【摘要】 近些年來,民用建筑的抗火研究得到了充足的發(fā)展,而針對(duì)石化企業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)廠房做的抗火研究相對(duì)較少。該文選取某石化企業(yè)乙烯改擴(kuò)建工程中的乙烯／丙烯壓縮機(jī)廠房作為研究對(duì)象,該廠房采用鋼結(jié)構(gòu),火災(zāi)危險(xiǎn)性類別為甲A類,發(fā)生火災(zāi)時(shí)為升溫速度更快溫度更高的烴類火,對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗火性能做出研究。本文采用FDS和PyroSim火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件,考慮建筑物尺寸、生產(chǎn)工藝、火源熱釋放速率、火源位置、可燃物的熱燃燒屬性、初始環(huán)境條件和門窗洞口等影響火災(zāi)場(chǎng)景的諸多因素后,設(shè)計(jì)多個(gè)不同的火災(zāi)場(chǎng)景做數(shù)值模擬分析。通過火災(zāi)場(chǎng)景的數(shù)值模擬,判斷該廠房的火災(zāi)規(guī)模大小,對(duì)火災(zāi)下的室內(nèi)溫度場(chǎng)和煙氣可見度等影響鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和消防安全的指標(biāo)做出分析,判斷該壓縮機(jī)廠房的高溫危險(xiǎn)區(qū)域。通過對(duì)溫度場(chǎng)的分析,判斷出“最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景”,選取“最危險(xiǎn)火災(zāi)場(chǎng)景”的溫度場(chǎng)作為廠房室內(nèi)火災(zāi)下的溫度場(chǎng),取其溫度值并假定火災(zāi)整個(gè)過程都處于這個(gè)溫度的恒溫狀態(tài)。根據(jù)傳熱學(xué)原理,對(duì)該廠房的鋼構(gòu)件做升溫分析計(jì)算,判斷其安全性能,并對(duì)該廠房的防火保護(hù)給出建議。 

1緒論

1.1選題背景

我國(guó)的石油化工發(fā)展迅速，到目前為止，我國(guó)已有約1800多家中小型氮肥企業(yè)，100多家大型石油化工基地和3000多家化工廠。我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷加強(qiáng)，對(duì)生產(chǎn)安全和環(huán)境保護(hù)提出更高的要求，國(guó)家大力發(fā)展對(duì)化工企業(yè)老舊廠房擴(kuò)建工程、引進(jìn)大型生產(chǎn)裝置和加快自主研發(fā)速度，以適應(yīng)新時(shí)期的工業(yè)生產(chǎn)要求。

本文所選工程背景為某石化企業(yè)乙稀改擴(kuò)建工程（圖1.1），位于大慶市郊區(qū)，國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。該工程鋼結(jié)構(gòu)部分主要由管廊、裂解爐和壓縮廠房三部分組成，使用鋼材共計(jì)2萬多噸，總投資約140億元。該工程地上部分有裂解裝置、壓縮裝置、煉油裝置、共用工程建筑和其他附屬結(jié)構(gòu)，全部釆用鋼結(jié)構(gòu)建筑。

該文所選的某壓縮機(jī)廠房（圖1.2）中的裂解氣壓縮機(jī)是乙煉裂解裝置的關(guān)鍵設(shè)備，被稱為乙稀裂解裝置的心臟，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)是保證乙稀裂解裝置乃至配套裝置正常生產(chǎn)的先決條件。

1.2某壓縮機(jī)廠房工程概況

1.2.1某壓縮機(jī)廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

1、設(shè)計(jì)依據(jù)

1）上級(jí)主管部門對(duì)初步設(shè)計(jì)的批復(fù)文件。

2）項(xiàng)目所在地的氣候分區(qū)：寒冷地區(qū)。年平均溫度：4.4°C；風(fēng)壓：0.55KN/m2；基本雪壓：0.3KN/m2；全年主導(dǎo)風(fēng)向：西北風(fēng)；最大凍深2.09m：廠區(qū)地下水位在1.5m-2m之間；年平均降水量427.1mm；地震烈度：6度。

3）現(xiàn)行相關(guān)的國(guó)家規(guī)范及行業(yè)規(guī)定及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖集。

