀，正常为带电常开，并与相应的系統风机联锁。当检测到室外空气中有毒有害气体浓度超标时，新风机及排风机关闭，电动气密阀也相应关闭，以阻止有毒有害气体的渗入。气密阀的漏风标准为:当阀体关闭时在压差100Pa的情况下漏风量小于10m3/(m2·h)。
结束语
石油化工控制室的抗爆设计不同于一般框架剪力墙的设计，采用的是单自由度体系的弹塑性动力分析方法，这种方法强调的是对构件变形的控制，而非常规的应力控制，因此在设计时要摈弃截面越大越好､配筋越多越牢的传统思想，在爆炸发生时，允许外部结构构件在《规范》规定的范围内发生变形开裂以吸能耗能，从而保证主体结构的安全。
参考文献
[1] SH/T3160-2009，石油化工控制室抗爆设计规范[S].北京:中国计划出版社，2009.
[2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1993:623.