基于維度事故載荷的控制室抗爆強(qiáng)度設(shè)計(jì)

王海清，孫浩，張之秀

（1中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院安全科學(xué)與工程系，山東青島266580；2中國石化海南煉油化工有限公司商儲(chǔ)海南分公司HSE部，海南洋浦578101）

化工廠含有大量可燃物質(zhì)，設(shè)備排列緊密、管道復(fù)雜導(dǎo)致阻塞率增加，一旦發(fā)生爆炸事故，極易造成嚴(yán)重的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。為減小事故后果，有效地分析控制室的抗爆強(qiáng)度格外重要。

NORSOK Z-013[1]給出了爆炸定量風(fēng)險(xiǎn)分析的框架，但并未給出具體分析方法和案例。常見的爆炸評(píng)估方法和軟件，如荷蘭TNO實(shí)驗(yàn)室提出的多能法、TNT法、Baker-Strehlow法和PHAST軟件等[2-3]，其中運(yùn)用較多的是多能法，它綜合考慮了湍流加速和氣體活性等因素。然而它們屬于二維模型，很難考慮到化工廠區(qū)復(fù)雜的設(shè)備和管路系統(tǒng)對(duì)爆炸超壓的影響。近年來計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件迅速發(fā)展，如AutoREAGas、Fluent和Flacs等，由于CFD模型能很好地表示出真實(shí)的物理環(huán)境，其越來越成為爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析的主流[4-5]。Hansen等[6]利用Flacs軟件評(píng)估設(shè)備、管道、抗爆墻和關(guān)鍵建筑物的爆炸超壓，并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際受力，為設(shè)備的設(shè)計(jì)強(qiáng)度提供指導(dǎo)。Paik等[7]利用Flacs評(píng)估海上設(shè)施碳?xì)浠衔锇l(fā)生泄漏后所造成的火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，為安全屏障的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。然而研究多是從事故后果出發(fā)，選擇最差工況或幾種場景研究設(shè)備或建筑物受事故的影響，未充分考慮到事故發(fā)生概率對(duì)建筑物風(fēng)險(xiǎn)的影響。

爆炸超壓受氣云體積、氣云位置、點(diǎn)火位置等因素的影響，而氣云體積和位置又受氣象條件、泄漏位置、泄漏速率的影響，這些因素排列組合導(dǎo)致爆炸事故場景數(shù)量巨大。CFD模型雖然能很好地表示真實(shí)的物理環(huán)境，但由于計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間的限制，使得研究工作局限于最差工況的模擬或選取部分場景進(jìn)行分析。以最差工況的分析結(jié)果，即設(shè)計(jì)事故載荷（design accident load）作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的參考值，不僅增加了場景選擇的不確定性，也可能造成過度設(shè)計(jì)。NORSOK Z-013中提出維度事故載荷（dimensioning accident load，DAL）的概念，即為了滿足定義的風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)，功能或系統(tǒng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠承受最嚴(yán)重的意外載荷。工廠或企業(yè)可以根據(jù)自身制訂的可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)確定DAL值。針對(duì)過度設(shè)計(jì)問題提出了一種基于維度事故載荷的確定控制室抗爆強(qiáng)度的方法，克服了設(shè)計(jì)事故載荷的缺點(diǎn)，解決了場景選取的不確定性和抗爆強(qiáng)度過度設(shè)計(jì)的問題，從事故發(fā)生概率和后果兩個(gè)角度綜合量化控制室抗爆載荷，為關(guān)鍵區(qū)域的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和安全屏障的設(shè)立奠定基礎(chǔ)。

1 方法

為了選取有代表性的場景，從事故發(fā)生概率和后果兩個(gè)角度考慮控制室抗爆設(shè)計(jì)，結(jié)合NORSOK Z-013標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)概念，本文提出了一種基于DAL的確定控制室抗爆強(qiáng)度的方法。該方法主要包括4個(gè)部分，即場景構(gòu)建、場景篩選、計(jì)算控制室DAL和計(jì)算控制室爆炸載荷。第一步的任務(wù)是構(gòu)建事故場景集，并計(jì)算各場景的發(fā)生概率；第二步的任務(wù)是根據(jù)NORSOK Z-013和ALARP準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，選取可信場景；第三步是對(duì)可信場景進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)場景的爆炸超壓值和發(fā)生頻率繪制超壓-頻率超越曲線，結(jié)合ALARP準(zhǔn)則確定控制室的DAL；第四步是以DAL為輸入，計(jì)算控制室的爆炸載荷。具體分析如圖1所示。