2、本項(xiàng)目工程技術(shù)指標(biāo)：

該壓縮機(jī)廠房單層且有多個(gè)不同標(biāo)高的操作平臺(tái)，技術(shù)指標(biāo)見下表。樓梯間及廠房標(biāo)高101.200m以下采用輕集料小型混凝土空心砌塊，101.200m以上輕鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)墻體采用彩鋼夾心板墻板，中填巖棉保護(hù)層，墻面釆光板墻體采用雙層透明聚碳酸酯波形采光板。壓縮機(jī)廠房的技術(shù)指標(biāo)見表1-2:

3、本工程的建設(shè)地點(diǎn)：

本項(xiàng)目為大慶石化某乙稀改擴(kuò)建工程，乙稀裝置乙烯丙稀壓縮機(jī)廠房；建筑物設(shè)計(jì)使用年限50年。

4本工程的主要特征表：

壓縮機(jī)廠房的結(jié)構(gòu)體系和建筑做法詳見表1.3。

2某壓縮機(jī)廠房火災(zāi)場(chǎng)景的數(shù)值模擬

2.1某壓縮機(jī)廠房的火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

2.1.1火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)概述

火災(zāi)場(chǎng)景從廣義上講就是我們根據(jù)真實(shí)的火災(zāi)資料，人為設(shè)定的一個(gè)從火災(zāi)引燃、火災(zāi)增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定燃燒階段和減弱階段的整個(gè)火災(zāi)過程（圖2.1)�；馂�(zāi)場(chǎng)景是以可燃物燃燒特性為基礎(chǔ)，并結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)、使用功能、環(huán)境狀態(tài)等邊界條件來設(shè)定的模擬場(chǎng)景。

設(shè)計(jì)火災(zāi)是針對(duì)某一特定火災(zāi)場(chǎng)景的工程描述，主要通過熱釋放速率、火災(zāi)增長(zhǎng)速度、火源位置、可燃物的燃燒屬性、建筑物內(nèi)的可燃物的布置、環(huán)境條件以及消防系統(tǒng)等參數(shù)來分析設(shè)定。

2.1.2該壓縮機(jī)廠房火災(zāi)場(chǎng)景的建立

火災(zāi)場(chǎng)景會(huì)有多種，確定火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)，一般遵循“可信最不利”原則，從多種可能發(fā)生的場(chǎng)景中選擇可能導(dǎo)致火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最大的火災(zāi)場(chǎng)景，如發(fā)生自動(dòng)滅火系統(tǒng)或排煙系統(tǒng)等全部失效的最不利情景。

由本課題研究的壓縮機(jī)廠房的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)決定，火災(zāi)類型按照油池火的熱釋放速率曲線設(shè)計(jì)，其火災(zāi)初期增長(zhǎng)速度很快(圖2.2)。

本課題研究的某大型乙稀裝置乙烯丙烯壓縮機(jī)廠房在火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合設(shè)備系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，分析最具代表性的火災(zāi)場(chǎng)景。本節(jié)綜合考慮了建筑模型（門窗洞口）、設(shè)備系統(tǒng)安裝布置、當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境狀態(tài)等因素，且假定的火災(zāi)場(chǎng)景處于可燃介質(zhì)在泄露一定時(shí)間后設(shè)備停機(jī)得到控制。場(chǎng)景的設(shè)置不考慮消防人員對(duì)火災(zāi)的控制，排風(fēng)系統(tǒng)損壞（采用自然排煙）等最危險(xiǎn)的環(huán)境。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)，計(jì)算模擬時(shí)間設(shè)定為1800s。

2.2火災(zāi)場(chǎng)景中建筑模型的設(shè)計(jì)

2.2.1建筑結(jié)構(gòu)模型的布置

該工程的大型乙稀裝置乙稀丙稀壓縮機(jī)廠房在火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí)，利用FDS數(shù)值模擬軟件建立壓縮機(jī)廠房建筑結(jié)構(gòu)模型會(huì)遇到較大的麻煩，本課題研究采用軟件對(duì)壓縮機(jī)廠房的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置建造，大大提高了“重塑”建筑物場(chǎng)景的效率。但課題研究中，若完全按照壓縮機(jī)廠房中的所有建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置和其他細(xì)部構(gòu)造建立模型，將會(huì)大大增加課題的工作量。

