爆破片裝置流阻特性試驗研究

李亭 汪靜 李東銘 黃棟渠 張玉禎

摘 要：爆破片裝置額定泄放量計算方法有泄放系數法和流體阻力系數法，其中流體阻力系數通常需要試驗測定。本文設計了水力試驗系統并開展了爆破片裝置流阻特性試驗研究，為爆破片裝置工程設計和選用提供參考。

關鍵詞：爆破片裝置;流阻特性;泄放量

1引言

泄放量是爆破片裝置的重要性能指標。壓力容器設計規范規定[1]，一旦容器發生超壓泄放，泄放裝置的泄放量應大于或等于容器的安全泄放量，以保證容器安全。因此準確地確定爆破片裝置的泄放量是非常重要的。ASME規范Ⅷ-1卷[2]UG125-UG137中規定，爆破片裝置作為單獨泄放裝置時其額定泄放量計算方法有泄放系數法和流體阻力系數法。泄放系數法計算簡單，但其使用受到很多條件限制;流體阻力系數法任何管路泄壓系統排放量計算，其前提是需要知道所有管件的流體阻力系數[3]。爆破片裝置阻力系數是一個無量綱數，用于計算壓力泄放系統中因爆破片裝置引起的速度損失。本文爆破片裝置結構較為復雜（見圖1），整個流體域沒有發展成充分穩定段，用經驗公式分段計算流阻系數有較大偏差。GB567.4-2012[4]規定了爆破片流阻系數測量的方法和要求，故本文參照GB567.4-2012開展試驗，對爆破片裝置的阻力特性進行研究。

2流阻試驗設計

2.1試驗件及試驗回路

試驗測量的爆破片裝置為原型等比例模型，試驗模型結構如圖1所示，爆破片裝置主要由內殼體和爆破片組件（含夾持器和爆破膜片等）、外殼體組件等組成。介質在內殼體中超壓引起爆破膜片爆破后，從爆破片破口處流出，經外殼體排放管釋放。

試驗裝置由水力回路系統、電氣系統和測控系統組成。水力回路系統主要由主泵、穩壓器、流量計、試驗段和相關閥門管道組成。電氣系統包括水泵電機和變頻器。主泵電機400kW，可變頻調速。測控系統包括各類測量儀表、采集系統和控制系統。

爆破片裝置水平放置固定在支架上，支架放置于地面。固定后，爆破片距地面約1.3m，安裝完成后的試驗本體及裝置狀態見圖2。

試驗用爆破片組件共2件，爆破膜片為反拱開槽型，爆破片在設計爆破壓力下爆破，開度不低于85%，其外形如圖3所示。爆破件組件安裝完成后，對試驗段充水進行檢漏，試驗段無泄漏。

試驗段的流量通過主泵變頻器進行調節，由DN300渦輪流量計測量?；芈穳毫τ蓧毫鞲衅鳒y量，爆破片裝置進出口壓差由差壓變送器測量。流量、溫度、壓力、壓差信號均接入數采系統，可進行在線監測和采集存儲。

2.2試驗參數

結合以往的爆破片流阻試驗經驗和數值模擬結果，試驗工況按回路最大運行工況預計，同時考慮防止出現爆破片形變和氣蝕，試驗段內部壓力和水流沖擊力不宜過高，將試驗最大流量Q初步定為1000m3/h（該最大工況為預估值，實際試驗中以確保流道形狀不發生改變、不發生氣蝕前提下試驗回路能達到的最大工況為準）。試驗時為了避免爆破片形變帶來的阻力系數變化，試驗測量分為兩個流量階段，并分別測量正反行程，試驗流量由小到大（從300m3/h逐步升至1000m3/h，正行程），再由大到小（從1000m3/h逐步降至300m3/h，反行程），待試驗流量穩定后記錄數據。試驗時，保持流量控制在Q±2%的范圍內。

2.3試驗數據處理

3試驗結果與分析

通過試驗獲得了爆破片裝置不同流量下的壓降值，經數據分析處理得到了阻力系數。1#爆破片裝置阻力系數隨Re數的變化曲線見圖4。

由圖4可知，1#爆破片在300～700m3/h正反行程阻力系數符合良好，阻力系數范圍為3.14～3.59，阻力系數隨雷諾數增大而減小，并趨于平緩。當流量達到700m3/h，雷諾數Re>06時，阻力系數變化已經小于1%，可以認為阻力系數已進入自模區，大小為3.16。

隨著流量繼續增加大于800m3/h后，阻力系數下降明顯，曲線趨勢與800m3/h前形成顯著差異;反行程流量下降后，阻力系數明顯小于正行程;繼續降低流量，阻力系數仍顯著低于第一階段正反行程阻力系數值，因此可以推斷，當流量大于800m3/h時，爆破片破口進一步擴大，流通面積發生變化，阻力特性發生改變。

2#爆破片阻力系數在整個試驗的雷諾數范圍已基本自模，阻力系數幾乎不變，自模后阻力系數取各點平均值，大小為3.16。

4結論

本文參照GB567.4-2012建立了爆破片裝置流阻特性測試系統，對爆破后的爆破片裝置開展了流阻特性試驗，得到以下結論：

（1）試驗結果表明，在300～700m3/h正反行程阻力系數符合良好，阻力系數范圍為3.16～3.59，阻力系數隨雷諾數增大而減小，并趨于平緩。當流量達到700m3/h，雷諾數Re>106時，阻力系數變化已經小于1%，可以認為阻力系數已進入自模區，大小為3.16。

（2）當流量大于800m3/h時，爆破片破口進一步擴大，流通面積發生變化，阻力特性發生改變。

參考文獻：

[1] GB150.1-2011。壓力容器 第1部分：通用要求[S]。

[2]ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 1. The American Society of Mechanical Engineers[S]. New York，2019

[3] 吳全龍。爆破片裝置泄放量計算方法探討[J]?；C械，2012，39（2）：180-182

[4] GB567.4-2012。爆破片安全裝置 第4部分：型式試驗[S]。

（東方電氣（廣州）重型機器有限公司，廣州 511455）