圖1 控制室抗爆強(qiáng)度分析流程

1.1 場景構(gòu)建與篩選

1.1.1 泄漏場景構(gòu)建

（1）風(fēng)場集構(gòu)建 風(fēng)場主要受風(fēng)速和風(fēng)向的影響。風(fēng)速影響氣云的擴(kuò)散速度和濃度；風(fēng)向決定氣云擴(kuò)散的方向，風(fēng)向的變化會(huì)導(dǎo)致氣云的位置發(fā)生改變?？赏ㄟ^風(fēng)向與風(fēng)速的聯(lián)合分布概率構(gòu)建可燃?xì)怏w泄漏的風(fēng)場集[8]。

（2）泄漏源集構(gòu)建 危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏是石化裝置發(fā)生火災(zāi)、爆炸和中毒事故的根源，事故的發(fā)生概率取決于工藝設(shè)備的泄漏概率，即泄漏源的泄漏概率。目前國內(nèi)外常用的泄漏孔徑分類如表1所示。

表1 泄漏源孔徑分類

基礎(chǔ)泄漏數(shù)據(jù)主要來源于對(duì)各種工藝設(shè)備的統(tǒng)計(jì)，通常采用荷蘭COVO[9-10]和挪威船級(jí)社（DNV）[11]公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由多年的研究和現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)得來，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)所公布的不同孔徑泄漏概率數(shù)據(jù)，區(qū)間內(nèi)任意孔徑的泄漏概率以插值公式求出，如式(1)所示。

式中，a為所選區(qū)間內(nèi)任意孔徑，mm；b為區(qū)間內(nèi)最大孔徑，mm；s為區(qū)間內(nèi)最小孔徑，mm；Fa為任意孔徑a的泄漏概率；Fb為孔徑b的泄漏概率；Fs為孔徑s的泄漏概。Fb和Fs從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中獲取。

（3）泄漏位置與方向 為了得到一個(gè)具有代表性的分布，每個(gè)區(qū)域應(yīng)該至少有3個(gè)泄漏點(diǎn)，每個(gè)泄漏點(diǎn)具有4～6個(gè)泄漏方向。為了兼顧場景代表性和數(shù)量的關(guān)系，可以使用基于物理、幾何、通風(fēng)方向和對(duì)稱性的思想簡化泄漏位置與方向的分布。泄漏方向應(yīng)至少具有與風(fēng)向相同、與風(fēng)向相反兩種情況[1]。具體泄漏位置和方向的選取需根據(jù)廠區(qū)內(nèi)各區(qū)域的具體布置進(jìn)行確定。

（4）泄漏場景篩選 綜合風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合概率分布與泄漏源泄漏概率，可以得出每個(gè)泄漏場景的發(fā)生概率。由于泄漏場景的排列組合數(shù)量巨大，工程中為兼顧計(jì)算經(jīng)濟(jì)性需要對(duì)泄漏場景進(jìn)行篩選。安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)AQ/T 3046—2013《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》指出，當(dāng)泄漏源泄漏概率小于10-8/a或事故場景造成的死亡概率小于1%時(shí)，在定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中可不考慮這種場景；NORSOK Z-013規(guī)定每年累積概率為10-4的超壓值為不可接受的界限。若泄漏和爆炸場景的發(fā)生頻率很小，這些場景的發(fā)生頻率對(duì)總場景的累積頻率的影響很小。綜合NORSOK Z-013和文獻(xiàn)[12]，最終取10-6作為場景篩選的臨界值，具體流程如圖1所示。

1.1.2 爆炸場景構(gòu)建

（1）延遲點(diǎn)火概率 危險(xiǎn)物質(zhì)泄漏后遇點(diǎn)火源會(huì)發(fā)生火災(zāi)和爆炸等事故，點(diǎn)火概率的研究是定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵要素之一。本文主要研究作用在控制室的爆炸載荷，故分析延遲點(diǎn)火概率?！妒b置定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》給出了延遲點(diǎn)火概率與泄漏速率之間的關(guān)系，如式(2)所示。

式中，Pi為延遲點(diǎn)火概率；e為自然常數(shù)，取2.718；m為質(zhì)量流量，kg/s，如式(3)所示[13]；C為泄漏系數(shù)；A為泄漏孔面積，m2；ρ為物質(zhì)密度，kg/m3；p為設(shè)備內(nèi)工作壓力，Pa；pa為大氣壓，Pa。