火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)中可以只抓住主要矛盾，建立壓縮機(jī)廠房的主要建筑結(jié)構(gòu)布置，準(zhǔn)確定位其中的工藝設(shè)備，控制壓縮機(jī)廠房的排放換氣條件，精確控制廠房的屋頂、墻面、門窗洞口的尺寸和定位，正確定義墻體和屋面圍護(hù)材料的導(dǎo)傳熱的材料屬性等，即可有效控制實(shí)際建筑物和數(shù)值模型中的火災(zāi)場(chǎng)景的計(jì)算誤差。在本文的壓縮機(jī)廠房的建筑結(jié)構(gòu)布置中，在以下幾個(gè)方面準(zhǔn)確控制了場(chǎng)景的真實(shí)有效性：

1、大型乙稀裝置乙稀兩稀壓縮機(jī)廠房中的工藝設(shè)備較多，種類功能各不相同，本文中忽略那些小的設(shè)備、管道等裝置，主要建立大型鋼質(zhì)壓縮機(jī)和落地潤(rùn)滑油油箱以及連接兩者的管線。該工程的壓縮機(jī)主體坐落在高強(qiáng)混凝土框架基礎(chǔ)上，標(biāo)高10.500m，泄漏物將會(huì)向下流淌在廠房地面上，即使發(fā)生火災(zāi)也減輕了可燃物對(duì)壓縮機(jī)主體的直接燃燒破壞。參見圖2.6，壓縮機(jī)主要設(shè)備及基礎(chǔ)布置示意圖。

3不同火災(zāi)場(chǎng)景下熱釋放速率的計(jì)算分析........28

3.1熱釋放速率曲線的設(shè)定.......28

3.2火源位置不同對(duì)熱釋放速率的影響.....30

3.2.1場(chǎng)景廣的熱釋放速率對(duì)比分析.....30

3.2.2場(chǎng)景5~8的熱釋放速率對(duì)比分析.........31

3.2.3場(chǎng)景9~12的熱釋放速率對(duì)比分析.......33

4不同火災(zāi)場(chǎng)景下的溫度場(chǎng)及煙氣可見度分析........40

4.1火源位置不同對(duì)溫度場(chǎng)的影響.........40

4.1.1場(chǎng)景1~4的溫度場(chǎng)分析.......40

4.1.2場(chǎng)景5~8的溫度場(chǎng)分析對(duì)比.....45

5某壓縮機(jī)廠房火災(zāi)下的鋼構(gòu)件升溫分析.......59

5.1傳熱學(xué)原理在鋼構(gòu)件升溫計(jì)算中的應(yīng)用.......59

5.2涂刷保護(hù)層的鋼構(gòu)件升溫計(jì)算.......59

5.3小結(jié)........66

5 某壓縮機(jī)廠房火災(zāi)下的鋼構(gòu)件升溫分析

5.1傳熱學(xué)原理在鋼構(gòu)件升溫計(jì)算中旳應(yīng)用

在火災(zāi)場(chǎng)景中，可燃物產(chǎn)生大量的熱量，通過高溫空氣福射、對(duì)流，鋼構(gòu)件也獲得熱量，溫度隨之升高。而固體構(gòu)件內(nèi)部靠著材料自身熱屬性進(jìn)行熱量傳導(dǎo)。求解鋼構(gòu)件的溫度時(shí)，一般根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律和熱平衡原理，利用導(dǎo)熱微積分方程，求得鋼構(gòu)件截面上的溫度分布。

由鋼構(gòu)件自身截面特性，可分為輕型和重型鋼構(gòu)件。一般是根據(jù)單位長(zhǎng)度構(gòu)件表面積與體積之比F/V來劃分鋼構(gòu)件是輕型或者重型鋼構(gòu)件。由于鋼材是一種導(dǎo)熱性能非常好的建筑材料，輕型鋼構(gòu)件一般可假定其截面上各點(diǎn)溫度相同，溫度均勻分布。

該工程的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大都采用的型Q235B、L型等鋼構(gòu)件，一般認(rèn)為它們?yōu)檩p型鋼構(gòu)件。在工程中為了具有實(shí)用性，可根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)建筑的工作特點(diǎn)以及工程的具體要求，研究中忽略構(gòu)件橫截面溫度的不均勻性，我們假定鋼構(gòu)件橫斷面上的溫度分布均勻，見圖5.1。

5.2涂刷保護(hù)層的鋼構(gòu)件升溫計(jì)算

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防火保護(hù)主要采用耐火材料包裹、空心封閉截面（主要是柱）沖水和直接在鋼構(gòu)件表面噴涂防火涂料等方法。

