郝鵬超

(中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120)

0 引言

生產(chǎn)貯存火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品的廠房及倉(cāng)庫(kù)屬火炸藥爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)。 此類建筑一旦爆炸將造成巨大破壞還可能造成人身傷亡，因此在進(jìn)行此類建筑設(shè)計(jì)時(shí)，必須認(rèn)真貫徹“安全第一、預(yù)防為主”的方針，預(yù)防事故發(fā)生，減少事故損失。

由于火炸藥爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的特殊性，在對(duì)相關(guān)建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要格外重視。 本文結(jié)合相關(guān)規(guī)范，以具體火炸藥庫(kù)房為實(shí)例，對(duì)火炸藥爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 規(guī)范的選用

對(duì)于火炸藥危險(xiǎn)場(chǎng)所的設(shè)計(jì)，目前可參考的規(guī)范:GB 50154－2009《地下及覆土火炸藥倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》；GB 51009－2014《火炸藥生產(chǎn)廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》；《火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品工廠設(shè)計(jì)安全規(guī)范》兵總質(zhì)【1990】2 號(hào)；WJ 2470－97《小量火藥、炸藥及其制品危險(xiǎn)性建筑設(shè)計(jì)安全規(guī)范》。

上述規(guī)范的適用范圍不同，應(yīng)根據(jù)工程的性質(zhì)、用途及爆炸危險(xiǎn)品的種類、儲(chǔ)量，參考相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 確定防雷類別

根據(jù)生產(chǎn)分類及工作性質(zhì)確定爆炸危險(xiǎn)建筑適用于上述哪本規(guī)范。 上述規(guī)范都對(duì)生產(chǎn)、貯存不同危險(xiǎn)物質(zhì)建筑的防雷類別有明確的規(guī)定。

不同的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)防雷設(shè)計(jì)要求略有不同，但總體來(lái)說(shuō)火炸藥危險(xiǎn)場(chǎng)所的防雷類別和該建筑物的危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣類別有關(guān)，因此設(shè)計(jì)時(shí)要明確建筑物的危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣類別。

3 防雷設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范要求，爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的防雷類別根據(jù)不同使用性質(zhì)，分別采取一類、二類防雷措施。 二類防雷按照常規(guī)做法，在屋面設(shè)置接閃網(wǎng)格即可，本文主要針對(duì)一類防雷進(jìn)行介紹。 一類防雷主要是確定獨(dú)立接閃桿桿塔(或接閃線支柱)的位置、高度、數(shù)量及桿塔、基礎(chǔ)的選型。

3.1 桿塔與支柱位置的確定

首先確定獨(dú)立接閃桿桿塔或架空接閃線(網(wǎng))的支柱至被保護(hù)建筑物之間的距離。 根據(jù)GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《雷規(guī)》)中獨(dú)立接閃桿和架空接閃線(網(wǎng))的支柱至被保護(hù)建筑物之間的距離(圖1)應(yīng)符合下列公式的要求，但不得小于3m。

(1)地上部分

式中，Sa1為空氣中距離，m；Se1為地中距離，m；Ri為獨(dú)立接閃桿或架空接閃線(網(wǎng))支柱處接地裝置的沖擊接地電阻，Ω；hx為被保護(hù)物或計(jì)算點(diǎn)的高度，m。

圖1 防雷裝置至被保護(hù)物的間隔距離

上述公式的計(jì)算結(jié)果是接閃桿塔與被保護(hù)建筑物的最小距離要求，接閃桿塔的位置不僅要滿足此要求，同時(shí)還要查看總圖，考慮建筑周邊道路及土圍堤的位置關(guān)系，如果不注意，桿塔基礎(chǔ)有可能設(shè)置在道路上。

3.2 采用接閃桿保護(hù)

接閃桿的高度利用滾球法計(jì)算，根據(jù)建筑的高度來(lái)確定接閃桿的高度。 當(dāng)接閃桿高度h小于或等于滾球半徑hr時(shí)，單支接閃桿的保護(hù)范圍應(yīng)按下列方法確定，接閃桿在hx高度的平面上和在地面上的保護(hù)半徑，按下式求得。

如果雙支接閃桿還不能滿足保護(hù)要求，那就要考慮采用接閃線塔進(jìn)行保護(hù)。 為什么不采用更多的接閃桿進(jìn)行保護(hù)而采用接閃線塔進(jìn)行保護(hù)，在下文工程案例中會(huì)有說(shuō)明。

3.3 采用接閃線保護(hù)

