化工裝置新建控制室布置和建造

1、化工裝置新建控制室布置和建造 (SG-22)I、目的近年來，化工裝置一些控制室被爆炸嚴重損壞，并且造成人員傷亡。在新建控制室的 設計、布置和建造時最大限度地減少蒸汽云爆炸或反應爆炸沖擊物沖擊帶來的損害， 正是編 制本指南的目的。U、控制室設計概念為避免因火災破壞，大多工藝裝置控制室都與主要工藝設備有足夠的距離。裝置區(qū)域 的防火設計和給排水設計， 可以預防控制室遇火災而嚴重破壞。 近年來， 一些控制室被破壞， 并不是被火災破壞， 而是被可燃氣體泄露到空氣中被引爆的爆炸沖擊波損壞或者是被反應沖 擊物的沖擊致壞， 這些事件雖然在這些裝置里發(fā)生的比例很低， 但事件的嚴重性使人考慮在 新建類似裝置時考慮

2、控制室的特殊保護。目前還沒有一個被普遍接受的方法來預計蒸汽云爆炸的危害圍，甚至還不可預計蒸汽 云爆炸的概率。因此，按照我們現有的知識，解決控制室爆炸問題的途徑有：首先，要確認 裝置中的哪些區(qū)域可以泄露可燃氣體； 其次就是采取措施防止泄漏。 這些主要措施是對已發(fā) 生過泄漏的裝置對操作工提前提出予警， 以減少泄漏量， 還有就是對控制室實施抗爆炸保護。本規(guī)程要識別三種潛在爆炸類型，從而按照不同類型進行布置和設計。這些條文適合 于蒸汽云爆炸，亦同樣適用于 Runaway Reaction 引起的爆炸。川、蒸汽云A 蒸汽云爆炸的定義蒸汽云爆炸的發(fā)生，首先要有可燃物的泄漏的充分時間和泄漏速度，這是可燃物與

3、空 氣形成爆炸混合物的重要條件，其次還要存在點火源(與空氣混合) 。幾種情況缺一不可， 有時候可燃物質在高于自然溫度時被點火，而且迅速燃燒，而并沒有形成爆炸。B. 蒸汽云爆炸因素下面一些因素決定一個蒸汽云爆炸的規(guī)模，可能幾率和嚴重性：1點火時的可燃物數量；2. 包含的其他可燃物；蒸汽云的湍流度它影響著蒸汽云中可燃介質圍的混合物總量。3. 可燃物的濃度(degrea furbule nee)4火焰速度5障礙物阻止蒸汽云自膨脹，從而加火焰速度； 6點火源位置；7燃燒模式：燃燒或者爆炸。對一個潛在危險，關鍵因素是可燃物的數量和點火時間。點火的可能性隨著蒸汽云規(guī)模的增加（點火源隨著蒸汽云擴而增多） ，

4、而爆炸的可能性 也隨著（不像火災那樣） 蒸汽云規(guī)模增大， 可燃圍可燃物數量跟著增加， 從而爆炸幾率增大。一般估計，有 10%形成的蒸汽云，被點火爆炸。這個機率（指點火爆炸）很低，數據 不是十分可靠。 一些觀察者認為蒸汽云中可燃氣體的最低含量是一個爆炸最值得考慮的一個 因素。舉個例子， Marshall （ 4）重新整理了 Strehlow（ 7）提供的數據說明，蒸汽云中含有 15t 以下可燃物可以造成火災，而超過 30t 可以引起爆炸。雖然這些數據是有限的，但還是已經 用 10t 這個標準來區(qū)分下面的分類 B 和分類 C 。基于以上因素，可燃物釋放量是裝置設計者和操作者直接可以控制的。工藝裝置

