防火抗爆墙在控制室及机柜间 面向爆炸隐患的应用

有鉴于国内爆炸事件频传，造成人员伤亡及企业设备重大损失，国家安监总局（当时尚未更名为国家应急管理部）于2017年发布了《化工和危险化学品生产经营单位重大生产判定标准(试行)》。其中第十三条规定控制室或机柜间面向具有火灾，爆炸危险性装置一侧不满足国家标准关于防火防爆的要求。

本文就此规定来研究现行的国家标准关于防火防爆要求并参考国内外的规范中在控制室及机柜间或其他类似建筑物当面向爆炸隐患时，设置几种可行的防火抗爆墙，以有效降低爆炸隐患带来人员伤亡及设备的重大损失。

在化工行业中，如何降低爆炸的隐患一直是国内专注的话题。首先国家应急管理部规定第十三条主要的目的在要求生产企业在控制室及机柜间等重要设施能起到防火防爆的要求，在火灾爆炸事故中，能有效保护控制室作业人员的生命，并对控制室及机柜间的控制系统保持正常运作的功能。

其中所涉及到国家现行的标准规范主要包括《石油化工企业设计防火标准》（GB50160-2008）和《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）。

针对具有火灾爆炸危险性的化工和危险化学品企业控制室及机柜间应满足以下要求：

（1）其面向具有火灾，爆炸危险性装置一侧的安全防护距离应符合《石油化工企业设计防火标准》（GB50160-2008）表4.2.12等标准规范条款提出的防火间距要求【注2】，且控制室，机柜间的建筑，结构满足《石油化工控制室设计规范》（SH/T3006-2012）第4.4.1条等提出的抗爆强度要求；

（2）面向具有火灾，爆炸危险性装置一侧的外墙应为无门窗洞口耐火极限不低于3小时的不燃烧材料实体墙。

根据对上述规范的解读，在执行上如何确认抗爆强度？现行的建筑规范除了《石油化工企业设计防火标准》及《建筑设计防火规范》外，还有哪些灰色地带需要国外及国内规范进一步完善防火防爆设计？针对爆炸冲击波是如何规定及取值？如何进行爆炸分析？需要哪些信息来确认爆炸冲击波的数据？爆炸冲击波作用在不同防火间距的建筑物本身的受力情况如何？如何选择满足现场条件情况的防火抗爆墙的解决方案？

本文将一一将散落在各处的国内外规范整理并提供相应的分析计算及可行性的解决方案论述，供政府部门，设计院，专家库和相关企业参考并望指正。

在引用国内外规范及量化数据前，我们先从爆燃还是爆炸的差异说起。从NFPA 68爆炸泄压指南的 3.3.4 和 3.3.6对爆燃（Deflagration)及爆炸（Detonation)的定义。爆燃（Deflagrations)是可燃的区域爆炸速度小于声速的传播；爆炸（Detonation)是可燃的区域爆炸速度大于声速的传播。

首先在针对爆炸的速度上，NFPA 68已经将爆炸的特性进行了划分。目前针对化工行业危险品的爆炸都是属于爆燃（Deflagrations)的范围。

对于爆炸（Detonation)的范围多数为军工企业的炸药爆竹雷管，其爆炸速度是超越声速，因此不在本文探讨的范围内。

为了文章描述的方便性，本文仍统称爆炸（Explosion)来描述，以方便读者在理解上的方便。但爆炸传播速度上及范围有其不同的定义。

国内的化工爆炸的传播速度基本上都是属于NFPA 68爆炸泄压指南中小于声速的爆燃范围，其中种类包括蒸气云爆炸（VCE），压力容器爆（Pressure Vessel），凝聚相爆炸（液态或固态）及粉尘爆炸（Dust)，但NFPA 68的爆炸泄压指南只是针对室内的爆炸进行分析计算及提供防护做法。相对于《石油化工工厂布置设计规范》（GB50984-2014）中，对于爆炸危险源的定义仅局限在蒸汽云爆炸的设备。关于粉尘爆炸及压力容器的国标规范则是参考《粉尘爆炸安全规程》（GB15577-2018）以及《粉尘爆炸泄压指南》（GB/T15605-2008）（类似于NFPA 68爆炸泄压指南），主要是针对存在粉尘爆炸危险场所及设备的泄压及爆炸的解决措施。

还有其他针对除尘器（GB/T17919-2008），斗提机及喷涂设备在木材加工，饲料加工（GB19081-2008），粉末静电工艺（GB15607-2008）等行业的防爆规范，本文不一一列举。然而这些国标规范只针对面对来自建筑物内的爆炸危险源。