當(dāng)單支接閃線的高度h<2hr時(shí)，在hx高度的平面上的保護(hù)寬度bx，按下式求得:

式中，bx為接閃線在hx高度的平面上的保護(hù)寬度，m；h為接閃線的高度，m；hr為滾球半徑，m；hx為被保護(hù)物的高度，m。

可以看出此公式和單支接閃桿在hx高度的平面上保護(hù)半徑公式相同，可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為，接閃線就是在接閃線的方向上設(shè)置了無(wú)數(shù)支接閃桿。 上述公式所得是接閃線最低點(diǎn)(垂點(diǎn))的高度，桿塔的高度還要加上接閃線的弧垂高度，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖15D501 第104 頁(yè)可以查到不同跨度的接閃線的最大弧垂，見(jiàn)表1。

表1 不同長(zhǎng)跨度的接閃線的最大弧垂

同時(shí)選擇接閃線時(shí)需要注意，按照標(biāo)準(zhǔn)圖集接閃線采用φ＝7.8mm 鍍鋅鋼絞線，但根據(jù)《雷規(guī)》，當(dāng)接閃器為熱鍍鋅鋼絞線時(shí)，最小截面為50mm2，換算為直徑φ＝7.98mm。 因此建議設(shè)計(jì)者選擇不小于φ＝8mm 的熱鍍鋅鋼絞線作為接閃線。

3.4 桿塔支座及基礎(chǔ)型式的確定

接閃桿、架空接閃線塔的桿塔型式及基礎(chǔ)的型式要根據(jù)桿塔高度及工程所在地的風(fēng)壓、地基承載力進(jìn)行選擇。 桿塔高度根據(jù)上文計(jì)算得出，風(fēng)壓及地基承載力這兩個(gè)參數(shù)一般結(jié)構(gòu)專業(yè)都會(huì)有，根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)圖15D501 進(jìn)行選擇。

4 工程案例

現(xiàn)在以某火炸藥庫(kù)房為案例進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)介紹。 本庫(kù)房為單層混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)為48m，寬為12m，高為7.5m。 庫(kù)房貯存物品為各類彈藥，每個(gè)儲(chǔ)存間內(nèi)同時(shí)存放藥量最大為50kg，建筑危險(xiǎn)等級(jí)為Ax 級(jí)。 本彈藥庫(kù)設(shè)計(jì)參考規(guī)范為中國(guó)兵器工業(yè)總公司部標(biāo)準(zhǔn)WJ 2470－97《小量火藥、炸藥及其制品危險(xiǎn)性建筑設(shè)計(jì)安全規(guī)范》。 根據(jù)表2.1 本彈藥庫(kù)危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣類別為F1，防雷類別為一類防雷，因此需要設(shè)置獨(dú)立接閃桿或接閃線塔進(jìn)行保護(hù)。

根據(jù)規(guī)范要求及式(1)計(jì)算(根據(jù)規(guī)范要求，沖擊接地電阻按10Ω 計(jì)算)，接閃桿或接閃線(網(wǎng))的桿塔可設(shè)置在距庫(kù)房四周外沿大于4.3m 的位置。但根據(jù)總圖位置，庫(kù)房周圍有道路及灌溉渠，因此桿塔需避開(kāi)道路及灌溉渠。 本彈藥庫(kù)總圖見(jiàn)圖2。

圖2 庫(kù)房總圖

由于道路及灌溉渠內(nèi)側(cè)間距不能滿足規(guī)范要求，需將桿塔向兩側(cè)外移，設(shè)置在道路及灌溉渠外側(cè)。 桿塔基礎(chǔ)位置距建筑位置見(jiàn)圖3。

圖3 桿塔基礎(chǔ)位置

接閃桿(或線塔)基礎(chǔ)位置確定之后，就要計(jì)算接閃桿(或線塔)的高度，首先考慮用獨(dú)立接閃桿進(jìn)行保護(hù)，本建筑為第一類防雷建筑物，根據(jù)規(guī)范，滾球半徑hr＝30m，建筑物高度hx＝7.5m，根據(jù)接閃桿高度h<30m 時(shí)式(4)有解，當(dāng)h＝30m，保護(hù)半徑rx有最大值為10.15m(當(dāng)h>30m 時(shí)公式無(wú)解，是因?yàn)榻娱W桿高于30m 處，半徑30m 的滾球無(wú)法與地面相切，不能對(duì)建筑進(jìn)行有效保護(hù)，因此高于30m 的單獨(dú)接閃桿，根據(jù)規(guī)范要求，接閃桿應(yīng)按照滾球半徑(這里為30m)的高度作為接閃桿桿尖進(jìn)行保護(hù)計(jì)算)。 即在7.5m 的高度，單支接閃桿的最大保護(hù)范圍為10.15m，單支接閃桿的保護(hù)范圍見(jiàn)圖4。