5、可以 用潛在的蒸汽云危險性來區(qū)分， 這些危險主要包括一定物理狀態(tài) （溫度和壓力等） 的大量可 燃物，可以以蒸汽形式或者以液體揮發(fā)到空氣中的形式泄漏到空氣中。在這些裝置中，設計者需要考慮限制潛在危險物質的最少量（裝置控制正常）限制容 器的連接數量（尤其是液位以下部分） ，提供安全減壓和設備（施） ，設計至罐火炬及其他出 口的減量措施（步驟） ，遙控獨立操作閥門亦應考慮多數量。裝置（操作） 人員的高標準的操作、 維護和設備檢查是保證工藝流程及機械設計良好的 保證?？墒?，如果采取這些措施后，仍然存在潛在的可燃氣體泄露并造成爆炸，控制室的設 計就要有適宜的（抵抗爆炸的）特點，對其中的人員和設備實施足夠

6、的保護。在平面布置上，控制點要布置在主導風向的上風向（可燃物泄露）是一個比較常見的 措施。W、裝置分類按照本指南，化工裝置可分為三種類型，類型 A 小型或者設有爆炸危險裝置 裝置包含：?吸熱反應或者輕微放熱反應，而且?材料是不可燃材料，閃點在 54C（ 130 T ）以上，而且高于最大凈操作溫度8C（ 15T）以上。（一個流程中）類型 B 小型爆炸危險裝置 裝置包含： ?易于控制的化學放熱反應，比如酯化、胺化裝置通過減少氨和硫的用量，加上適當的 控制措施及泄壓保護措施防止反應失去控制，還有?存在可燃氣體和液體，但設備的布置、隔離閥隔離總量以及溫度壓力下使得可燃氣體 五分鐘泄露量不會超過 10

7、噸。類型 C 有爆炸危害性的裝置裝置包含： ?不易控制的高放熱反應，比如硝化、氧化、鹵化、加氫、烴化以及聚合反應?；蛘??裝置中材料（使用） NFPA 中活性系數 2 或者更高。或者 ?五分種釋放可燃氣體或液體，總量超過10 噸。以上類型不包含裝置設施爆炸， 這種爆炸不在本指南圍， 這些裝置的建造、 布置、 保護 和防護可參見國防部（手冊） 。V、影響布置的因素新建控制室的布置不是決定于單一一種因素。通常，單一因素比較容易識別，但是多 種因素影響的平衡將決定選擇 （新建控制室） 的布置這些因素包括： 可能危險、 暴露物、 將來發(fā)展、環(huán)境影響和間距（控制室與裝置之間的） ?？赡艿奈ｋU1控制室布置

8、考慮臨近裝置操作的危險，以及可能發(fā)生事故造成的危害。這些典型危險包括：爆炸? ?在一些存在爆炸可能的常見反應器（周圍） ，高壓或放熱裝置，設置適當障礙物減少暴 露于這些爆炸危險中。?可燃氣體泄漏的可能伴隨點火機率引起爆炸或大的火災。?爆炸殘骸拋出的可能危害。2火災潛在火災的大小和持續(xù)時間，可燃、易燃液體隨地面流向控制室的可能性。3嚴重健康危害設備附近存在有毒物質，如果泄漏對控制室人員造成集中傷害。4長期健康考慮雇員長時間暴露于裝置有輕微有害材料的環(huán)境下。暴露物考慮生產裝置的危險性以后，也要適當考慮控制室本身：1聯合控制室如果一個控制室控制多個裝置，一個裝置發(fā)生危險時不能對其他裝置失去控制也不能

9、 影響其他裝置的安全停車，這點是十分重要的。2人員 裝置必須的操作人員必須待在控制室。他們應該接受過相應裝置可能危害處理方面的 培訓?？刂剖业牟贾靡紤]這些人員的安全和可用設施重要性， 以盡量減少生產裝置發(fā)生事 故的影響。3關鍵設備 要考慮對計算機、控制系統(tǒng)和其他類似設備（關鍵設備或者長周期運行設備）進行保 護，降低設備損壞的可能。C. 將來發(fā)展通常包含生產設施及控制室設施，考慮將來發(fā)展的可能性，對于擴可能性，控制室建 造位置要適合將來發(fā)展需要。 （而不是先占據一塊場地）D. 環(huán)境和其他因素1風向應該考慮風向因素，它直接影響著釋放可燃氣體和有毒有害氣體的流動方向；考慮風 向的另外一個因素是空調

