人員集中場所石化建筑抗爆改造技術研究進展

顧 蒙，黨文義，凌曉東，盧 衛

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071)

石油化工裝置所涉及的物料大多為易燃易爆的烴類液體和氣體，一旦泄漏可能發生蒸氣云爆炸，會造成極大的人員傷亡和經濟損失[1，2]。但在我國石化領域，只有少數新建化工企業或裝置考慮了人員占用場所的抗爆安全設計，部分中央控制室或裝置控制室采用了抗爆控制室設計，大部分距離生產裝置較近的人員占用建筑物，只考慮了防火要求，很難滿足安全生產的新要求。此外，建筑物用途改變，生產工藝改變[3]，人員集中場所擴建，防恐風險評估[4]，或者過程危險分析中發現了可能存在問題，都會要求對現有石化建筑物進行加固改造。需選用合理的抗爆改造方法，既保證項目的可施工性、經濟合理性，又將風險控制在可接受的范圍內。

1 石化建筑物抗爆改造評估

在對現有建筑物進行加固改造之前，需對建筑物抗爆能力進行評估，建筑物抗爆改造研究通常包括風險識別與量化、建筑物分類、破壞評估和減輕破壞4個步驟[5]。

1.1 風險識別與量化

確定可能發生爆炸的區域與爆炸規模大小，預測建筑物爆炸超壓。

1.2 石化建筑物分類

為提高評估過程效率，并將重點工作放在加固改造上，石化建筑物被分為以下類別。

A類：不需要進行抗爆改造的建筑。該類建筑物爆炸超壓低于最低抗爆改造要求。不同公司由于建筑水平、爆炸預測壓力、可接受風險等級、經營要求的不同，對于最低爆炸超壓的設定不同。如果沒有更好的參考，可設定一般建筑物最低爆炸超壓為6.9 kPa(不適用于可移動建筑，未加固砌體建筑)。

B類：需要進行改造，且改造后滿足要求的建筑。需要進一步分析，確定合理的改造方案以滿足抗爆要求。

C類：難以進行有效改造的建筑。若爆炸超壓大于45 kPa，一般很難進行有效的常規改造。這種情況下，需對建筑物拆除重建，或者在建筑物周圍新建抗爆保護殼，保護現有建筑。

1.3 破壞評估

對于需要進一步評估的建筑，進行完整的工程評估，確定爆炸對建筑物每個構件的破壞程度及后果。

1.4 減輕破壞

對建筑進行抗爆加固改造，將風險控制在可接受的范圍內。

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許多限制因素的影響，使得它的加固設計、施工等均要比新建建筑結構復雜[6]。通常基于爆炸載荷、現有石化建筑物結構特征、改造成本、加固施工對周圍環境的影響和建筑物使用功能需求等對現有石化建筑進行加固設計。

2.1 結構連接處加固

如果不需要拆除現有的內墻和設備，并且改造后足以抵御爆炸載荷，那么加強結構連接是對現有建筑最有效的改造。這種改造適用于對于爆炸荷載具有足夠抗彎能力，但抗爆能力因其連接條件而受到限制的結構。一種典型的剪力連接是由一個帶有兩個螺栓的剪切板組成的。當爆炸載荷作用于梁時，連接可能由于螺栓損壞、剪切板破壞而失效。這種類型的連接改造可以是將剪切板焊接在梁上，使用高強度的螺栓代替低強度螺栓，螺栓孔也可以擴大以安裝大直徑螺栓。

2.2 框架結構加固

框架結構可以通過增加截面來加固。例如，外包型鋼加固法、黏鋼加固法，新增部分與原構件組合成一個整體共同工作，可有效地提高構件承載力和剛度，改善構件的安全性能[7]。鋼框架構件還可以通過增加橫向支撐來改造，以減少有效框架構件跨度，并將彎矩承載力傳遞到一個橫向簡支上，見圖1。對于混凝土梁柱，還通過增配鋼筋加固，該方法不僅可以提高構件的抗彎和抗剪能力，而且可用以修復已損傷的混凝土構件截面，使之提高其耐久性能[8]。

