工業(yè)廠房防爆設(shè)計(jì)的改進(jìn)

1防治發(fā)生爆炸和燃燒事故,降低運(yùn)行成本,是防治小在建造氫站工廠的過程中，由于在生產(chǎn)過程中存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)認(rèn)真考慮避免爆炸。如果發(fā)生爆炸，生命財(cái)產(chǎn)的損失應(yīng)該降至最低。爆炸是在瞬間發(fā)生的,人在爆炸的當(dāng)時(shí)是來不及采取任何措施的,因此工業(yè)廠房防爆設(shè)計(jì)應(yīng)該貫徹“安全第一,預(yù)防為主”的方針。設(shè)計(jì)中一定要嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定、法規(guī),采取有效的防爆措施、合理的抗爆結(jié)構(gòu),解決處理好泄壓設(shè)施等。通過技術(shù)手段,保障安生生產(chǎn),防止發(fā)生爆炸和燃燒事故。本文就有效的防爆措施、合理的抗爆結(jié)構(gòu),解決處理好泄壓設(shè)施發(fā)表一些個(gè)人看法。2提出問題2.1計(jì)算結(jié)果比較2006年12月1日開始實(shí)施的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016—2006(以下簡(jiǎn)稱規(guī)范)中,關(guān)于廠房(倉庫)的防爆部分對(duì)2001年版的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GBJ16—87(以下簡(jiǎn)稱舊規(guī)范)做出了重大的調(diào)整,其中,在泄壓設(shè)計(jì)方面,提出了更高的要求。(1)泄壓面積的變化在舊規(guī)范中,泄壓面積與廠房體積的比值(m2/m3)宜采用0.05~0.22。爆炸介質(zhì)威力較強(qiáng)或爆炸壓力上升速度較快的廠房,應(yīng)盡量加大比值。體積超過1000m3的建筑,如采用上述比值有困難時(shí),可適當(dāng)降低,但不宜小于0.03。(見舊規(guī)范第3.4.2條和第3.4.3條)。而新規(guī)范則規(guī)定:有爆炸危險(xiǎn)的甲、乙類廠房,其泄壓面積宜按下式計(jì)算,但廠房的長(zhǎng)徑比大于3時(shí),宜將該建筑劃分為長(zhǎng)徑比小于等于3的多個(gè)計(jì)算段,各計(jì)算段中的公共截面不得作為泄壓面積:式中:A—泄壓面積(m2);V—廠房的容積(m3);C—泄壓比系數(shù),廠房容積為1000m3時(shí),按規(guī)范表3.6.3選取。下面通過一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算比較新舊規(guī)范泄壓面積之間的差異。如圖1制氫站示意圖中,液氨分解凈化間是氫爆炸危險(xiǎn)性車間;液氨氣化間是氨爆炸危險(xiǎn)性車間。對(duì)于液氨分解凈化間,經(jīng)計(jì)算體積為:V=2262m3,查規(guī)范表3.6.3氫一項(xiàng)得C≥0.250,按式(1)計(jì)算(長(zhǎng)寬比滿足要求)泄壓面積為:按舊規(guī)范第3.4.3條查得泄壓面積與廠房體積的比值可取0.03,則:計(jì)算可以看出,新規(guī)范是舊規(guī)范的6倍多。對(duì)于液氨氣化間,經(jīng)計(jì)算體積為:V=1203m3,查規(guī)范表3.6.3氫一項(xiàng)得C≥0.030,按式(1)計(jì)算(長(zhǎng)寬比滿足要求)泄壓面積為:按舊規(guī)范第3.4.3條查得泄壓比系數(shù)可取0.03,則:新規(guī)范比舊規(guī)范小2m2。通過對(duì)比,可以看出,舊規(guī)范中的泄壓面積設(shè)置比較模糊,并沒有對(duì)不同的物質(zhì),具體的場(chǎng)所做分類,相對(duì)籠統(tǒng)。而新規(guī)范的措施對(duì)物質(zhì)、空間有了粗略的界定,能運(yùn)用公式、代入?yún)?shù),得出相應(yīng)的泄壓面積,其針對(duì)性和準(zhǔn)確性都有了很大的提高,能更有效起到減爆效果,從而更好地保障人們生命和財(cái)產(chǎn)安全。但是對(duì)于液氨分解凈化間的泄壓面積設(shè)置卻出了一個(gè)難題,本例液氨分解凈化間的屋面面積只有324m2,即使屋面全部為泄壓面積還差107m2,加上窗也不夠。所以除充分利用屋面泄壓面積外,還必須把墻面設(shè)置為泄壓面積。