对于面对外来的爆炸的建筑物如何进行爆炸量化分析，国外比较常用的规范是石化厂房防爆设计（Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities ），而此内容也大量被借鉴于《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB50779-2012）之中。例如，如何确认爆炸冲击波的参数规定。

根据《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB50779-2012）5.2.1的规定，“控制室抗爆设计采用的峰值入射超压及相应的正压作用时间，应根据石油化工装置性质以及平面布置等因素进行安全分析综合评估确定；当未进行评估时，也可按下列规定确定，并应在设计文件中说明：1 冲击波峰值入射超压最大值可取21kPa，正压作用时间可为100ms;也可冲击波峰值入射超压最大值取69kPa,正压作用时间取20ms。”【注6】如果我们参考国外规范石化厂房防爆设计（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of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities, P.21-22 “Commonly used criteria includes SG-22 (withdrawn), and CIA 9being revised).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.” 不难发现其引用的来源于此。

但问题是目前国内安全评估机构没有能力也没有相应的国标及第三方合法认可软件来进行安全分析综合评估。如果只用《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB50779-2012）的指定参数来进行设计，我们发现其国外的数据是建筑物在距离蒸气云爆炸30米（备注：国标规范并没有提到与爆炸的防火距离的条件）的情况来进行爆炸冲击波的取值，如果将来真的发生爆炸，如何保证控制室的人身安全及设备的正常运营？可惜的是当GB50779-2012的规范进行重新修订发出的征求意见稿时，我们发现规范征求意见稿还是没有交代如何进行爆炸安全性评估。可参考《石油化工建筑物抗爆设计标准（征求意见稿）》（GB/T50779-201X）3.0.1抗爆建筑物的抗爆要求，爆炸冲击波超压应通过爆炸安全性评估确定。【注7】所以国内规范参编单位在了解并引用国外类似规范下，如何解决爆炸安全性评估？这也成为后续在量化爆炸冲击波时无法明确的难解之谜。

在分析爆炸危险源之前，首先必须确认筑物距离爆炸危险源的防火间距是否满足要求，不论是新建或者改建项目防火间距是在设计时必须考虑的重要因素。

防火间距的要求可以从《石油化工企业设计防火标准》（GB50160-2008）表5.2.1设备、建筑物平面布置的防火间距中确认控制室或机柜间在可燃气体或者液体的设备根据不同的容积下，应至少满足15米的防火间距要求。【注8】从《石油化工工厂布置设计规范》（GB50984-2014）的条文解释中续表5【注9】已经将爆炸危险源的设备举例列举出来。可以针对表内提到的设备判定为爆炸危险源来进行后续的爆炸分析。

就先前提到国标规范的理解及要求后，针对爆炸分析计算的步骤主要分成三个部分。第一个部分是爆炸冲击波的量化取值。第二部分是爆炸冲击波作用在建筑物本身的量化取值。第三个部分是防火抗爆墙的量化取值。

3.1爆炸冲击波的量化取值

首先针对爆炸冲击波的量化取值，如先前所述，在国内项目上由于缺少安全评估的相关规定及具有能力量化的评估机构来提供爆炸冲击波的具体数据，往往退而求其次选择采用《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB50779-2012）的21kPa,100ms来作为设计数据。

 图1. 爆炸冲击波曲线图

如果我们参考石化厂房防爆设计（Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities的介绍，目前主要有三种方法。第一种是TNT当量法；第二种是Baker的Strehlow曲线法；第三种是TNO多能法。

第一种方法针对蒸气云提供了不正确的结果，其他两个方法中的曲线提供了火焰的速度或者爆炸的威力。这些曲线用来选择实际超压的数据。

另外针对国外常见的爆炸模拟软件有DNV的EXIM，ANSYS的LS-DYNA，Gexcon的FLACS等对于爆炸模拟分析软件的可靠性，目前国家没有标准来进行确认。

另外爆炸模拟分析软件在分析时必须提供的信息，往往客户无法提供相关的信息例如泄爆的位置，爆炸的反应机制，环境气体等数据，以至于爆炸模拟分析软件无法进行精确计算。究竟与实际发生的情况是否有落差，目前不得而知。