10、和凈化風入口位置的選擇。2地形和排水 有比空氣重的氣體釋放時要考慮地形因素。如果有這種可能，控制室布置不宜在生產 裝置的下面。如果存在液體物質泄漏，排水設計需要阻止可燃液體向控制室方向流動。3平面布置要求平面布置要考慮地上地下電纜、儀表電線及管線的走向。E侗距在考慮上述因素的基礎上，要考慮控制室同生產裝置的距離。沒有單一因素確定一個 固定距離，但從現有經驗總結出一個典型距離或者布置要點將是非常有用的。類型 A 小型或者沒有爆炸危險的裝置 ?如果生產設施及其具體情況下，很少或不可能發(fā)生前述或其他類型危險，那么控制室 可以臨近生產設施布置。類型 B 小型爆炸危險裝置 ?這種類型裝置的控制室應距離含

11、有可燃材料設備或放熱反應器至少15 米（50 英尺）符合 APIRD500A 第三版， 1968.4 月（ 1973年重新認定） 。關于“煉廠電氣區(qū)域劃分推薦標準”以及 NFPA497 1975中“化工裝置電氣安裝一類危險布置”類型C爆炸危險裝置?這種裝置的控制室應距離含有可燃材料設備或放熱反應器至少30米（100英尺）。（離開含有可燃材料設備） 的最小距離一一控制室不被生產裝置爆炸影響，是60米（200英尺）。如果這樣布置，類型C裝置可按第四節(jié) B中的類型B建造。因為即使離開60米，空中爆炸 仍可能使結構損壞，擊碎玻璃窗等。切、裝置分類、建設指南1. 類型A小型或沒有爆炸危險的裝置控制室1.

12、1符合當地建筑規(guī)（見表 1.2）1.2必須是不可燃燒1.3支撐屋頂的墻體應避免采用脆性材料（如果存在爆炸危險）2. 類型B類型A的補充要求小型爆炸危險的單套裝置控制室2.1 材料承重構件及外部構件應采用柔性材料如鋼筋砼、配筋砌體或金屬夾心板結構。木材等其他輔助燃燒的材料不應使用。窗、門及透光材料滿足如下要求：a. 窗框及格柵應為金屬材料b. 門及門框（墻上的）以及部的防火門應為金屬材料c. 部、外部使用的（門、窗及門窗的部件）玻璃應為“安全玻璃”，指標見ANSI97.1，最小厚度為6伽剛化玻璃或者覆以（玻璃側）最小厚度0.38伽的金屬網片。表1標準和規(guī)ICBO 官方建筑國際會議UBC 統(tǒng)筑規(guī)及

13、當地規(guī)ANSI 規(guī)CI國家電力規(guī) INFDA 70Z970.1 建筑用安全透光材料 表2標準及出版物ASHRAE 美暖、制冷及空調協(xié)會指南及數據書原理手冊ANSI標準A525 鋅涂層（或鍍鋅）鋼板墊浸鋅工藝一般要求B209 鋁合金板E84建筑材料表面燃燒性能2.2 設計屋頂及其垂直支撐構件連接應有足夠延性。所有控制室應至少在兩端外墻上有兩個出口，外門均應外開，而且至少有一個門是應 急出口。建筑物一般宜為單層。如果超過一層，上層應至少有兩種出口形式，其中一個應該是 開敞防火通道或者封閉防火樓梯間。2.2.4 窗 一般情況下，距離處理可燃液體、氣體設備60米以，建議不設玻璃窗。如果設

14、窗應符合以下規(guī)定：墻與設備距離（釋放源在建筑物外）小于30米（100英尺） 3060米（100200英尺）玻璃G1、G3窗戶區(qū)域A1窗框設計F1面向設備（墻上）玻璃G1、G3窗框設計F1其他墻上玻璃G1、G2窗戶區(qū)域A2、A3窗框設計F1圖例:玻璃:G1 6伽(1/4')完全剛化玻璃G26伽(1/4')覆0.38 mm金屬網片玻璃G36伽(1/4')覆1.5 m金屬網片玻璃玻璃面積（窗戶大?。┫拗礎1 0.18 m2（ 2ft2）門，0.46 m2（ 5ft2）每邊墻A2 0.46 m2（ 5ft2） 每窗A3 5%每邊墻面積 窗框及格柵設計：F1對窗戶、窗框、格柵及錨

