爆破片的設(shè)置、選型與計(jì)算

王一鳴

(中國(guó)聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052)

化工設(shè)計(jì)

爆破片的設(shè)置、選型與計(jì)算

王一鳴

(中國(guó)聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052)

簡(jiǎn)述了爆破片的設(shè)置原則、分類(lèi)及選型時(shí)應(yīng)考慮的因素，闡述了爆破片爆破壓力、泄放面積及口徑的計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)例介紹如何確定爆破片規(guī)格參數(shù)。

爆破片；設(shè)置；選型；計(jì)算

爆破片是由爆破片、夾持器、真空托架等零件裝配組成的一種壓力泄放安全裝置。當(dāng)設(shè)備或管道壓力突然升高，爆破片兩側(cè)壓力差達(dá)到預(yù)定溫度下的預(yù)定值時(shí)，爆破片即會(huì)破裂，排出高壓介質(zhì)，從而防止設(shè)備或管道破裂。

1 爆破片的設(shè)置原則

相比于安全閥，爆破片具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏、可靠、經(jīng)濟(jì)、無(wú)泄漏、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)越性，滿足下列情況之一應(yīng)優(yōu)先選用爆破片[1]。

① 壓力有可能迅速上升的；

② 泄放介質(zhì)為含有顆粒、易沉淀、易結(jié)晶、易聚合和介質(zhì)粘度較大；

③ 泄放介質(zhì)有強(qiáng)腐蝕性，使用安全閥時(shí)其價(jià)格很高；

④ 工藝介質(zhì)十分貴重或有劇毒，在工作過(guò)程中不允許有任何泄漏，應(yīng)與安全閥串聯(lián)使用；

⑤ 工作壓力很低或很高時(shí)，選用安全閥則其制造比較困難；

⑥ 需要較大泄放面積。

此外對(duì)于一次性使用的管路系統(tǒng)，爆破片的破裂不影響操作和生產(chǎn)的場(chǎng)合，可設(shè)置爆破片。為減少爆破片破裂后的工藝介質(zhì)的損失，可與安全閥串聯(lián)使用。作為壓力容器的附加安全設(shè)施，可與安全閥并聯(lián)使用。為增加異常工況下的泄放面積，爆破片可并聯(lián)使用。

經(jīng)常超壓的場(chǎng)合，爆破片不適用；溫度波動(dòng)很大的場(chǎng)合，不宜用爆破片。

2 爆破片的分類(lèi)

⑴ 正拱型金屬爆破片裝置(拉伸型金屬爆破片裝置)

壓力敏感元件呈正拱型。在安裝時(shí)，拱的凹面處于壓力系統(tǒng)的高壓側(cè)，動(dòng)作時(shí)該元件發(fā)生破裂，如圖1所示。

⑵ 反拱型金屬爆破片裝置(壓縮型金屬爆破片裝置)

壓力敏感元件呈反拱型。在安裝時(shí)，拱的凸面處于壓力系統(tǒng)的高壓側(cè)，動(dòng)作時(shí)該元件發(fā)生壓縮失穩(wěn)，致使破裂或脫落，如圖1所示。

圖1 爆破片類(lèi)型示意圖

3 爆破片的選型

爆破片型式確定應(yīng)考慮以下因素[1]。

① 壓力：壓力較高時(shí)，宜選用正拱型；壓力較低時(shí)，宜選用正拱開(kāi)縫型或反拱型；系統(tǒng)有可能出現(xiàn)真空或爆破片可能承受背壓時(shí)，要配置背壓托架；有循環(huán)壓力或脈沖壓力則選用反拱型。

② 溫度：高溫對(duì)金屬材料和密封膜有影響。

③ 使用場(chǎng)合：在安全閥前使用，爆破片爆破后不能有碎片；用于液體介質(zhì)，不能選用反拱型爆破片。

4 爆破片的爆破壓力

4.1 爆破壓力允差

爆破壓力允差見(jiàn)表1。4.2 爆破片制造范圍

爆破片的制造范圍是設(shè)計(jì)爆破壓力在制造時(shí)允許變動(dòng)的壓力幅度，須由供需雙方協(xié)商確定。在制造范圍內(nèi)的標(biāo)定爆破壓力應(yīng)符合爆破壓力允差。

正拱型爆破片制造范圍分為：1.0級(jí)；0.5級(jí)；0.25級(jí)。反拱型爆破片制造范圍按設(shè)計(jì)爆破壓力的百分?jǐn)?shù)計(jì)算，分為：-10%，-5%和0。詳見(jiàn)表2。