圖1 混凝土梁柱增配鋼筋加固

2.3 砌體墻加固

許多石化建筑中包括砌體墻，砌體結構缺乏延展性，抗剪、抗拉、抗彎強度較低[9]，具有較低抗爆能力。目前有許多方法可以加固磚墻，以增加它們的抗爆能力，包括許多已經被開發用來抵抗炸彈爆炸荷載的方法。然而，通常只有少數的這些改造方法是適用于工業爆炸，因為工業爆炸載荷正壓作用時間通常遠大于TNT炸藥正壓作用時間[10]。常見的用于工業爆炸中墻體的抗爆改造方法包括：將垂直鋼柱安裝在墻壁上、鋼筋混凝土外加層加固、將高強度纖維增強材料粘合到墻面上以及噴涂抗爆涂層[3]。

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2.3.1鋼柱加固改造

與其它大多數的改造相比，在砌體墻上安裝鋼柱需要占用的空間最小。鋼柱可以安裝在墻壁的內部或外部。如圖2所示，放置在建筑物外部可以避免影響室內設備及建筑物正常使用。垂直鋼柱加固改造可以設計成非常高的抗爆能力，這取決于柱子的大小和間距。這些柱子能抵抗在向內和回彈階段時的沖擊載荷作用，還可以用來抵抗來自防爆門窗的反作用力。

2.3.2鋼筋混凝土外加層加固

在原墻體表面疊澆鋼筋混凝土加固層，使新墻體和現有墻體之間形成復合作用，以增加整體壁厚及抗彎、抗剪能力。如果要求的厚度增加有限，并且增加的墻壁重量不需要修改現有的地基，這種改造是可行的。

2.3.3粘貼纖維復合材料加固

纖維增強復合材料根據纖維材料材質的不同可分為:碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)[11]。纖維復合材料具有強度高、剛度大、優異的耐腐蝕、抗疲勞性能的優點。纖維復合材料及其粘貼方式分別如圖3、圖4所示。粘貼纖維復合材料加固法，是使用高性能的黏結劑把纖維布粘著在需要加固的結構構件表面，使其與原構件協同發揮作用，從而提升既有建筑的抗彎、抗剪、抗壓承載力[12-14]。

圖2 垂直鋼柱加固砌體墻

圖3 纖維增強復合材料

圖4 纖維復合材料加固砌體墻的粘貼方式

2.3.4噴涂抗爆涂層加固

聚脲彈性體是一種噴涂于結構表面以應對動態荷載下結構的破裂、碎片飛濺、變形響應的彈性體聚合物。如圖5所示，噴涂聚脲涂層能夠提高墻體結構的強度、韌性和剛度，增加未加固砌體結構的抗爆能力[15]。此外，噴涂聚脲加固層還可有效減少砌體結構在動態荷載作用下碎片的產生，有效降低室內人員的傷亡[16]。

幾乎所有的墻壁都可以通過在現有墻體外增加抗爆墻來進行改造。在抗爆墻和現有墻體之間，應該保持一個大于預期的抗爆墻撓度的間隙。這將防止抗爆墻由于對爆炸荷載的動態響應，偏離到現有的墻，并使它損壞。同時需要注意，抗爆墻的突然偏轉會減少抗爆墻和現有墻體之間的空隙體積，從而增加了空氣壓力，進而破壞現有墻體。在現有墻壁上開鑿小通氣口，抗爆墻與現有墻保持足夠的距離，就可以防止這一潛在問題。如果需要的話，這些通風口可以用低強度、輕質材料覆蓋。這種加固方式的優點是不需要開展任何建筑內的工程改在，并且改造前后建筑外觀相接近。

圖5 砌體墻噴涂聚脲涂層

2.4 屋頂加固

屋頂通常很難加固，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選擇的方法有限，若在建筑物內部改造，則常常需要移除吊頂、暖通管道和其它布線系統，改造工期長。在需要進行外部改造時，最實用的方法是在現有屋頂上安裝新的防爆庇護屋頂系統，使現有的屋頂免受爆炸沖擊。如果現有屋頂上安裝了空調機組，則必須在新屋頂和暖通空調系統安裝之前，向建筑物提供臨時空調。

