防火抗爆墻在控制室及機柜間 面向爆炸隱患的應用

防火抗爆墻在控制室及機柜間

面向爆炸隱患的應用

李寶齡

（上海騰喜建筑工程有限公司）

摘要：

有鑒于國內爆炸事件頻傳，造成人員傷亡及企業設備重大損失，國家安監總局（當時尚未更名為國家應急管理部）于2017年發布了《化工和危險化學品生產經營單位重大生產判定標準(試行)》。^【注1】其中第十三條規定控制室或機柜間面向具有火災，爆炸危險性裝置一側不滿足國家標準關于防火防爆的要求。本文就此規定來研究現行的國家標準關于防火防爆要求并參考國內外的規范中在控制室及機柜間或其他類似建筑物當面向爆炸隱患時，設置幾種可行的防火抗爆墻，以有效降低爆炸隱患帶來人員傷亡及設備的重大損失。

關鍵詞：爆炸隱患  控制室  機柜間  防火抗爆墻

1、概述

在化工行業中，如何降低爆炸的隱患一直是國內專注的話題。首先國家應急管理部規定第十三條主要的目的在要求生產企業在控制室及機柜間等重要設施能起到防火防爆的要求，在火災爆炸事故中，能有效保護控制室作業人員的生命，并對控制室及機柜間的控制系統保持正常運作的功能。其中所涉及到國家現行的標準規范主要包括《石油化工企業設計防火標準》（GB50160-2008）和《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）。針對具有火災爆炸危險性的化工和危險化學品企業控制室及機柜間應滿足以下要求：（1）其面向具有火災，爆炸危險性裝置一側的安全防護距離應符合《石油化工企業設計防火標準》（GB50160-2008）表4.2.12等標準規范條款提出的防火間距要求^【注2】，且控制室，機柜間的建筑，結構滿足《石油化工控制室設計規范》（SH/T3006-2012）第4.4.1條等提出的抗爆強度要求；（2）面向具有火災，爆炸危險性裝置一側的外墻應為無門窗洞口耐火極限不低于3小時的不燃燒材料實體墻。^【注3】

根據對上述規范的解讀，在執行上如何確認抗爆強度？現行的建筑規范除了《石油化工企業設計防火標準》及《建筑設計防火規范》外，還有哪些灰色地帶需要國外及國內規范進一步完善防火防爆設計？針對爆炸沖擊波是如何規定及取值？如何進行爆炸分析？需要哪些信息來確認爆炸沖擊波的數據？爆炸沖擊波作用在不同防火間距的建筑物本身的受力情況如何？如何選擇滿足現場條件情況的防火抗爆墻的解決方案？本文將一一將散落在各處的國內外規范整理并提供相應的分析計算及可行性的解決方案論述，供政府部門，設計院，專家庫和相關企業參考并望指正。

2、相應國標介紹

在引用國內外規范及量化數據前，我們先從爆燃還是爆炸的差異說起。從NFPA 68爆炸泄壓指南的 3.3.4 和 3.3.6對爆燃（Deflagration)及爆炸（Detonation)的定義。爆燃（Deflagrations)是可燃的區域爆炸速度小于聲速的傳播；爆炸（Detonation)是可燃的區域爆炸速度大于聲速的傳播。^【注4】首先在針對爆炸的速度上，NFPA 68已經將爆炸的特性進行了劃分。目前針對化工行業危險品的爆炸都是屬于爆燃（Deflagrations)的范圍。對于爆炸（Detonation)的范圍多數為軍工企業的炸藥爆竹雷管，其爆炸速度是超越聲速，因此不在本文探討的范圍內。為了文章描述的方便性，本文仍統稱爆炸（Explosion)來描述，以方便讀者在理解上的方便。但爆炸傳播速度上及范圍有其不同的定義。

國內的化工爆炸的傳播速度基本上都是屬于NFPA 68爆炸泄壓指南中小于聲速的爆燃范圍，其中種類包括蒸氣云爆炸（VCE），壓力容器爆炸（Pressure Vessel），凝聚相爆炸（液態或固態）及粉塵爆炸（Dust)，但NFPA 68的爆炸泄壓指南只是針對室內的爆炸進行分析計算及提供防護做法。相對于《石油化工工廠布置設計規范》（GB50984-2014）中，對于爆炸危險源的定義僅局限在蒸汽云爆炸的設備。^【注5】關于粉塵爆炸及壓力容器的國標規范則是參考《粉塵爆炸安全規程》（GB15577-2018）以及《粉塵爆炸泄壓指南》（GB/T15605-2008）（類似于NFPA 68爆炸泄壓指南），主要是針對存在粉塵爆炸危險場所及設備的泄壓及爆炸的解決措施。還有其他針對除塵器（GB/T17919-2008），斗提機及噴涂設備在木材加工，飼料加工（GB19081-2008），粉末靜電工藝（GB15607-2008）等行業的防爆規范，本文不一一列舉。然而這些國標規范只針對面對來自建筑物內的爆炸危險源。

