【摘要】 近些年來,民用建筑的抗火研究得到了充足的發(fā)展,而針對石化企業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)廠房做的抗火研究相對較少。該文選取某石化企業(yè)乙烯改擴建工程中的乙烯／丙烯壓縮機廠房作為研究對象,該廠房采用鋼結(jié)構(gòu),火災(zāi)危險性類別為甲A類,發(fā)生火災(zāi)時為升溫速度更快溫度更高的烴類火,對該鋼結(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)場景的諸多因素后,設(shè)計多個不同的火災(zāi)場景做數(shù)值模擬分析。通過火災(zāi)場景的數(shù)值模擬,判斷該廠房的火災(zāi)規(guī)模大小,對火災(zāi)下的室內(nèi)溫度場和煙氣可見度等影響鋼結(jié)構(gòu)廠房的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和消防安全的指標做出分析,判斷該壓縮機廠房的高溫危險區(qū)域。通過對溫度場的分析,判斷出“最危險火災(zāi)場景”,選取“最危險火災(zāi)場景”的溫度場作為廠房室內(nèi)火災(zāi)下的溫度場,取其溫度值并假定火災(zāi)整個過程都處于這個溫度的恒溫狀態(tài)。根據(jù)傳熱學(xué)原理,對該廠房的鋼構(gòu)件做升溫分析計算,判斷其安全性能,并對該廠房的防火保護給出建議。 

1緒論

1.1選題背景

我國的石油化工發(fā)展迅速，到目前為止，我國已有約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。我國經(jīng)濟實力的不斷加強，對生產(chǎn)安全和環(huán)境保護提出更高的要求，國家大力發(fā)展對化工企業(yè)老舊廠房擴建工程、引進大型生產(chǎn)裝置和加快自主研發(fā)速度，以適應(yīng)新時期的工業(yè)生產(chǎn)要求。

本文所選工程背景為某石化企業(yè)乙稀改擴建工程（圖1.1），位于大慶市郊區(qū)，國家重點建設(shè)項目。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廠房（圖1.2）中的裂解氣壓縮機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某壓縮機廠房工程概況

1.2.1某壓縮機廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容

1、設(shè)計依據(jù)

1）上級主管部門對初步設(shè)計的批復(fù)文件。

2）項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)的國家規(guī)范及行業(yè)規(guī)定及國家標準圖集。

2、本項目工程技術(shù)指標：

該壓縮機廠房單層且有多個不同標高的操作平臺，技術(shù)指標見下表。樓梯間及廠房標高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)圍護墻體采用彩鋼夾心板墻板，中填巖棉保護層，墻面釆光板墻體采用雙層透明聚碳酸酯波形采光板。壓縮機廠房的技術(shù)指標見表1-2:

3、本工程的建設(shè)地點：

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

4本工程的主要特征表：

壓縮機廠房的結(jié)構(gòu)體系和建筑做法詳見表1.3。

2某壓縮機廠房火災(zāi)場景的數(shù)值模擬

2.1某壓縮機廠房的火災(zāi)場景設(shè)計

2.1.1火災(zāi)場景設(shè)計概述

火災(zāi)場景從廣義上講就是我們根據(jù)真實的火災(zāi)資料，人為設(shè)定的一個從火災(zāi)引燃、火災(zāi)增長階段、穩(wěn)定燃燒階段和減弱階段的整個火災(zāi)過程（圖2.1)�；馂�(zāi)場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)定的模擬場景。

設(shè)計火災(zāi)是針對某一特定火災(zāi)場景的工程描述，主要通過熱釋放速率、火災(zāi)增長速度、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該壓縮機廠房火災(zāi)場景的建立

火災(zāi)場景會有多種，確定火災(zāi)場景時，一般遵循“可信最不利”原則，從多種可能發(fā)生的場景中選擇可能導(dǎo)致火災(zāi)風(fēng)險最大的火災(zāi)場景，如發(fā)生自動滅火系統(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廠房的生產(chǎn)工藝特點決定，火災(zāi)類型按照油池火的熱釋放速率曲線設(shè)計，其火災(zāi)初期增長速度很快(圖2.2)。

本課題研究的某大型乙稀裝置乙烯丙烯壓縮機廠房在火災(zāi)場景設(shè)計時，結(jié)合設(shè)備系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝特點，分析最具代表性的火災(zāi)場景。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)場景處于可燃介質(zhì)在泄露一定時間后設(shè)備停機得到控制。場景的設(shè)置不考慮消防人員對火災(zāi)的控制，排風(fēng)系統(tǒng)損壞（采用自然排煙）等最危險的環(huán)境。根據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)文獻，計算模擬時間設(shè)定為1800s。