（2）氣云的位置和體積分布 爆炸超壓值受可燃?xì)庠莆恢煤腕w積的影響。不同體積的氣云所產(chǎn)生的爆炸超壓大小不同；氣云位置的變化會(huì)引起空間壓力分布發(fā)生較大改變。根據(jù)所構(gòu)建的泄漏場景集，經(jīng)篩選后的場景利用CFD軟件進(jìn)行模擬，得到每一個(gè)場景的可燃?xì)庠莆恢煤腕w積的分布。

（3）爆炸場景篩選 根據(jù)泄漏場景的發(fā)生概率和延遲點(diǎn)火概率計(jì)算每一個(gè)爆炸場景的發(fā)生概率，取10-6/a作為爆炸場景篩選的臨界值，進(jìn)行總事故場景的第二次篩選，經(jīng)篩選后的場景即為可信事故場景。具體流程如圖1所示。

1.2 計(jì)算控制室DAL

對(duì)可信場景利用FLACS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，選取控制室為分析對(duì)象，計(jì)算控制室在每一個(gè)場景中所受的超壓值。根據(jù)場景發(fā)生頻率和后果，繪制控制室超壓頻率超越曲線。根據(jù)可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，確定控制室的DAL，具體如圖2所示。

圖2 DAL分析流程

1.3 控制室爆炸載荷

選取《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算方法，以控制室DAL為峰值入射超壓，把控制室等效為矩形，作用在控制室前墻、側(cè)墻及屋面和后墻的爆炸載荷計(jì)算如式(4)～式(15)所示。

（1）前墻爆炸載荷

①峰值反射壓力

式中，pr為峰值反射壓力，kPa；pso為峰值入射超壓，kPa，應(yīng)根據(jù)爆炸安全性評(píng)估確定，本文以控制室的DAL為峰值入射超壓。

②停滯壓力

式中，ps為停滯壓力，kPa；Cd為阻力系數(shù)，取決于障礙物表面的形狀及朝向，對(duì)于控制室，前墻取1.0，側(cè)墻、屋面和后墻取-0.4；qo為峰值動(dòng)壓，kPa，由式(6)計(jì)算得到。

式中，pa為大氣壓力，取101.325kPa。

③前墻正壓等效作用時(shí)間

式中，td為爆炸安全性評(píng)估確定的爆炸沖擊波正壓作用時(shí)間，s；tc為反射壓持續(xù)時(shí)間，s，通常情況下tc＜td，當(dāng)計(jì)算的tc＞td時(shí)，取tc=td；S為停滯壓力點(diǎn)到建筑物邊緣的距離，m，取建筑物高度H或硬包面框度的一半；U為波速，m/s，由式(10)計(jì)算得到；te為前墻正壓有效作用時(shí)間，s；lw為正壓沖量。

（2）側(cè)墻及屋面爆炸載荷

作用在側(cè)墻及屋面的爆炸載荷和作用時(shí)間如式(11)、式(12)所示。

式中，pa為作用在側(cè)墻和屋面上的有效沖擊波超壓，kPa；Ce為等效峰值壓力系數(shù)；tr為側(cè)墻及屋面有效沖擊波超壓升壓時(shí)間，s；L1為沖擊波結(jié)構(gòu)構(gòu)件的長度，m。計(jì)算側(cè)墻時(shí)L1取1；計(jì)算屋面時(shí)，當(dāng)沖擊波方向與屋面板跨度平行時(shí)取屋面板跨度，垂直時(shí)取1；計(jì)算后墻時(shí)，取建筑物高度。

（3）后墻爆炸載荷

式中，pb表示作用在后墻上的有效超壓，kPa；ta表示沖擊波到達(dá)后墻的時(shí)間，s；D表示平行于沖擊波方向的建筑物尺寸，m；trb表示后墻上有效沖擊波超壓升壓時(shí)間，s。

2 案例

以某廠區(qū)丙烯單元為例，該單元占地面積約為9000m2，主要分為丙烯工藝區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)和控制室3個(gè)區(qū)域?？刂剖遗c工藝區(qū)之間距離為27m。該工藝單元丙烯密度為516kg/m3，操作壓力為0.6MPa，溫度為20℃。根據(jù)廠區(qū)具體布置，利用FLACS前處理工具CASD進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，整個(gè)計(jì)算區(qū)域大小為170m×130m×40m，泄漏場景中總網(wǎng)格數(shù)量為884986個(gè)，所采用的網(wǎng)格為FLACS通用網(wǎng)格大?。?m×1m×1m），并在泄漏孔附近進(jìn)行了網(wǎng)格加密。由于爆炸仿真需要準(zhǔn)確地捕捉超壓值的分布情況，所以爆炸場景中所采用的大小為0.7m×0.7m×0.7m，網(wǎng)格數(shù)量為1726562，具體如圖3所示。