表1 爆破壓力允差

表2 爆破片的制造范圍

4.3 爆破片的設(shè)計(jì)爆破壓力

為了使爆破片獲得最佳的壽命，每一種類(lèi)型的爆破片都有規(guī)定的設(shè)備最高壓力與最小標(biāo)定爆破壓力的比值，見(jiàn)表3。

表3 設(shè)備最高壓力與最小標(biāo)定爆破壓力比值表

對(duì)于新設(shè)計(jì)的壓力容器，確定最高壓力之后，根據(jù)所選擇的爆破片型式和表3中的比值，確定爆破片的設(shè)計(jì)爆破壓力。

根據(jù)GB150-2011《壓力容器》中的相關(guān)規(guī)定，容器設(shè)計(jì)壓力≥設(shè)計(jì)爆破壓力+制造范圍正偏差。

舊設(shè)備新安裝爆破片，容器設(shè)計(jì)壓力和最高壓力已知時(shí)，按選定爆破片的制造范圍確定設(shè)計(jì)爆破壓力，查表3，確定合適的爆破片型式。

4.4 壓力關(guān)系圖

與爆破片相關(guān)的壓力關(guān)系圖，見(jiàn)圖2所示。

圖2 爆破片相關(guān)的壓力關(guān)系圖

圖2表示了爆破片的最高壓力(即被保護(hù)容器的最高壓力)與爆破片設(shè)計(jì)、制造時(shí)的各類(lèi)爆破壓力的關(guān)系。

5 爆破片泄放量和最小泄放面積的計(jì)算

5.1 泄放量計(jì)算

GB150-2011《壓力容器》中對(duì)容器安全泄放量的計(jì)算作了如下規(guī)定[2]。

⑴ 盛裝壓縮氣體或水蒸氣的容器安全泄放量

① 對(duì)壓縮機(jī)貯氣罐和蒸汽罐等容器的安全泄放量，分別取該壓縮機(jī)和蒸汽發(fā)生器的最大產(chǎn)氣(汽)量；

② 氣體貯罐等的安全泄放量

Ws=2.83×10-3ρυd2

(1)

⑵ 換熱設(shè)備等產(chǎn)生蒸汽時(shí)的安全泄放量

(2)

⑶ 盛裝液化氣體的容器安全泄放量

① 介質(zhì)為易燃液化氣體或位于有可能發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境下工作的非易燃液化氣體。

a) 無(wú)絕熱保溫層時(shí)的安全泄放量

(3)

b) 有完善的絕熱保溫層時(shí)的安全泄放量

(4)

式(1)～(4)中：Ws-容器的安全泄放量，kg/h;

ρ——泄放壓力下氣體的密度，kg/m3;

υ——容器進(jìn)料管內(nèi)的流速，m/s;

d——容器進(jìn)料管內(nèi)徑，mm;

H——輸入熱量，kJ/h;

q——在泄放壓力下，液體的汽化潛熱，kJ/kg;

F——系數(shù)，容器置于地面以下用沙土覆蓋時(shí)，F(xiàn)=0.3；容器置于地面上時(shí)，F(xiàn)=1.0；容器置于大于10L/ (m2·min)噴淋裝置下時(shí)，F(xiàn)=0.6；

Ar——容器受熱面積，m2；

半球形封頭的臥式容器Ar=3.14D0L

橢圓形封頭的臥式容器Ar=3.14D0(L+0.3D0)

立式容器Ar=3.14D0h;

t—— 泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度，℃

λ——常溫下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)

δ——容器保溫層厚度，m。

② 介質(zhì)為非易燃液化氣體的容器，置于無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)的環(huán)境下工作時(shí)，安全泄放量可根據(jù)有無(wú)保溫層，分別參照式(3)或式(4)計(jì)算，取不低于計(jì)算值的30%。

⑷ 因化學(xué)反應(yīng)使氣體體積增大的容器，其安全泄放量應(yīng)根據(jù)容器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)可能生成的最大氣量及反應(yīng)時(shí)間來(lái)確定。

5.2 最小泄放面積的計(jì)算

為了確保爆破片能及時(shí)排放高壓介質(zhì)，對(duì)于物理超壓過(guò)程，選用的爆破片不應(yīng)小于以下各式計(jì)算所得泄放面積[3]。

① 氣體

(5)

② 水蒸氣

(6)

③ 液體

(7)