近些年來，超薄型防火涂料以易施工、涂層薄、表面光潔、裝飾效果好和防火性能卓越的特點(diǎn)在石化企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本工程均采用超薄型防火涂料進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。針對(duì)超薄型防火涂料的材料屬性（表5.1），來計(jì)算表面有超薄型防火涂料防火保護(hù)的該廠房的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫情況。

結(jié)論

本文針對(duì)大慶某改擴(kuò)建乙烯裝置乙烯丙烯壓縮機(jī)廠房的基本設(shè)計(jì)資料，充分考慮項(xiàng)目的功能需求和防火目標(biāo)，通過研究分析火災(zāi)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)、多重網(wǎng)格的劃分、建筑模型的建立以及材料屬性的設(shè)置等，利用數(shù)值模擬方法建立了該壓縮機(jī)廠房的個(gè)火災(zāi)場(chǎng)景，從火災(zāi)的熱釋放速率、溫度場(chǎng)、煙氣可見度以及鋼構(gòu)件的升溫等方面進(jìn)行了分析，并對(duì)廠房的防火保護(hù)給出建議。

1、該壓縮機(jī)廠房火災(zāi)熱釋放速率：

民用建筑的火災(zāi)熱釋放速率一般僅為5MW~20MW，而該廠房的火災(zāi)熱釋放速率一般為，該廠房的烴類火災(zāi)規(guī)模更大，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗火性能要求更聞火源位于壓縮機(jī)廠房吊裝孔位置時(shí)，火源產(chǎn)生的高溫?zé)煔獠皇芙ㄖ�結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)備的阻欄，流通順暢，氧氣充足，熱釋放速率相對(duì)較高；

火源處于壓縮機(jī)設(shè)備下和靠近建筑墻體位置時(shí)，火源附近障礙物較多，煙氣滯留，空氣流通困難，氧氣供給不足，熱釋放速率相對(duì)較低，并出現(xiàn)熱釋放速率的波動(dòng)現(xiàn)象。

門窗全部開啟，排煙能力強(qiáng)，室內(nèi)外空氣流通快，熱釋放速率較大；門窗關(guān)閉時(shí)，排煙受限，可燃物產(chǎn)生的有毒不可燃?xì)怏w抑制可燃介質(zhì)的燃燒，熱釋放速率較低開啟門窗洞口最大熱釋放速率是未開啟門窗洞口場(chǎng)景下的最大熱釋放速率的1.6倍左右。

2.該壓縮機(jī)廠房溫度場(chǎng)、鋼構(gòu)件升溫及煙氣分布規(guī)律：

火源位于吊裝孔位置時(shí)，產(chǎn)生的熱量不受平臺(tái)的阻攔，呈現(xiàn)高度越高溫度越低的趨勢(shì)，溫度分布規(guī)律為操作平臺(tái)溫度》平臺(tái)上方1.5m范圍溫度>屋頂溫度，平臺(tái)溫度約為1000°C，平臺(tái)上方1.5m范圍內(nèi)溫度約為600°C，屋頂約為350°C。而火源位于其他位置時(shí)，產(chǎn)生的熱量都將受到平臺(tái)的阻攔，平臺(tái)下方溫度明顯高于平臺(tái)上方溫度，并且屋頂?shù)臏囟葓?chǎng)也比平臺(tái)上方的空氣溫度更高，溫度分布規(guī)律是操作平臺(tái)溫度》屋頂溫度>平臺(tái)上方1.5m范圍溫度，平臺(tái)溫度約為1000°C，平臺(tái)上方1.5Cm范圍內(nèi)溫度約為250°C，屋頂約為350°C。

取“最危險(xiǎn)的場(chǎng)景”的溫度場(chǎng)做為廠房?jī)?nèi)部的溫度場(chǎng)，標(biāo)高為10.500m處的平臺(tái)位置溫度達(dá)到1050°C，在1800s后構(gòu)件溫度約為180°C屋頂溫度達(dá)到350°C，1800s后鋼主、次梁構(gòu)件溫度約為120°C。

門窗開啟的場(chǎng)景下，距地面2m處的煙氣溫度平均值約為40°C可見度大于10m；而關(guān)閉門窗的場(chǎng)景，距地面2m處的煙氣溫度平均值約為140°C可見度小于，建議在壓縮機(jī)廠房冬季生產(chǎn)作業(yè)過程中，加強(qiáng)對(duì)消防排煙系統(tǒng)的維護(hù)和檢測(cè)，避免機(jī)械排煙通風(fēng)系統(tǒng)失效的狀況。
 

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