對于面對外來的爆炸的建筑物如何進行爆炸量化分析，國外比較常用的規范是石化廠房防爆設計（Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities ），而此內容也大量被借鑒于《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB50779-2012）之中。例如，如何確認爆炸沖擊波的參數規定。根據《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB50779-2012）5.2.1的規定，“控制室抗爆設計采用的峰值入射超壓及相應的正壓作用時間，應根據石油化工裝置性質以及平面布置等因素進行安全分析綜合評估確定；當未進行評估時，也可按下列規定確定，并應在設計文件中說明： 1 沖擊波峰值入射超壓最大值可取21kPa，正壓作用時間可為100ms;也可沖擊波峰值入射超壓最大值取69kPa,正壓作用時間取20ms。”^【注6】如果我們參考國外規范石化廠房防爆設計（Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities, P.21-22 “Commonly used criteria includes SG-22 (withdrawn), and CIA 9being revised). Both documents specify at least two blast overpressures for buildings spaced 100 feet(30 meters) from a vapor cloud explosion hazard as follows: a. High pressure, short duration, triangular shock loading: Side-on overpressure of 10 psi (69kPa) with a duration of 20 milliseconds. b. Low pressure, long duration triangular loading: Side-on overpressure of 3 psi(21kPa) with a duration of 100 milliseconds.” 不難發現其引用的來源于此。

但問題是目前國內安全評估機構沒有能力也沒有相應的國標及第三方合法認可軟件來進行安全分析綜合評估。如果只用《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB50779-2012）的指定參數來進行設計，我們發現其國外的數據是建筑物在距離蒸氣云爆炸30米（備注：國標規范并沒有提到與爆炸的防火距離的條件）的情況來進行爆炸沖擊波的取值，如果將來真的發生爆炸，如何保證控制室的人身安全及設備的正常運營？可惜的是當GB50779-2012的規范進行重新修訂發出的征求意見稿時，我們發現規范征求意見稿還是沒有交代如何進行爆炸安全性評估?？蓞⒖肌妒突そㄖ锟贡O計標準（征求意見稿）》（GB/T50779-201X）3.0.1抗爆建筑物的抗爆要求，爆炸沖擊波超壓應通過爆炸安全性評估確定。^【注7】所以國內規范參編單位在了解并引用國外類似規范下，如何解決爆炸安全性評估？這也成為后續在量化爆炸沖擊波時無法明確的難解之謎。

3、爆炸分析計算步驟

在分析爆炸危險源之前，首先必須確認筑物距離爆炸危險源的防火間距是否滿足要求，不論是新建或者改建項目防火間距是在設計時必須考慮的重要因素。防火間距的要求可以從《石油化工企業設計防火標準》（GB50160-2008）表5.2.1設備、建筑物平面布置的防火間距中確認控制室或機柜間在可燃氣體或者液體的設備根據不同的容積下，應至少滿足15米的防火間距要求。^【注8】從《石油化工工廠布置設計規范》（GB50984-2014）的條文解釋中續表5^【注9】已經將爆炸危險源的設備舉例列舉出來?？梢葬槍Ρ韮忍岬降脑O備判定為爆炸危險源來進行后續的爆炸分析。就先前提到國標規范的理解及要求后，針對爆炸分析計算的步驟主要分成三個部分。第一個部分是爆炸沖擊波的量化取值。第二部分是爆炸沖擊波作用在建筑物本身的量化取值。第三個部分是防火抗爆墻的量化取值。

3.1爆炸沖擊波的量化取值

首先針對爆炸沖擊波的量化取值，如先前所述，在國內項目上由于缺少安全評估的相關規定及具有能力量化的評估機構來提供爆炸沖擊波的具體數據，往往退而求其次選擇采用《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB50779-2012）的21kPa,100ms來作為設計數據。

圖1. 爆炸沖擊波曲線圖

如果我們參考石化廠房防爆設計（Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities的介紹，目前主要有三種方法。第一種是TNT當量法；第二種是Baker的Strehlow曲線法；第三種是TNO多能法。第一種方法針對蒸氣云提供了不正確的結果，其他兩個方法中的曲線提供了火焰的速度或者爆炸的威力。這些曲線用來選擇實際超壓的數據。