圖3 廠區(qū)模型圖

2.1 可信事故場景篩選

NORSOK Z-013中建議應(yīng)至少考慮8種風(fēng)向、兩種風(fēng)速。為綜合考慮風(fēng)速、風(fēng)向?qū)怏w擴(kuò)散的影響，選取了8種風(fēng)向和7種風(fēng)速組成的風(fēng)場。根據(jù)該地區(qū)的氣象觀測數(shù)據(jù)可得出風(fēng)速風(fēng)向聯(lián)合分布概率，如表2所示，表中數(shù)值表示相應(yīng)風(fēng)速風(fēng)向的出現(xiàn)概率。

表2 風(fēng)速、風(fēng)向聯(lián)合分布概率

泄漏孔徑理論上有無限種可能，根據(jù)NORSOK Z-013中的建議，由于小孔泄漏對(duì)廠區(qū)的影響較小，根據(jù)表1中泄漏孔徑的分類，選取3種泄漏孔徑（50mm、100mm和200mm）進(jìn)行泄漏場景的模擬，根據(jù)式(1)計(jì)算各孔徑的泄漏概率，如表3所示。

表3 泄漏孔徑及泄漏概率

由于罐體底部管道系統(tǒng)復(fù)雜、縱橫交錯(cuò)，導(dǎo)致阻塞率增加，一旦發(fā)生泄漏會(huì)造成嚴(yán)重的后果。選取罐體底部管道為泄漏源，根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)對(duì)泄漏場景集進(jìn)行篩選，以發(fā)生頻率10-6/a作為泄漏場景篩選的臨界值，總場景數(shù)為168個(gè)，經(jīng)篩選后泄漏事故可信場景數(shù)量為77個(gè)。以發(fā)生頻率10-6/a為爆炸場景的選取標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)總事故場景進(jìn)行第二次篩選，經(jīng)篩選后可信爆炸場景個(gè)數(shù)為37個(gè)，對(duì)這些可信場景進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2 泄漏模擬

泄漏模擬的流程如圖4所示，物理模型是CFD計(jì)算的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確地表示出廠區(qū)內(nèi)各設(shè)備和管道的布置可以使計(jì)算結(jié)果接近真實(shí)值。隔離段的特性和泄漏孔徑?jīng)Q定了泄漏的質(zhì)量流量和持續(xù)時(shí)間；廠區(qū)內(nèi)的氣象條件（如風(fēng)速、風(fēng)向）會(huì)影響氣云的位置和體積。在正確表示真實(shí)物理參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行泄漏模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果（如氣云圖、FUEL文件）確定每一個(gè)場景的氣云位置和體積。利用FLACS軟件對(duì)37個(gè)可信場景進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖4 泄漏場景分析流程

FLACS中Q9被用于表示等效化學(xué)計(jì)量云體積，將非均質(zhì)氣體云縮放為較小的化學(xué)計(jì)量氣云從而產(chǎn)生與原始?xì)庠葡嘟谋ㄝd荷。圖5為各泄漏孔徑下37個(gè)泄漏場景所產(chǎn)生可燃?xì)庠企w積的平均值和最大值。氣云平均體積分別為538m3、4250m3和11785m3，可以看出，隨著泄漏孔徑的增加，泄漏形成的可燃?xì)庠企w積在增加。在泄漏量相同的情況下，泄漏孔徑為100mm時(shí)所產(chǎn)生的可燃?xì)庠破骄w積是50mm泄漏孔徑的7.9倍；泄漏孔徑為200mm時(shí)所產(chǎn)生的可燃?xì)庠破骄w積是50mm泄漏孔徑的21.9倍，是泄漏孔徑為100mm時(shí)所產(chǎn)生的可燃?xì)庠破骄w積的2.8倍?？梢钥闯?，在泄漏量相同的情況下，泄漏孔徑越大形成的可燃?xì)庠企w積越大，這是因?yàn)楫?dāng)泄漏孔徑相對(duì)較大時(shí)，泄漏所產(chǎn)生的氣云被風(fēng)場稀釋的速度較慢。