15、固設計應滿足靜荷載7.2Kpa （150psf）作用方向夕卜2.2.5 樓層地下構造每個房間的最終地坪標高應比相鄰場地標高高200 mm 為防止可燃氣體、液體侵入，距離處理可燃液體設備 60 米以區(qū)域不應布置開敞的溝 及坑槽。地下室可以建設但不應對外設開敞通道。涵洞、通道（為動力電纜及儀表纜）應有 良好密封（為防止“串氣” ）措施，而且不應該有發(fā)火花設備。2.2.6 屋頂鋼筋砼頂及金屬頂鋪一般滿鋪瀝青油氈層。2.2.7 排水控制室一般不設地面排水收集系統(tǒng)。如果需要，通向污水管線時要設一個存水彎。2.3 采暖、通風、空調2.3.1 所有封閉房間必須每小時四次（至少）通風換氣。2.3

16、.2 新鮮風進口應布置在可以得到干凈空氣的位置。 而且在進口位置最好設置爆炸分析探 測裝置以警報 25% （或小于）爆炸濃度氣體。2.3.3 當需要壓力通風時（對電氣分類區(qū)域或者有毒氣體）壓力要維持至0.02Kpa（ 0.1 英寸水壓），見 NFPA496。2.4 其他2.4.1 除蒸汽、 儀表風、 水、新鮮空氣的管線可以從安全位置進入外， 控制室不允許其他液 體和氣體進入。2.4.2 所有管線、電纜及線管（動力、信號、控制）進入建筑物都應密封（在進口處）。2.4.3 可燃材料樣品試驗室及電配間是控制室的一部分時，它應有直接通向室外的通道，而 且不能通向控制室。2.4.4 沖擊物：針對爆炸的固

17、有特性或者建筑物的具體形式，或者兩者均有，要考慮爆炸飛 來的殘骸的（或叫“沖擊物” ）的影響。沖擊物保護一般采用鋼筋砼，其他一些結構一般容 易被損壞（沖擊物刺入） 。一個典型沖擊計算例題見附錄三3 類型C類型A、B的補充要求有爆炸危險性單個裝置控制室或者多個裝置（B、 C 類）的控制室。類型 C 的控制室從經濟上以及從設計簡便出發(fā)，宜設計成單層，雙層建筑物技術上是 可行的（有時在空間上有限制需要布置） 。類型 C 的建筑包含辦公室及門衛(wèi)室時，應限制這 些人員直接進入裝置日常操作室， 因為他們平時在辦公室， 這些房間就應該包含在抗爆結構。 如果實驗室包含在抗爆控制室， 它不應有部連通門。 結構設

18、計就要防止實驗室爆炸而影響控制室其他部分；實驗室應有一個獨立的通風系統(tǒng)，實驗室宜距離工藝區(qū)60米以外。按照本指南的目的，抗爆建筑物被定義成足以抵抗外部裝置爆炸所產生的沖擊波超壓為69Kpa,作用時間為20ms。這大概相當于一個球體在自由空氣中爆炸（1美國噸TNT在30米（100ft）處）所產生的沖擊波超壓。為抵抗這種爆炸，結構中度損壞而不倒塌是可以接受的。 在這種情況下，人員可保證安全，控制室設施保證具有可操作性。對于蒸汽云爆炸，設計計算時不用69Kpa、作用時間20ms爆炸沖擊波，而采用沖擊波超壓為20 Kpa（ 2.9Psi）、持續(xù)時間為100ms。它近似相當于直徑 60m，高4米包含6%