“Calculation of blast overpressure parameters: There are three major methods in use today.  One is the TNT Equivalency Method which gives inaccurate results for vapor cloud explosions.  The other two methods are the Strehlow Curves from Baker and the Multi-Energy Method from TNO 1985.  Both provide a family of curves based on flamed speed or explosion strength.  These curves are used to select dimensionless parameters  which are then unpacked to determine the actual overpressures.”^【注10】

另外針對國外常見的爆炸模擬軟件有DNV的EXIM，ANSYS的LS-DYNA，Gexcon的FLACS等對于爆炸模擬分析軟件的可靠性，目前國家沒有標準來進行確認。另外爆炸模擬分析軟件在分析時必須提供的信息，往往客戶無法提供相關的信息例如泄爆的位置，爆炸的反應機制，環境氣體等數據，以至于爆炸模擬分析軟件無法進行精確計算。究竟與實際發生的情況是否有落差，目前不得而知。因此，如果當石油化工建筑物抗爆設計標準征求意見稿通過審核并實施，取消原石油化工控制室抗爆設計標準中的爆炸荷載值，明確了爆炸沖擊波超壓應由評估確定。在目前安全評估機構的技術能力上，將很難實施。這個灰色地帶還需進行填補，方能提供合理的爆炸沖擊波的量化，以及后續針對既有建筑物或者新建建筑物受力值的參考。

3.2爆炸沖擊波作用在建筑物本身的量化取值

建筑物受力于爆炸沖擊波量化分析基本上按照《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB50779-2012）第5.3節爆炸的沖擊波參數中提供的計算公式進行計算分析。當爆炸危險性裝置或物質發生爆炸時產生爆炸沖擊波將分別作用在面向危險源建筑物的前墻、側墻屋面、后墻，產生的爆炸沖擊波超壓也會有所不同。前墻（迎爆面）第一時間接受爆炸沖擊波持續時間最長且產生反射所以爆炸沖擊波峰值超壓最大。側墻及屋面因為平行于爆炸沖擊波前進方向且不產生反射所以承受的爆炸沖擊波超壓最小。由于爆炸沖擊波在前進過程中會出現反作用力及爆炸沖擊波過后會形成負壓作用在后墻，所以后墻承受爆炸沖擊波超壓會大于側墻屋面小于前墻。爆炸沖擊波作用在建筑物時所產生的沖擊波超壓形式，見下圖：

圖2.爆炸沖擊波對建筑的受力情況圖

3.3防火抗爆墻的量化取值

計算出前墻、側墻屋面、后墻所承受的爆炸沖擊波超壓后，結合原建筑物整體結構進行爆炸荷載驗算。按應急管理部的第十三條要求的做法是在控制室或機柜間面向具有火災、爆炸危險裝置一側為不燃3小時防火墻。如果不考慮應急管理部的規定，發生爆炸時，控制室或機柜間在非面向爆炸隱患的其他區域如側墻，后墻及屋面都可能受到爆炸沖擊波的影響。所以針對改建項目我們一般只考慮外墻滿足防火時效3小時并滿足抗爆強度。如果原有建筑物整體結構無法滿足爆炸沖擊波，則由專業廠家提供防火抗爆墻來滿足應急管理部的最低要求。如果按石油化工建筑物抗爆設計標準（GB/T50779征求意見稿）的規定，當受力情況小于6.9kPa時，建筑物的屋面、側墻及后墻的結構只需按3.0.8的要求來設計，不需要進行結構加固。根據兵器五院試驗，入射超壓不大于6.9kPa時僅門窗（框、玻璃）破壞，而墻體屋面板均可承受6.9kPa入射超壓作用，但還是有待編制單位進一步提出解釋。

值得一提的是，就目前的國標《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB 50779-2012）未對鋼結構構件的允許變形表進行規定。因此在遇到鋼結構建筑物是否能滿足爆炸沖擊波的要求，沒有國標可以進行判定。所幸的是此次《石油化工建筑物抗爆設計標準》（GB/T50779-201X）表6.1.5（見下表）^【注11】鋼結構構件的允許變形表已經選擇了石化廠房防爆設計（Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities）Table5.B.1.B（見下表） 及Table 5.B.2（見下表）: 關于Medium Response Limits for Steel Components的鋼結構構件允許變形表^【注12】，來補足原有GB50779-2012規范的不足?？諝鉀_擊波超壓作用于鋼結構時，由于鋼結構具有較大的延性，所以框架柱、框架梁支撐的延性比都可以比2~3更大一些，尤其是承受偶然性爆炸的鋼結構更應如此。