2.2火災(zāi)場景中建筑模型的設(shè)計

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廠房在火災(zāi)場景設(shè)計時，利用FDS數(shù)值模擬軟件建立壓縮機廠房建筑結(jié)構(gòu)模型會遇到較大的麻煩，本課題研究采用軟件對壓縮機廠房的主體結(jié)構(gòu)進行布置建造，大大提高了“重塑”建筑物場景的效率。但課題研究中，若完全按照壓縮機廠房中的所有建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置和其他細部構(gòu)造建立模型，將會大大增加課題的工作量。

火災(zāi)場景的設(shè)計中可以只抓住主要矛盾，建立壓縮機廠房的主要建筑結(jié)構(gòu)布置，準確定位其中的工藝設(shè)備，控制壓縮機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材料的導(dǎo)傳熱的材料屬性等，即可有效控制實際建筑物和數(shù)值模型中的火災(zāi)場景的計算誤差。在本文的壓縮機廠房的建筑結(jié)構(gòu)布置中，在以下幾個方面準確控制了場景的真實有效性：

1、大型乙稀裝置乙稀兩稀壓縮機廠房中的工藝設(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)壓縮機和落地潤滑油油箱以及連接兩者的管線。該工程的壓縮機主體坐落在高強混凝土框架基礎(chǔ)上，標高10.500m，泄漏物將會向下流淌在廠房地面上，即使發(fā)生火災(zāi)也減輕了可燃物對壓縮機主體的直接燃燒破壞。參見圖2.6，壓縮機主要設(shè)備及基礎(chǔ)布置示意圖。

3不同火災(zāi)場景下熱釋放速率的計算分析........28

3.1熱釋放速率曲線的設(shè)定.......28

3.2火源位置不同對熱釋放速率的影響.....30

3.2.1場景廣的熱釋放速率對比分析.....30

3.2.2場景5~8的熱釋放速率對比分析.........31

3.2.3場景9~12的熱釋放速率對比分析.......33

4不同火災(zāi)場景下的溫度場及煙氣可見度分析........40

4.1火源位置不同對溫度場的影響.........40

4.1.1場景1~4的溫度場分析.......40

4.1.2場景5~8的溫度場分析對比.....45

5某壓縮機廠房火災(zāi)下的鋼構(gòu)件升溫分析.......59

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

5.2涂刷保護層的鋼構(gòu)件升溫計算.......59

5.3小結(jié)........66

5 某壓縮機廠房火災(zāi)下的鋼構(gòu)件升溫分析

5.1傳熱學(xué)原理在鋼構(gòu)件升溫計算中旳應(yīng)用

在火災(zāi)場景中，可燃物產(chǎn)生大量的熱量，通過高溫空氣福射、對流，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行熱量傳導(dǎo)。求解鋼構(gòu)件的溫度時，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，一般認為它們?yōu)檩p型鋼構(gòu)件。在工程中為了具有實用性，可根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)建筑的工作特點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涂刷保護層的鋼構(gòu)件升溫計算

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防火保護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行防火設(shè)計。針對超薄型防火涂料的材料屬性（表5.1），來計算表面有超薄型防火涂料防火保護的該廠房的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的升溫情況。

結(jié)論

本文針對大慶某改擴建乙烯裝置乙烯丙烯壓縮機廠房的基本設(shè)計資料，充分考慮項目的功能需求和防火目標，通過研究分析火災(zāi)場景的設(shè)計、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廠房的個火災(zāi)場景，從火災(zāi)的熱釋放速率、溫度場、煙氣可見度以及鋼構(gòu)件的升溫等方面進行了分析，并對廠房的防火保護給出建議。

1、該壓縮機廠房火災(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，對結(jié)構(gòu)的抗火性能要求更聞火源位于壓縮機廠房吊裝孔位置時，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，熱釋放速率相對較高；

火源處于壓縮機設(shè)備下和靠近建筑墻體位置時，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，熱釋放速率相對較低，并出現(xiàn)熱釋放速率的波動現(xiàn)象。

門窗全部開啟，排煙能力強，室內(nèi)外空氣流通快，熱釋放速率較大；門窗關(guān)閉時，排煙受限，可燃物產(chǎn)生的有毒不可燃氣體抑制可燃介質(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景下的最大熱釋放速率的1.6倍左右。

2.該壓縮機廠房溫度場、鋼構(gòu)件升溫及煙氣分布規(guī)律：

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

取“最危險的場景”的溫度場做為廠房內(nèi)部的溫度場，標高為10.500m處的平臺位置溫度達到1050°C，在1800s后構(gòu)件溫度約為180°C屋頂溫度達到350°C，1800s后鋼主、次梁構(gòu)件溫度約為120°C。

門窗開啟的場景下，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，建議在壓縮機廠房冬季生產(chǎn)作業(yè)過程中，加強對消防排煙系統(tǒng)的維護和檢測，避免機械排煙通風(fēng)系統(tǒng)失效的狀況。
 

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