因此，如果当石油化工建筑物抗爆设计标准征求意见稿通过审核并实施，取消原石油化工控制室抗爆设计标准中的爆炸荷载值，明确了爆炸冲击波超压应由评估确定。在目前安全评估机构的技术能力上，将很难实施。这个灰色地带还需进行填补，方能提供合理的爆炸冲击波的量化，以及后续针对既有建筑物或者新建建筑物受力值的参考。

3.2爆炸冲击波作用在建筑物本身的量化取值

建筑物受力于爆炸冲击波量化分析基本上按照《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB50779-2012）第5.3节爆炸的冲击波参数中提供的计算公式进行计算分析。

当爆炸危险性装置或物质发生爆炸时产生爆炸冲击波将分别作用在面向危险源建筑物的前墙、侧墙屋面、后墙，产生的爆炸冲击波超压也会有所不同。

前墙（迎爆面）第一时间接受爆炸冲击波持续时间最长且产生反射所以爆炸冲击波峰值超压最大。侧墙及屋面因为平行于爆炸冲击波前进方向且不产生反射所以承受的爆炸冲击波超压最小。由于爆炸冲击波在前进过程中会出现反作用力及爆炸冲击波过后会形成负压作用在后墙，所以后墙承受爆炸冲击波超压会大于侧墙屋面小于前墙。

爆炸冲击波作用在建筑物时所产生的冲击波超压形式，见下图：

图2.爆炸冲击波对建筑的受力情况图

3.3防火抗爆墙的量化取值

计算出前墙、侧墙屋面、后墙所承受的爆炸冲击波超压后，结合原建筑物整体结构进行爆炸荷载验算。

按应急管理部的第十三条要求的做法是在控制室或机柜间面向具有火灾、爆炸危险装置一侧为不燃3小时防火墙。如果不考虑应急管理部的规定，发生爆炸时，控制室或机柜间在非面向爆炸隐患的其他区域如侧墙，后墙及屋面都可能受到爆炸冲击波的影响。

所以针对改建项目我们一般只考虑外墙满足防火时效3小时并满足抗爆强度。如果原有建筑物整体结构无法满足爆炸冲击波，则由专业厂家提供防火抗爆墙来满足应急管理部的最低要求。

如果按石油化工建筑物抗爆设计标准（GB/T50779征求意见稿）的规定，当受力情况小于6.9kPa时，建筑物的屋面、侧墙及后墙的结构只需按3.0.8的要求来设计，不需要进行结构加固。根据兵器五院试验，入射超压不大于6.9kPa时仅门窗（框、玻璃）破坏，而墙体屋面板均可承受6.9kPa入射超压作用，但还是有待编制单位进一步提出解释。

值得一提的是，就目前的国标《石油化工控制室抗爆设计规范》（GB 50779-2012）未对钢结构构件的允许变形表进行规定。因此在遇到钢结构建筑物是否能满足爆炸冲击波的要求，没有国标可以进行判定。

所幸的是此次《石油化工建筑物抗爆设计标准》（GB/T50779-201X）表6.1.5（见下表）【注11】钢结构构件的允许变形表已经选择了石化厂房防爆设计（Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities ）Table5.B.1.B（见下表） 及Table 5.B.2（见下表）: 关于Medium Response Limits for Steel Components的钢结构构件允许变形表【注12】，来补足原有GB50779-2012规范的不足。空气冲击波超压作用于钢结构时，由于钢结构具有较大的延性，所以框架柱、框架梁支撑的延性比都可以比2~3更大一些，尤其是承受偶然性爆炸的钢结构更应如此。

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

针对新建的厂房，在设计时基本上都已经考虑好防火间距及建筑的防爆设计。但针对旧有厂房的控制室及机柜间，由于时间久远，许多信息都已遗漏，甚至储存的危险品数量及品名涉及到客户的商业机密，很难针对原有建筑物进行结构计算完整的分析。

另外防火间距不满足要求，需要整体拆迁所付出的成本可能是企业不愿承担的。另一方面，当原有外墙无法满足结构的要求时，一般可以在原有建筑结构上进行加固，或者采取独立式的防火抗爆墙来满足应急管理部的要求。

关于建筑物的结构加固可以参考《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）。其中加固的方法包括了增加截面加固，体外预应力加固，外包型钢加固，粘贴钢板加固，粘接纤维复合材加固，预应力碳纤维复合板加固等等。

在完成爆炸分析计算后，由专业厂家来提供解决的方案。一般有五种应用方式。在设计规格要求上，我们一般采用按目前的规范，防火抗爆墙需经过防火时效3小时CNAS认证检测及1000kPa的TNT爆炸测试。