19、乙烷 的氣體爆炸，距中心距離 75米處產生的沖擊波超壓。在一定圍，在特定結構構件的自然頻率下，沖擊波超壓和作用時間之間有一個平衡交 換。抵抗高動壓和短作用時間的結構構件同樣要具備抵抗低沖擊波壓力和長作用時間的能 力，反之亦然。如果結構構件的自然頻率超出設計圍，這就不正確了。（比如，高自振頻率的構件在長時低壓的沖擊波作用下比（相對）短時沖擊波作用下力要?。┏菍ζ綍r設計沒有考慮到的關鍵區(qū)域（地方）提出特殊措施，按照靜力荷載設計的建筑物沒有同樣造價的、 按照動力荷載設計的建筑物更符合抗爆實際情況。3.1抗爆補充要求匯總下表3列出了要用到的出版物表3標準規(guī)ACI美國混凝土協(xié)會ACI318建筑鋼筋砼規(guī)

20、AISC美國鋼結構協(xié)會建筑鋼結構設計、制作、安裝ASCE美國土木工程師協(xié)會NO.42核武器影響結構設計美國政府出版物TM5-1300抵抗爆炸影響結構TR4837 HE爆炸影響的鋼結構設計3.2建筑類型類型C建筑宜建成a單層整體鋼筋砼箱形建筑，帶剪力垟。b.鋼筋砼或鋼結構框架，鋼筋砼或其他柔性材料墻體，如果采用預應力鋼筋砼或配筋砌 體材料在類型 C的建筑中，結構構件在房屋倒塌之前，吸收能量的能力要超過抵抗的爆炸 設計荷載的2倍。不應使用脆性材料，也不應采用非延性節(jié)點連接。3.3荷載爆炸沖擊波壓力及作用時間箱形建筑物上作用以下荷載，它決定于爆炸的形式?？梢圆捎孟旅婧奢da每墻承受凈反射壓 172Kp

21、a（25Psi）作用時間20ms。（反射壓的解釋見本書資料2中第7節(jié)）b頂板和梁設計荷載：沖擊波超過69Kpa，作用時間20ms的偶然爆炸；c主框架應設計成：抵抗任何一面墻上沖擊壓（同本節(jié)a）和下面有關屋面的荷載；凈壓屋頂荷載框架跨度m（ft）施加均布壓力kPa（Psi）作用時間ms3（ 10）69（ 10）206（ 20）38（ 5.5）3512 （40）30（ 4.4）5518（ 60）26（ 3.8）60如果框架跨度在上表數值圍，可以線性插入。也可以采用：a沖擊波超壓20Kpa，正壓持續(xù)時間 100ms，每面墻抗沖擊波反射壓30Kpa件4Psi）。正壓持續(xù)時間100ms。b屋頂抵抗沖擊波

22、超壓 20Kpa （ 2.9PSi）和正壓持續(xù)時間 100ms。c當側墻承擔正墻傳遞水平剪力時（見本節(jié)a）也應同時承受本節(jié) b中的同屋頂相同的沖擊波超壓。注：所有沖擊波壓力隨時間（假定）線性遞減。沖擊波壓力和持續(xù)時間的有效靜荷載。結構構件的動力反應隨著構件本身振動周期的變化而不同一一周期越長，其動力反力就越大。（因此推薦大跨度）在沖擊荷載作用方向上要求構件的動承載力，其計算步驟在ASCE NO.42手冊中有概括性的描述，但也可以使用其他等效的計算方法進行（考慮動力反應）。一般可按下式進行計算（見 ）P2 m（ 0.7）其中：R：構件要求的動力承載能力，表述為等效靜力荷載（沖擊波壓力和作用時間）

23、 的單位kpa（psi）P：構件沖擊荷載Kpa（psi）A:能量吸收系數。m 最大位移（復位）系數Xm/XyT:持續(xù)時間系數T = to/TXm：允許最大動力變位.mm.inXy：屈服時的實際（有效）變位 .mm.inTo：沖擊荷載持續(xù)時間 msT：結構構件的幾本自振周期.ms3.322 最大允許動變位見下表 變形限值結構構件變形系數 Xm/Xy= m配剪磚砌體：1.0鋼筋砼：中心受壓< 1.0受彎3.0受剪1.5鋼結構梁和框架5.0冷扎圍護（封閉斷面）3.0框架梁用來限制柱（變位）以抵抗側向荷載，因此在垂直荷載作用下，其變形系 數應為1.0，框架的側移、高度比率不應高于0.04。3.3