圖5 爆炸極限范圍內(nèi)的最大和平均可燃?xì)庠企w積

相同孔徑下可燃?xì)庠谱钚◇w積、平均體積與氣云最大體積差距較大，當(dāng)泄漏孔徑為50mm時(shí)，泄漏所形成的最大氣云體積是平均體積的1.7倍，是最小氣云體積的3.1倍；當(dāng)泄漏孔徑為100mm時(shí)，泄漏所形成的最大氣云體積是平均體積的2.9倍，是最小氣云體積的15.4倍；當(dāng)泄漏孔徑為200mm時(shí)，泄漏所形成的最大氣云體積是平均體積的1.5倍，是最小氣云體積的3.5倍。

綜上所述，在相同泄漏量的條件下，泄漏孔徑的增加會(huì)導(dǎo)致泄漏產(chǎn)生的可燃?xì)庠企w積的大幅度增加；在相同的泄漏工況下由于風(fēng)場的改變導(dǎo)致形成的可燃?xì)庠企w積有很大的差距，如果只考慮最差工況或幾種場景研究控制室的抗爆強(qiáng)度，雖然能很好地將風(fēng)險(xiǎn)降低到最小，但卻過度設(shè)計(jì)了控制室的抗爆強(qiáng)度，不符合安全-經(jīng)濟(jì)的理念。

為了分析37種泄漏場景的模擬結(jié)果，計(jì)算了氣體監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各場景所產(chǎn)生的氣云體積累積曲線，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著氣云體積的增加，對(duì)應(yīng)的累積概率不斷減小。體積小于1000m3的氣云占65%；體積大于12000m3的氣云占10%，說明廠區(qū)發(fā)生泄漏事故時(shí)產(chǎn)生大體積氣云的概率很小，若不考慮場景發(fā)生概率，只以一種或幾種工況的模擬結(jié)果作為控制室抗爆設(shè)計(jì)的參考值，不但會(huì)增加場景選擇的不確定性，也會(huì)造成計(jì)算結(jié)果不具代表性，無法準(zhǔn)確量化控制室的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 氣云體積累積分布

為了表明不同場景的事故后果不同，分析其他工況相同時(shí)不同風(fēng)速對(duì)氣云體積的影響，如圖7所示。圖7(a)和圖7(b)表示泄漏孔徑為100mm、風(fēng)向?yàn)槟蠒r(shí)，不同風(fēng)速條件下的可燃?xì)庠品植记闆r。從圖7中可以看出，其他條件相同的情況下，風(fēng)速為3m/s時(shí)氣云的分布范圍廣，擴(kuò)散到了控制室周圍，此時(shí)形成的可燃?xì)庠企w積為4766m3，若發(fā)生爆炸事故則會(huì)對(duì)控制室造成較大的影響；當(dāng)風(fēng)速為7m/s時(shí)，泄漏出的氣云受風(fēng)速的影響快速擴(kuò)散，可燃?xì)庠茲舛妊杆贉p小，該場景下產(chǎn)生的最大可燃?xì)庠企w積為826m3，控制室在該場景下受爆炸事故影響的程度較小?？梢钥闯觯煌瑘鼍跋滤a(chǎn)生的事故后果不同，為了準(zhǔn)確評(píng)估控制室受事故的影響程度，應(yīng)從事故發(fā)生的概率和后果兩個(gè)維度出發(fā)，綜合考慮各個(gè)場景的發(fā)生概率和后果，而不應(yīng)只考慮最差工況下的后果，以免造成過度設(shè)計(jì)。

圖7 不同風(fēng)速下的氣云分布圖

2.3 爆炸模擬和結(jié)果分析

泄漏模擬的輸出數(shù)據(jù)是爆炸模擬的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)氣云位置、體積和點(diǎn)火位置對(duì)每一個(gè)爆炸場景進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算得出的超壓數(shù)據(jù)分析氣云體積和超壓的關(guān)系以及超壓-頻率超越曲線，以ALARP和NORSOK Z-013為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，計(jì)算控制室DAL。具體流程如圖8所示。