表1.GB/T50779-201X表6.1.5

表2.Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities Table 5.B.1.B 

表3.Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities Table 5.B.2

針對新建的廠房，在設計時基本上都已經考慮好防火間距及建筑的防爆設計。但針對舊有廠房的控制室及機柜間，由于時間久遠，許多信息都已遺漏，甚至儲存的危險品數量及品名涉及到客戶的商業機密，很難針對原有建筑物進行結構計算完整的分析。另外防火間距不滿足要求，需要整體拆遷所付出的成本可能是企業不愿承擔的。另一方面，當原有外墻無法滿足結構的要求時，一般可以在原有建筑結構上進行加固，或者采取獨立式的防火抗爆墻來滿足應急管理部的要求。關于建筑物的結構加固可以參考《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2013）。其中加固的方法包括了增加截面加固，體外預應力加固，外包型鋼加固，粘貼鋼板加固，粘接纖維復合材加固，預應力碳纖維復合板加固等等。^【注13】

4、防火抗爆墻做法介紹

在完成爆炸分析計算后，由專業廠家來提供解決的方案。一般有五種應用方式。在設計規格要求上，我們一般采用按目前的規范，防火抗爆墻需經過防火時效3小時CNAS認證檢測及1000kPa的TNT爆炸測試。

4.1內嵌式防火抗爆墻

內嵌式的做法主要是緊貼原有外墻，在室內側進行一道獨立的防火抗爆墻。其防火抗爆墻連接原有建筑結構部件如結構柱及梁。這種做法的好處在安裝上比較便利，不需要太多登高作業。但是對于原有外墻的障礙物必須移位，例如電纜管件或者消火栓箱或者與原有吊頂的沖突部份。另外針對采光及通風的部分也要另外考慮是否增加照明及將通風系統移位到非面向爆炸隱患處?？蓞⒖枷铝懈拍钤O計節點做法。

圖3.內嵌式防火抗爆墻概念設計圖

4.2外掛式防火抗爆墻

與內嵌式做法雷同，也是緊貼原有外墻，在室外進行一道獨立的防火抗爆墻。其防火抗爆墻連接原有建筑結構部件。但必須考慮建筑沉降問題。如有面向爆炸一側需保留進出口時，可采用三小時防火抗爆門斗及甲級防火抗爆門的方式來解決。不管是內嵌式或者是外掛式的防火抗爆墻，都是依附在原有建筑物的結構上。因此必須提供結構計算證明能滿足爆炸沖擊波受力在建筑物的計算，或者經過結構加固計算后，方能確認此方案可行?？蓞⒖枷铝懈拍钤O計節點做法。

圖4.外掛式防火抗爆墻概念設計圖

4.3獨立式防火抗爆墻

獨立式的防火抗爆墻和上述兩種內嵌式及外掛式的差別當原有建筑物無法滿足爆炸沖擊波的受力情況時，采取的一個有效方案。但此種做法除了需證明獨立式的防火抗爆墻本身結構能滿足鋼結構構件允許變形量之外，關于基礎設計的地基連接的抗彎矩及地基承載力計算后，防火抗爆墻基礎不至于傾覆。從經濟上來說，此種方案較上述兩種方案較昂貴，并且施工難度較高，周期較長。另外涉及到地下管道及排水問題，需在設計時考慮好，以避免發生地下管道挖斷情況?？蓞⒖枷铝懈拍钤O計節點做法。當爆炸沖擊波入射超壓較大時，可采用鋼筋混凝土框架式防火抗爆墻。

圖5.獨立式防火抗爆墻概念設計圖

4.4 噴涂式防火抗爆墻

噴涂式的防火抗爆墻在國外比較常見。主要是透過聚脲防爆涂料噴涂在原有件組墻體，透過拉伸強度及撕裂強度來抵擋爆炸沖擊波。目前經我司在CNAS認證的爆炸測試，可以滿足1000kPa的爆炸沖擊波。安裝時采用噴涂方式進行噴涂于室內外墻表面。擁有防腐防爆的效果。對于原有建筑物結構柱及梁起到結構加固的效果。另外在建筑物非面向爆炸隱患的屋面上方或者側墻及后墻，均可采用同樣做法。作為獨立的防火抗爆墻也可以利用滿足《建筑設計防火規范》GB50016-2014的防火時效的加氣混凝土砌塊墻噴涂防爆涂料，也能起到一定的抗爆及防火效果。在預算上較為經濟，且安裝周期短?？蓞⒖枷铝懈拍钤O計節點做法。