4.1内嵌式防火抗爆墙

内嵌式的做法主要是紧贴原有外墙，在室内侧进行一道独立的防火抗爆墙。其防火抗爆墙连接原有建筑结构部件如结构柱及梁。这种做法的好处在安装上比较便利，不需要太多登高作业。

但是对于原有外墙的障碍物必须移位，例如电缆管件或者消火栓箱或者与原有吊顶的冲突部份。

另外针对采光及通风的部分也要另外考虑是否增加照明及将通风系统移位到非面向爆炸隐患处。

可参考下列概念设计节点做法。

图3.内嵌式防火抗爆墙概念设计图

4.2外挂式防火抗爆墙

与内嵌式做法雷同，也是紧贴原有外墙，在室外进行一道独立的防火抗爆墙。其防火抗爆墙连接原有建筑结构部件。但必须考虑建筑沉降问题。如有面向爆炸一侧需保留进出口时，可采用三小时防火抗爆门斗及甲级防火抗爆门的方式来解决。

不管是内嵌式或者是外挂式的防火抗爆墙，都是依附在原有建筑物的结构上。因此必须提供结构计算证明能满足爆炸冲击波受力在建筑物的计算，或者经过结构加固计算后，方能确认此方案可行。可参考下列概念设计节点做法。

图4.外挂式防火抗爆墙概念设计图

4.3独立式防火抗爆墙

独立式的防火抗爆墙和上述两种内嵌式及外挂式的差别当原有建筑物无法满足爆炸冲击波的受力情况时，采取的一个有效方案。

但此种做法除了需证明独立式的防火抗爆墙本身结构能满足钢结构构件允许变形量之外，关于基础设计的地基连接的抗弯矩及地基承载力计算后，防火抗爆墙基础不至于倾覆。

从经济上来说，此种方案较上述两种方案较昂贵，并且施工难度较高，周期较长。另外涉及到地下管道及排水问题，需在设计时考虑好，以避免发生地下管道挖断情况。

可参考下列概念设计节点做法。当爆炸冲击波入射超压较大时，可采用钢筋混凝土框架式防火抗爆墙。

图5.独立式防火抗爆墙概念设计图

4.4 喷涂式防火抗爆墙

喷涂式的防火抗爆墙在国外比较常见。主要是透过聚脲防爆涂料喷涂在原有件组墙体，透过拉伸强度及撕裂强度来抵挡爆炸冲击波。目前经我司（上海腾喜建筑工程有限公司）在CNAS认证的爆炸测试，可以满足1000kPa的爆炸冲击波。安装时采用喷涂方式进行喷涂于室内外墙表面。拥有防腐防爆的效果。对于原有建筑物结构柱及梁起到结构加固的效果。另外在建筑物非面向爆炸隐患的屋面上方或者侧墙及后墙，均可采用同样做法。

作为独立的防火抗爆墙也可以利用满足《建筑设计防火规范》GB50016-2014的防火时效的加气混凝土砌块墙喷涂防爆涂料，也能起到一定的抗爆及防火效果。在预算上较为经济，且安装周期短。可参考下列概念设计节点做法。

图6.喷涂式防火抗爆墙概念设计图

4.5 移动式防火抗爆屋

此种做法主要是当控制室及机柜间在防火间距无法满足国标要求下，一种可供选择的做法。

移动式防火抗爆屋的做法在国外也是比较常见的做法，一般可作为化学品储存间，人员避难所或者控制室机柜间使用。

具体做法可以参考14J938《抗爆、泄爆门窗及屋盖、墙体建筑构造》，墙体建筑构造F1的做法。【注14】另外移动式防火抗爆屋的节点做法也正在模块化钢结构房屋国标图集研编中，可参考下列概念设计节点做法。

图7.移动式防火抗爆屋概念设计图

针对本文提出的内容不难知道，如何合理设计出有效解决方案涉及到国际及国内标准规范及相应的结构计算存在相当大的难度。除了借鉴国外相关行业规则及经验外，对于企业本身新建及改建的项目也往往造成业主预算执行的难度。

面临政府部门的要求，企业如何选择合理的解决方案，除了满足政府部门的要求外，对于本身安全的管控如何进一步提升，选择专业的设计及承包单位来降低爆炸产生的风险，是每个化工危险品生产企业值得深思并研究的课题。

本文抛砖引玉将目前的国标和市场现况提供给相关行业专家了解，希望在未来国标制定的道路上尽快完善，以利化工企业及设计院参考，让国内爆炸事故的损害降到最低。