(2)規(guī)范增加了避免產(chǎn)生二次傷害部分(1)規(guī)范在第3.6.4條特別指出“不應(yīng)采用普通玻璃”是避免在爆炸時(shí)產(chǎn)生玻璃碴子造成二次傷害而規(guī)定的,也就是說不能靠玻璃破碎泄壓,而應(yīng)靠開啟窗扇泄壓。(2)規(guī)范在第3.6.4條第二款說明中明確,最好采用“具有在爆炸時(shí)易破壞成碎塊”的建筑材料,且強(qiáng)調(diào)“對(duì)于爆炸時(shí)易形成尖銳碎片四散噴射的材料不能布置在公共走道或貴重設(shè)備的正面或附近”。(3)泄壓面積的輕質(zhì)屋蓋和輕質(zhì)墻體單位質(zhì)量的變化作為泄壓面積的輕質(zhì)屋蓋和輕質(zhì)墻體的每平方米重量,新規(guī)范從舊規(guī)范的不宜超過120kg減少為60kg,這應(yīng)該不難辦到,本文不做深入討論。2.2火炬氣的擴(kuò)散及除蒸(1)一旦氫氣泄露,能很快從建筑物中排出,使氫站室內(nèi)不能達(dá)到爆炸的氣體濃度。(2)排除點(diǎn)燃?xì)錃獾目赡苄浴?3)一旦爆炸,在建筑物內(nèi)能盡量減輕人員傷亡及設(shè)備損壞;(4)盡量不造成建筑物外人員傷亡及設(shè)備損壞。3設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)范與制氫站防爆和泄壓設(shè)計(jì)有關(guān)的國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范有《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016—2006和《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50177—2005。3.1開敞提風(fēng)器的改造(1)液氨分解凈化間屋頂設(shè)自動(dòng)開啟通風(fēng)器。根據(jù)《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50177—2005第7.0.11條“制氫間、氫氣壓縮機(jī)間、氫氣純化間、氫氣灌瓶間等的廠房跨度大于9.0m時(shí),宜設(shè)天窗”,如圖1。為了不留死角,屋脊處通常設(shè)自然通風(fēng)器,在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)設(shè)電動(dòng)可啟閉自然通風(fēng)器,當(dāng)檢測(cè)到氫氣濃度大于1%時(shí)自動(dòng)開啟。其它地區(qū)可設(shè)開敞通風(fēng)器,氫氣的擴(kuò)散速度較快,尤其是向上擴(kuò)散,所以在液氨分解凈化間屋面不再設(shè)置強(qiáng)制排風(fēng)機(jī),以免影響泄壓面積。自然通風(fēng)器的喉口寬度,由暖通專業(yè)計(jì)算確定。(2)液氨氣化間屋頂最高處每一開間設(shè)置強(qiáng)制排風(fēng)機(jī),如圖1所示。(3)屋面板與檁條之間留空隙。如果屋蓋系統(tǒng)為有檁結(jié)構(gòu),屋面板與檁條之間留出空隙,以防止氫氣滯留,利于氫氣從通風(fēng)器排到室外。(4)氫爆炸危險(xiǎn)性車間與氨爆炸危險(xiǎn)性車間應(yīng)徹底隔離。液氨分解凈化間是氫爆炸危險(xiǎn)性車間,液氨氣化間是氨爆炸危險(xiǎn)性車間,如圖1所示,液氨分解凈化間和液氨氣化間之間隔墻應(yīng)突出屋面,使兩個(gè)車間徹底隔離。輕質(zhì)屋面不宜連通,因液氨分解凈化間一旦發(fā)生爆炸,沖開屋面板時(shí),會(huì)出現(xiàn)把液氨氣化間屋面部分揭起,如圖2所示,空氣超壓沖擊波毫無阻礙地沖擊氨氣化間設(shè)備,有引起連環(huán)爆炸的危險(xiǎn)性。3.2行業(yè)防火花要求氫氣雖然很輕,但氫氣泄露后,擴(kuò)散速度很快,如果在封閉空間內(nèi),會(huì)迅速充滿整個(gè)空間。所以車間地面、墻面、柱面均須有防火花措施。(1)地面。防火花地面,目前玻璃行業(yè)為混凝土或用石灰石做骨料的防火花地面,如果采用樹脂類防火花地面,需要采取防靜電措施。(2)踢腳。采用防火花材料。(3)墻面。(1)砌體或混凝土墻體:有防火花要求時(shí),不得采用含有石英砂的材料抹面;(2)壓型鋼板墻面:因壓型鋼板有變形卸載能力,故有漆面的壓型鋼板,可認(rèn)為是防火花材料。(4)柱面。(1)混凝土柱面:有防火花要求時(shí),不得采用含有石英砂的材料抹面。(2)鋼柱面:采用紙面石膏板使其達(dá)到耐火極限及防火花要求。(5)液氨氣化間僅需地面和踢腳采用防火花構(gòu)造。