24、.2.3 （構件）的反彈承載力（與沖擊荷載方向相反的）應按 ASCE NO.42中的方法或其 它等效方法確定。反彈承載力不能低于75%的無阻尼反彈，及25%的動承載力（方法計算的），兩者取大值。荷載組合 （構件）需要的動承載力R應按下式同其他荷載進行組合U=D+L+R其中U:構件要求的總動承載力D :靜荷載，或者靜載引起的力（彎矩、反力）L :活荷載，或者活載引起的力（彎矩、反力）反彈承載力只應與靜載組合沖擊承載力不與地震及風荷載組合3.4結構設計結構形狀應簡單明快，避免布置凹角、軸線偏移及門廊、前庭等。結構設計承載力ACI ,任何結構構件的動承載力應該按照結構塑性設計（AISC

25、規(guī)）和極限承載力方法（鋼筋砼結構）確定。除了：a材料的動力強度按下表采用；b強度折減系數可以提高 10%;鋼結構和鋼筋的動力強度（用最小屈服強度相比）鋼結構 fy < 415Mpa (60Ksi)中心受拉受彎fay 中心受壓鋼結構 fy > 415Mpa*中心受拉受彎中心受壓受剪1.2fy2Fa*但w fdy0.6fy1.1fy1.8Fa* 但w fdy0.55fy砼的動力強度Mpa or Psi（同28天標準圓柱體強度相比廣*中心或彎曲受壓f 'c1.25f '直剪Vd0.20 f '斜截面受Vdc-0.187 . f'C (2.25 f'

26、c )粘結Ud0.15 f'c中心受拉0.622. f'c (7.5. f'c )承壓(f bc)0.85 f'c注：* Fa是允許壓應力（按照AISC第一部分）;*此類鋼材選用要征得業(yè)主工程師認可；*任何情況下f'c不應小于20Mpa。3.4.2 其他結構設計要求鋼筋砼結構應滿足下列要求a屋頂板及外墻應雙層配筋。b框架及剪力墻設計應符合ACI318附錄A的抗震設計要求（本次修改除外）。342.2鋼結構應滿足以下要求a所有構件應通過設置加勁及支撐以避免在完全塑性鉸形成之前喪失穩(wěn)定性。b構件間的連接承載力應不小于構件的承載力無配筋磚砌體及素砼結構、無粘結后

27、法予應力結構或者其他脆性材料結構不應采用。3.5 基礎設計3.51 基礎設計推薦采用以下同時組合的動力反應最大值（進行計算）：a 反射壓；b 屋頂荷載；c 靜、活荷載； 動力反應的最大值可以理解為不考慮時間效應的靜荷載作用下的結構總抗力（ U ），在 任何情況下基礎的承載力都不能小于結構構件所支承的極限靜荷載。3.5.2 沖擊荷載情況下 土壤的允許壓力可取其極限值的80。土壤極限承載力是基于土壤試驗結果并考慮在沖擊荷載作用下允許的總的和不均勻變形 （沉 降）。3.5.3 基礎抗不平衡側向動力荷載的傾覆安全系數取 1.2，不考慮活荷載的影響。3.5.4 需要考慮基礎的被動土壓力增加抗滑能力時，基礎的被動土壓力應該是不平衡荷載的1.5 倍。所謂不平衡荷載系指總動水平荷載減去摩擦阻力。3.5.5 柱基礎在沖擊荷載作用下的允許垂直承載力可取其極限承載力的 0.8 倍。3.5.6 如果考慮樁來抵抗沖擊荷載下的水平位移，基礎的被動土壓力應該計入。3.5.7 單獨基礎應該用連梁連在一起。3.6 門和洞口3.6.1 至少設置兩個出口， 建筑物對應的兩端設置 1 個或更多 （出口）