式(5)～(7)中：A——爆破片的最小泄放面積，mm2

λ——額定泄放系數(shù)，取λ=0.62或?qū)崪y(cè)值

C——?dú)怏w的特性系數(shù)，由氣體特性系數(shù)圖查取或按下式計(jì)算：

P——爆破片的設(shè)計(jì)爆破壓力(絕對(duì))，MPa；

P0——爆破片的泄放側(cè)壓力(絕對(duì))，MPa；

k——?dú)怏w的絕熱指數(shù)，對(duì)于空氣,K=1.40；

M——?dú)怏w的分子量，即摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

Z——?dú)怏w的壓縮因子，對(duì)于空氣,Z=1.0；

T——容器設(shè)備內(nèi)泄放氣體的絕對(duì)溫度，K；

Cs——水蒸氣的特性系數(shù)，蒸汽壓力小于16MPa的飽和蒸汽，Cs≈1；過(guò)熱蒸汽特性系數(shù)隨過(guò)熱溫度增加而減小；

ξ—— 液體動(dòng)力黏度的校正系數(shù)；當(dāng)液體黏度等于或小于水的黏度時(shí)，取ξ=1

ρ——液體密度，kg/m3；

△P—— 超壓爆破時(shí)，爆破片的內(nèi)外壓力差；若泄放側(cè)為常壓，其值即取設(shè)計(jì)爆破壓力(表壓)，MPa。

6 實(shí)例

例1：設(shè)計(jì)一臺(tái)烴化反應(yīng)罐，供對(duì)硝基氯苯與氫氧化鈉的乙醇溶液進(jìn)行烴化反應(yīng)使用。反應(yīng)過(guò)程操作壓力穩(wěn)定在

0.19～0.22MPa(G)，操作溫度穩(wěn)定在84～88℃，且整個(gè)反應(yīng)處于靠近爆炸極限的范圍，存在壓力快速增長(zhǎng)的危險(xiǎn)，故反應(yīng)罐采用制造范圍為1.0級(jí)正拱普通型爆破片。試確定反應(yīng)罐的設(shè)計(jì)壓力。

由表3可知，設(shè)備最高壓力與最小標(biāo)定爆破壓力之比為70%，從而得到爆破片最小標(biāo)定爆破壓力為0.22/70%=

0.3143MPa(G)。

查表2，取正拱型爆破片標(biāo)準(zhǔn)制造范圍，上限為

+0.045MPa，下限為﹣0.025MPa。

由圖2可知，爆破片最大標(biāo)定爆破壓力為0.3143+

0.045+1-0.0251=0.3843MPa(G)。由于反應(yīng)罐設(shè)計(jì)壓力不低于最大標(biāo)定爆破壓力，取反應(yīng)罐設(shè)計(jì)壓力為0.39MPa(G)。

例2：某化工廠一空氣壓力儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力為0.9MPa(A)，設(shè)計(jì)溫度為65℃。儲(chǔ)罐上安裝了爆破片裝置，設(shè)計(jì)溫度下安全泄放量為8.21×105kg/h，設(shè)計(jì)爆破壓力為0.8MPa(A)。已知z=1，k=1.4，M=29kg/kmol。試確定爆破片泄放面積及規(guī)格。

7 結(jié)語(yǔ)

爆破片是壓力設(shè)備上重要的安全附件，當(dāng)設(shè)備內(nèi)的壓力超過(guò)允許值時(shí)，爆破片能快速排放設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)，及時(shí)降低壓力，確保設(shè)備安全。選用爆破片時(shí)，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)情況、使用條件等因素合理選擇爆破片的型式，同時(shí)確定爆破片的爆破壓力，最后依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算或校核爆破片的泄放面積及口徑，從而正確選型。

[1] 化學(xué)工業(yè)部.HG/T 20570.3-95 爆破片的設(shè)置和選用[S].北京：化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1996.

[2] 質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB150.1-2011 壓力容器 第1部分：通用要求[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011:20-21.

[3] 葛順源.爆破片選用與設(shè)計(jì)計(jì)算[J].化工設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā),1996(1):1-17.

(本文文獻(xiàn)格式：王一鳴.爆破片的設(shè)置、選型與計(jì)算[J].山東化工，2016，45(02)：99-102.)

Setup, Selection and Calculation for Bursting Discs

Wang Yiming

(China United Engineering Corporation, Zhejiang Hangzhou 310052, China)

The setting principles, types and factors considered in selection were presented. The calculation method of bursting pressure, relief area and the diameter was illustrated. The method for determining the specification parameters of bursting disc was introduced by examples.

bursting disc；setup；selection；calculation

2015-12-01

王一鳴 (1982— )，工程師，主要從事工程設(shè)計(jì)、咨詢工作。

TQ05

A

1008-021X(2016)02-0099-03