4抗爆墻的設(shè)置在有爆炸危險(xiǎn)性廠房設(shè)計(jì)中,有爆炸危險(xiǎn)性和無爆炸危險(xiǎn)性車間及有爆炸危險(xiǎn)性車間之間,設(shè)抗爆墻,使爆炸事故損失限定在一定的范圍內(nèi)。如圖1所示,液氨分解凈化間與液氨氣化間之間,以及它們與輔助用房之間,化驗(yàn)室和儀表室之間設(shè)抗爆墻,并要有和防火墻相同的防火性能?？贡瑝ι系拈T如果不是爆炸危險(xiǎn)性車間的疏散門,則設(shè)抗爆門,抗爆門開向爆炸危險(xiǎn)性車間。非爆炸危險(xiǎn)性車間(房間)的抗爆門外開。液氨分解凈化間通向輔助用房的門,雖然設(shè)于抗爆墻上,但由于是疏散門,不能設(shè)抗爆門,因此輔助用房走廊墻暴露在沖擊波超壓沖擊之下,因此走廊墻宜設(shè)抗爆墻。5泄壓口的設(shè)置泄壓是為防止建筑物因內(nèi)部爆炸而減輕破壞所廣泛采用的方法。其基本理念為在爆炸初始或擴(kuò)展階段,將包括建筑物內(nèi)高溫高壓氣體通過泄壓口(泄壓口廠房泄壓功能區(qū)域)向安全方向泄出,使建筑物內(nèi)壓力無法上升到使建筑物主體結(jié)構(gòu)破壞程度,從而減輕人員傷亡及設(shè)備損壞。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是合理設(shè)置泄壓口面積和泄壓口高效的泄壓構(gòu)造。如上所述,按規(guī)范要求,液氨分解凈化間的泄壓面積計(jì)算值為431m2,而屋面只有324m2,除屋面作為泄壓口外,還要加上外窗和部分外墻。本節(jié)就泄壓口構(gòu)造提出一些看法。(1)屋頂抗風(fēng)揭性泄壓口既是泄壓功能區(qū)域,又是廠房的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。既要在需要的時(shí)候泄壓,又不能讓大風(fēng)把泄壓口構(gòu)造吹跑。兩者必須兼顧,才能既保證大風(fēng)天正常生產(chǎn),又能在發(fā)生爆炸事故及時(shí)泄壓,保障人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。泄壓開啟壓力為泄壓口設(shè)定壓力(物理術(shù)語應(yīng)該叫壓強(qiáng)),達(dá)到該壓力,泄壓口開始泄壓動(dòng)作。屋面的抗風(fēng)揭性為屋面抵抗風(fēng)引起的負(fù)壓揭起屋面板的能力。美國(guó)制造商共同體標(biāo)準(zhǔn)FM4470—2010抗風(fēng)揭測(cè)試值最低標(biāo)準(zhǔn)是2.9kPa(60psf),安全系數(shù)是2,可承受屋面風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值1.5kPa及以下。而行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102—2002并沒有抗風(fēng)揭最低標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。規(guī)范僅就泄壓口單位質(zhì)量做了規(guī)定,并沒有就泄壓開啟壓力做出規(guī)定,如果用屋面做泄壓口或泄壓口的一部分,60kg/m2的單位質(zhì)量,不能保證屋面的抗風(fēng)揭性,美國(guó)NFPA68—2007要求單位質(zhì)量更小(最大40kg/m2),更不能保證屋面的抗風(fēng)揭性,由此證明泄壓口單位質(zhì)量不等于泄壓口開啟壓力。根據(jù)我國(guó)金屬屋面屢屢被風(fēng)揭起的現(xiàn)實(shí),筆者認(rèn)為泄壓開啟壓力不宜小于3kPa。美國(guó)NFPA68—2007第7.2條和《粉塵爆炸泄壓指南》GB15605—2008的第5.3條,均將建筑物最大泄爆壓力設(shè)定為10kPa,參考《粉塵爆炸泄壓指南》GB15605—2008的第5.3.1條公式對(duì)開啟壓力的規(guī)定,開啟壓力小于5kPa就符合要求。據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得知,人可以承受小于20kPa空氣沖擊波超壓不受傷。所以筆者認(rèn)為以上設(shè)定是安全的。在做制氫站廠房建筑的設(shè)計(jì)中,可根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102-2002計(jì)算屋面和墻面風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值,如果小于1.5kPa,則按測(cè)試值3kPa設(shè)計(jì),如果大于1.5kPa則按風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值2倍定測(cè)試值,但測(cè)試值大于5kPa就不能算作泄壓口面積。