圖8 控制室DAL評(píng)估流程

氣云位置、體積和點(diǎn)火位置是影響爆炸超壓的重要因素。氣云位置和體積由泄漏模擬結(jié)果得出。由于邊緣點(diǎn)火的火焰?zhèn)鞑サ穆窂奖戎行狞c(diǎn)火長，相同條件下邊緣點(diǎn)火所產(chǎn)生的爆炸超壓比中心點(diǎn)火要大，保守選取邊緣點(diǎn)火進(jìn)行超壓計(jì)算。圖9為氣云體積與爆炸超壓之間的關(guān)系，可以看出，不同場景所產(chǎn)生的爆炸超壓值差距較大，37組場景產(chǎn)生的爆炸超壓值的最大值、平均值和最小值分別為10.1kPa、1.16kPa和0.01kPa，可以得出結(jié)論，在控制室強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，若只考慮后果而不考慮場景發(fā)生的概率則會(huì)造成過度設(shè)計(jì)。

圖9 氣云體積與爆炸超壓之間的關(guān)系

為了計(jì)算控制室DAL，結(jié)合場景的爆炸超壓和發(fā)生頻率繪制超壓-頻率超越曲線，根據(jù)ALARP準(zhǔn)則確定控制室DAL，結(jié)果如圖10所示。選取10-5/a為個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的上限，可以得出控制室DAL的取值為3.3kPa，以DAL為控制室爆炸載荷的峰值入射超壓。

圖10 控制室超壓-頻率超越曲線

2.4 控制室爆炸載荷

經(jīng)爆炸模擬計(jì)算結(jié)果，確定了控制室抗爆載荷的峰值入射超壓和正壓作用時(shí)間分別為3.3kPa和100ms。為了對(duì)比DAL和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)事故載荷方法的不同，分別以DAL和最差工況的超壓值為峰值入射超壓，根據(jù)式(4)～式(15)分別計(jì)算控制室爆炸載荷，結(jié)果如表4所示。

由于前墻受爆炸超壓的直接影響，取前墻的爆炸載荷為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的參考值。由表4可以看出，基于DAL方法確定的中控室抗爆載荷值為3.34kPa，以傳統(tǒng)的最差工況確定的中控室抗爆載荷值為10.45kPa。根據(jù)《石油化工建筑物抗爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)爆炸載荷不大于6.9kPa時(shí)，應(yīng)采用鋼筋混凝土框架-組合磚砌體結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)；當(dāng)爆炸載荷大于6.9kPa小于21kPa時(shí)，應(yīng)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。基于DAL的方法計(jì)算出的爆炸載荷與最差工況下的爆炸載荷位于不同的區(qū)間，所以控制室所采用的抗爆結(jié)構(gòu)不同。可以看出，若以最差工況產(chǎn)生的超壓值為控制室抗爆載荷的參考值，雖然可以有效地降低控制室的風(fēng)險(xiǎn)，但是在選取最差工況時(shí)會(huì)造成場景選取的不確定性，造成過度設(shè)計(jì)。而基于DAL的方法從事故發(fā)生概率和事故后果兩個(gè)角度來量化控制室爆炸載荷，能夠合理地選取可信場景并能夠合理地對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，在達(dá)到可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的條件下能夠減小設(shè)計(jì)成本，符合個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)和安全經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)理念，為控制室的抗爆強(qiáng)度的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

表4 控制室爆炸載荷計(jì)算值

3 結(jié)論

（1）基于DAL的確定控制室抗爆強(qiáng)度的方法既能有效地篩除發(fā)生概率很小的場景，也能減小場景選取的數(shù)量和不確定性，使得計(jì)算結(jié)果更具代表性。

（2）相同泄漏孔徑下，由于風(fēng)速、風(fēng)向的不同導(dǎo)致產(chǎn)生的可燃?xì)庠企w積有很大的差距，當(dāng)泄漏孔徑為100mm時(shí)泄漏所形成的可燃?xì)庠谱畲篌w積是最小體積的15.4倍，不同氣云體積會(huì)導(dǎo)致不同的爆炸超壓。如果以最差工況研究控制室抗爆強(qiáng)度而不考慮場景發(fā)生概率，不僅在最差工況的選取時(shí)有不確定性，也會(huì)造成過度設(shè)計(jì)。

（3）以維度事故載荷（DAL）代替設(shè)計(jì)事故載荷為控制室抗爆強(qiáng)度的峰值入射超壓，既考慮了事故的發(fā)生概率也考慮了事故后果，在達(dá)到可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的條件下能夠減小設(shè)計(jì)成本，滿足風(fēng)險(xiǎn)的度量標(biāo)準(zhǔn)，使控制室抗爆強(qiáng)度的設(shè)計(jì)更加安全經(jīng)濟(jì)，為重要建筑物的抗爆強(qiáng)度設(shè)計(jì)和安全屏障的建立提供了一定的理論基礎(chǔ)。