圖4 單根接閃桿保護(hù)范圍

圖5 雙支接閃桿保護(hù)范圍

從圖5 可以看出雙支30m 高的接閃桿無(wú)論如何都無(wú)法對(duì)彈藥庫(kù)進(jìn)行完全保護(hù)，至少需要四支及以上接閃桿進(jìn)行保護(hù)(本文不再詳細(xì)計(jì)算)，所以對(duì)于本彈藥庫(kù)采用接閃線塔更為合理。

接閃線塔一般沿建筑的長(zhǎng)度方向設(shè)置，這樣同樣高度的接閃線，對(duì)建筑物的保護(hù)范圍最大。 接閃線塔位置和前文接閃桿桿塔位置一致。 將本彈藥庫(kù)參數(shù)帶入式(5)(取hr＝30m，bx＝6m)，求解方程得出h＝14.7m，即接閃線在14.7m 的高度上可以將彈藥庫(kù)完全保護(hù)。 接閃線剖面保護(hù)范圍見(jiàn)圖6 陰影部分。

圖6 接閃線保護(hù)范圍(h＝14.7m 時(shí))

14.7m 是接閃線最低點(diǎn)的高度，本彈藥庫(kù)接閃線塔跨距為68m，查表1 最大弧垂按3.2m 考慮，因此接閃線桿塔的最低高度應(yīng)該為接閃線的最低點(diǎn)高度14.7m 加上最大弧垂的高度3.2m，為17.9m，可以選擇20m 高的接閃線支柱。

根據(jù)圖1 及規(guī)范要求，接閃線至屋面間距Sa2應(yīng)滿足下列公式

(1)當(dāng)(h＋l/2)<5Ri時(shí)，

(2)當(dāng)(h＋l/2)≥5Ri時(shí)，

式中，Sa2為接閃線至被保護(hù)物在空中的間距距離，m；h為接閃線的支柱高度，m；l為接閃線的水平長(zhǎng)度，m；Ri為獨(dú)立接閃桿或架空接閃線(網(wǎng))支柱處接地裝置的沖擊接地電阻，Ω。

根據(jù)以上公式計(jì)算，Sa2應(yīng)≥3. 47m，根據(jù)上文計(jì)算選擇，接閃線最低點(diǎn)至屋面的實(shí)際間距Sa2＝9. 3m(接閃線最低點(diǎn)為20－3. 2 ＝16. 8m，建筑屋面高度為7. 5m)，因此接閃線至屋面間距Sa2滿足規(guī)范要求。

最后確定桿塔及基礎(chǔ)型式，本工程地基承載力特征值為140kPa，基本風(fēng)壓為0.3kN/m，因?yàn)闂U塔總高度為20m，所以按標(biāo)準(zhǔn)圖15D501 第99 頁(yè)，接閃線桿塔選用GFW1－1 型，基礎(chǔ)選用JA－4 型。

通過(guò)上述分析計(jì)算，最終本彈藥庫(kù)采用20m 高接閃線塔進(jìn)行保護(hù)，桿塔設(shè)置在東西兩側(cè)，左側(cè)距彈藥庫(kù)10.5m，右側(cè)距彈藥庫(kù)9.5m。 桿塔選用GFW1－1 型，基礎(chǔ)選用JA－4 型，接閃線采用φ＝8mm 的熱鍍鋅鋼絞線。

5 結(jié)束語(yǔ)

火炸藥危險(xiǎn)場(chǎng)所的防雷設(shè)計(jì)首先要明確適用規(guī)范，并確定爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣類別，這是防雷設(shè)計(jì)的先決條件，不同規(guī)范對(duì)危險(xiǎn)場(chǎng)所電氣類別的劃分及防雷要求還是略有不同。 同時(shí)根據(jù)以上分析計(jì)算，利用接閃線比利用接閃桿對(duì)彈藥庫(kù)進(jìn)行保護(hù)，不僅桿塔的高度大大降低，而且數(shù)量上也大大減少，設(shè)計(jì)計(jì)算上也較為簡(jiǎn)單。 因此當(dāng)被保護(hù)的建筑物較高較長(zhǎng)時(shí)，優(yōu)先選用接閃線對(duì)建筑進(jìn)行防直擊雷保護(hù)比較合理。