因此,泄壓口構(gòu)造開啟壓力應(yīng)在3~5kPa之間,以接近3kPa為佳。(2)壓板排水結(jié)構(gòu)泄壓口構(gòu)造最好既能泄壓,還沒有物質(zhì)飛出。不會(huì)造成二次傷害。(1)條不利用保溫層減壓板發(fā)減壓型鋼板作為泄壓口是很好的建筑材料,對(duì)于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū),泄壓構(gòu)造部分不會(huì)超過30kg/m2,如圖3把一層壓型鋼板設(shè)于檁條下方是不合適的做法。缺點(diǎn)是要完成泄壓,檁條也會(huì)飛出,造成二次傷害,或不能達(dá)到泄壓效果。設(shè)保溫層時(shí),如圖4兩層鋼板均置于檁條上方(下板最好用波高大于30的壓型鋼板,以利氫氣向上方擴(kuò)散),屋脊一定要用螺釘釘牢,其它處卡式固定,能抗風(fēng)壓,并能在達(dá)到泄壓壓力時(shí)壓型鋼板能脫離卡扣(如果用螺釘固定,須經(jīng)過認(rèn)證),泄壓時(shí)不讓壓型鋼板飛出。效果如圖5所示。玻璃絲棉(或巖棉)保溫層不能有塑料薄膜加強(qiáng)層,塑料薄膜加強(qiáng)層會(huì)使壓型鋼板不好分離,影響泄壓效果。(2)d壓釘固定如圖5所示,有檁墻面作為泄壓口和屋面要求類似。最上方用螺釘釘牢,其它處卡式固定,做到有效泄壓且沒有物質(zhì)飛出。無檁墻面,一個(gè)方向螺釘固定,一個(gè)方向卡式固定,有效泄壓且沒有物質(zhì)飛出。(3)側(cè)窗框料設(shè)計(jì)規(guī)范3.4.6條規(guī)定外窗不應(yīng)采用普通玻璃,就意味著不能靠玻璃破碎作為泄壓措施,要改為開啟扇泄壓。側(cè)窗框料采用不會(huì)產(chǎn)生火花材料,全部為開啟扇,上懸或中懸,窗高小于1500mm用上懸,窗高大于1500mm用中懸,轉(zhuǎn)軸設(shè)于上部1/3處,采用彈簧銷,壓力差開啟,開啟壓力為風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值(小于5kPa)。側(cè)窗玻璃采用鋼化夾層玻璃,以防泄壓時(shí)尖銳玻璃飛出。5生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)(1)屋面坡度不宜小于10%。(2)屋面檁條開口朝向屋脊。(3)泄壓口統(tǒng)計(jì)面積時(shí),通風(fēng)器可開啟部分,可算作泄壓面積;柱、內(nèi)天溝和鋼梁不能算作泄壓面積。(4)有氫氣爆炸危險(xiǎn)性的化驗(yàn)室不能用瓷釉面磚做地面和墻面。(5)與有氫氣爆炸危險(xiǎn)性車間連通的走廊建議采用防火花地面。(6)如果涉氨車間氨濃度控制在防毒安全生產(chǎn)范圍內(nèi),就遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到燃爆下限。涉氨車間由于氨的氣味有預(yù)警性能,所以在生產(chǎn)中氨泄露爆炸危險(xiǎn)性很小。如果因氫爆炸引起氨大面積泄露,就有引起二次爆炸的危險(xiǎn)性,所以2個(gè)車間隔墻設(shè)為抗爆墻,抗爆墻上設(shè)抗爆門,開向氫爆炸危險(xiǎn)性車間,出現(xiàn)爆炸事故時(shí),爆炸空氣沖擊波使其關(guān)閉,以保護(hù)涉氨車間設(shè)備不受破壞。6壓型鋼板泄壓與抗爆墻(1)本文結(jié)合美國(guó)NFPA68—2007、美國(guó)制造商共同體標(biāo)準(zhǔn)FM4470—2010、《粉塵爆炸泄壓指南》GB15605—2008,既照顧到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)壓能力,又保障爆炸泄壓安全。確定有氫危險(xiǎn)性爆炸車間泄壓口開啟壓力為3~5kPa。實(shí)際上1.5kPa的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值(3kPa開啟壓力)已經(jīng)滿足我國(guó)大部分地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)壓要求(風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值由結(jié)構(gòu)專業(yè)或輕鋼供應(yīng)商提供)。(2)壓型鋼板泄壓構(gòu)造是壓型鋼板一端固