2.5 攔截系統加固

在建筑物內可以放置各種“攔截墻”和“攔截屋頂”系統，以防止墻壁和屋頂系統產生的碎片造成建筑內人員傷害。這些系統通常用于面積小、人員集中場所，并且這些場所的建筑物的框架可以抵抗爆炸荷載，但是屋頂或墻面若不改造將難以抵抗爆炸負荷。“攔截墻”改造包括在人員集中區域的周圍構建帶有重鋼格柵的室內鋼框架，在人員集中區域前放置室內防爆墻系統。“攔截屋頂”安裝在原屋頂之下，由鋼管橫梁支撐著重鋼格柵，剛柵的設計目的是，當屋面板和托梁在爆炸荷載作用下失效時支撐原屋面板和托梁。

2.6 防爆外殼加固

當加固現有結構的方案不可行時，可用鋼筋混凝土或鋼框架及防爆板在現有建筑物周圍建造一個獨立的殼體或“繭”結構。鋼筋混凝土抗爆外殼可以選擇現澆或預制墻和屋面板。顯然，這通常是最昂貴的改造方案。然而，抗爆外殼依然有部分優點：

a)大部分工作都是在建筑物外面完成，建筑物使用的中斷能最小化。

b)外殼可以滿足幾乎任何特定的防爆標準。對于某些荷載上限，其它加固改造方法是不適用的。

c)對于抗爆外殼而言，連接的可施工性容易實現。而將新改造組件充分連接到現有建筑物的過程是相當困難的。

3 建筑物抗爆加固方法總結

現有石化建筑物抗爆加固改造有多種選擇，可以從很小的升級，比如窗戶加固，到非常重大的改造，比如在現有的建筑周圍建造一個堅固的混凝土外殼，或者“繭”一樣的結構。一般而言，建筑物抗爆能力提升改造可以分為3類基本方法，各類方法抗爆能力的提升等級見表1。

a)加固已有建筑構件或建筑構件的連接。

b)允許建筑構件破壞，但其產生的碎片由攔截系統攔截，避免建筑物內人員傷亡、設備損傷。

c)建筑周圍新建抗爆保護殼，保護現有建筑。

表1 石化建筑物抗爆加固方法總結

需要注意的是，攔截系統不能應用于帶承重墻的建筑。常規建筑構件抗爆能力提升系數：低(100%～150%)，中(150%～300%)，高(>300%)。由于不同建筑的規模、材料強度和其它特性各有差異，建筑物抗爆能力實際的增加有很大的不同。此外，當進行抗爆改造時，需要考慮一些減少碎片傷害的非結構性改造。例如：減少或者消除建筑物內可能脫落的重物。對所有屋頂上方的設備、燈、吊頂進行連接加固。將所有的書架固定在墻上。拆除門口附近可能倒塌，堵塞門口的圍墻[5]。

4 石化建筑物抗爆加固改造技術的發展

石化建筑抗爆改造不同于一般建筑物改造，改造成本不僅包括建筑成本，還包括由于改造而導致的停工時間成本。石化企業正常生產的中斷，將會極大的增大改造費用。纖維復合材料、抗爆涂層加固方法，不僅可以充分發揮材料的高強性能，而且施工方便，操作性強，占用空間小，加固效果顯著，無論是可施工性、經濟合理性及加固效果方面，都比其他加固方法有較大的優勢，值得進行更加深入的研究與探索。此外，推進纖維復合材料、抗爆涂層國產化可進一步降低工程造價。

目前國內關于石化建筑抗爆試驗研究較少，由于建筑物在爆炸沖擊波荷載作用下的復雜性，為確定影響建筑物的結構破壞形態及抗爆性能的因素，應研發可靠、有效的室內外實驗裝置和實驗方法，同時加強對加固建筑結構在抗爆原理、理論分析和設計計算方法等方面的研究，為指導石化建筑加固提供依據。

對于石化工程中哪些類型建筑物需要進行抗爆設計，國內缺少相關的指導性規范。GB 50779-2012《石油化工控制室抗爆設計規范》規定，當控制室未進行爆炸安全性評估時，抗爆設計采用固定載荷法，未考慮現場實際情況。對于現有建筑物加固改造為抗爆建筑，GB 50779-2012也沒有給出明確規范。標準與規范的缺乏將會限制加固技術在國內的發展，需制定有關的技術標準與規范，使得抗爆構件計算分析方法、爆炸超壓、加固施工要求等一系列工作有章可依。