圖6.噴涂式防火抗爆墻概念設計圖

4.5移動式防火抗爆屋

此種做法主要是當控制室及機柜間在防火間距無法滿足國標要求下，一種可供選擇的做法。移動式防火抗爆屋的做法在國外也是比較常見的做法，一般可作為化學品儲存間，人員避難所或者控制室機柜間使用。具體做法可以參考14J938《抗爆、泄爆門窗及屋蓋、墻體建筑構造》，墻體建筑構造F1的做法。^【注14】另外移動式防火抗爆屋的節點做法也正在模塊化鋼結構房屋國標圖集研編中，可參考下列概念設計節點做法。

圖7.移動式防火抗爆屋概念設計圖

5、結語

針對本文提出的內容不難知道，如何合理設計出有效解決方案涉及到國際及國內標準規范及相應的結構計算存在相當大的難度。除了借鑒國外相關行業規則及經驗外，對于企業本身新建及改建的項目也往往造成業主預算執行的難度。面臨政府部門的要求，企業如何選擇合理的解決方案，除了滿足政府部門的要求外，對于本身安全的管控如何進一步提升，選擇專業的設計及承包單位來降低爆炸產生的風險，是每個化工危險品生產企業值得深思并研究的課題。本文拋磚引玉將目前的國標和市場現況提供給相關行業專家了解，希望在未來國標制定的道路上盡快完善，以利化工企業及設計院參考，讓國內爆炸事故的損害降到最低。

6、注釋索引

注1．安全監管總局，《化工和危險化學品生產經營單位重大生產安全事故隱患判定標準（試行）》，2017年，第2頁

注2. 中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工企業設計防火標準》（GB50160-2008），中國計劃出版社，2018年，第10頁

注3. 中華人民共和國工業和信息化部，《石油化工控制室設計規范》（SH/T3006-2012），中國石化出版社，2012年，第3頁

注4.NFPA 68，Standard on Explosion Protection by Deflagrations Venting，2018，P10

注5.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局：《石油化工工廠布置設計規范》（GB50984-2014），中國計劃出版社，2014年，第4頁

注6. 中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB50779-2012），中國計劃出版社，2012年，第9～10頁

注7.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工建筑物抗爆設計標準（征求意見稿）》（GB/T 50779-201X），第11頁

注8. 中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工企業設計防火標準》（GB50160-2008），中國計劃出版社，2018年，第16頁

注9. 中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工工廠布置設計規范》（GB50984-2014），中國計劃出版社，2014年，第118～119頁

注10.Task Committee on Blast-Resistant Design of the Petrochemical Committee of the Energy Division of the American Society of Civil Engineers，Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities 2nd edition，2005，P21

注11、中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工建筑物抗爆設計標準（征求意見稿）》（GB/T 50779-201X），第20頁

注12．Task Committee on Blast-Resistant Design of the Petrochemical Committee of the Energy Division of the American Society of Civil Engineers，Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities 2nd edition，2005，P69～70

注13.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367-2013），中國建筑工業出版社，2013年，第2～3頁

注14.中國建筑標準設計研究院，《抗爆、泄爆門窗及屋蓋、墻體建筑構造》,中國計劃出版社,2014年,第106頁

參考文獻：

1.國家安監總局，《化工和危險化學品生產經營單位重大生產安全事故隱患判定標準（試行）》，2017

2.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工企業設計防火標準》(GB50160-2008)，中國計劃出版社，2018

3.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《建筑防火設計規范》(GB50016-2008)，中國計劃出版社，2018

4.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工控制室抗爆設計規范》（GB50779-2012），中國計劃出版社，2012

5.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工工廠布置設計規范》(GB50984-2014)，中國計劃出版社，2014

6.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《混凝土結構加固設計規范》(GB50367-2013)，中國建筑工業出版社，2013

7.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《鋼結構設計規范》（GB50017-2003），中國計劃出版社.2003

8.中華人民共和國住房和城鄉建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局，《石油化工建筑物抗爆設計標準(征求意見稿)》(GB/T50779-201X) ，2019

9.中國建筑標準設計研究院，《抗爆、泄爆門窗及屋蓋、墻體建筑構造》（14J938），中國計劃出版社，2014

10.中華人民共和國工業和信息化部，《石油化工控制室設計規范》，中國石化出版社.2013

11.齊寶欣、閻石.《基于ANSYS/LS-DYNA操作平臺火災爆炸作用下建筑結構倒塌分析》，中國建筑工業出版社.2019

12.Task Committee on Blast-Resistant Design of the Petrochemical Committee of the Energy Division of the American Society of Civil Engineers ，Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities 2nd edition，2005

13.NFPA68，Standard on Explosion Protection by Deflagrations Venting，2018