爆破片額定泄放能力的計算

王永貴

德希尼布化學工程(天津)有限公司上海分公司 上海 200030

在石油化工生產中，反應器、塔、容器和管道等通常都是在一定壓力下工作的，當生產裝置開停工，以及在停水、停電等公用工程故障、火災、誤操作等非正常生產及緊急狀態下，設備會發生超壓，嚴重威脅著流體壓力設備的安全運行，有時甚至會釀成重大災難性事故。安全泄放是防止流體壓力設備發生超壓破壞的有效手段，將設備內壓力限定在安全范圍內。爆破片和安全閥是目前使用的兩類主要的安全泄放裝置。

爆破片技術自上世紀70年代引入我國，經過幾十年來的技術研發和經驗沉淀，這種流體壓力設備防超壓安全泄放技術已經得到了廣泛應用。它與傳統的安全閥技術相比，具有很多突出特點和優勢，應用也十分廣泛。爆破片是壓力系統中人為設置的強度相對薄弱點，當系統超壓時，爆破片破裂打開泄壓，從而保護設備和管道。爆破片裝置具有結構簡單、靈敏、準確、快速、泄放能力強等優點，能夠在高粘度、固體顆粒、腐蝕等惡劣環境下可靠地工作，廣泛應用于石油、化工、輕工、冶金、核電等工業部門。

作為流體壓力設備的主要安全泄放裝置，安全閥與爆破片各有其優缺點。

安全閥和爆破片的泄放量計算方法是相同的，按照API520定義的超壓工況進行逐一分析，計算每種工況的泄放量。安全閥的最大優點是具有自動復位功能，但密封性能差，其在釋放壓力保護設備方面具有維護簡單、效率高等特點。 爆破片最大優點是容易實現密封，可實現全密閉，成本低、動作靈敏、泄放面積大、維護簡單；但其最大缺點是無自動復位功能，是一次性的，超壓爆破后必須更換新的爆破片。

1 爆破片分類

爆破片分為正拱型爆破片和反拱型爆破片兩大類，正拱型爆破片又分為普通正拱型爆破片、正拱開縫型爆破片、正拱帶槽型爆破片；反拱型爆破片又分為反拱帶刀型爆破片、反拱腭齒型爆破片、反拱帶槽型爆破片。它們的使用和區別可以參考相關規范和書籍。

2 爆破片額定泄放能力的計算

爆破片的選型和尺寸的確定首先要確定被保護設備需要的泄放量，根據API520定義的超壓工況進行逐一分析，計算每種工況的泄放量，確定主導泄放工況，然后進行爆破片尺寸的計算，選定爆破片的額定泄放能力必須大于泄放工況需要的安全泄放量。

2.1 泄放介質為氣相的泄放能力計算

關于泄放介質為氣體的泄放能力計算有兩種方法，下面分別介紹。

2.1.1 計算方法一

基于漸縮噴管內等熵流動分析得出[1]，

(1)

(2)

(3)

式中，W為爆破片的泄放能力，kg/h；λ為額定泄放系數，取λ=0.62或由制造商提供；C為氣體特性系數，查圖或按公式(2)計算;P0為爆破片泄放側壓力(絕對壓力)，MPa(A)；P為爆破片設計爆破壓力(絕對壓力)，MPa(A)；k為氣體的絕熱指數；A為爆破片的泄放面積，mm2；M為氣體的分子量；T為泄放介質溫度，K；Z為氣體的壓縮因子。

由于式(1)需要已知爆破片泄放側壓力，在實際計算中將泄放系統末端設備作為起始點，從后面分段計算壓力降，直至爆破片出口。

2.1.2 計算方法二

對于泄放介質是可壓縮流體，上述計算過程十分繁瑣，所以本文推薦另一種流體阻力系數法[2]。

爆破片裝置是裝在與設備連接的管道上，爆破片裝置的上下游肯定存在管道、彎頭、三通、異徑管和閥門等管道附件，爆破片裝置將和其他管件一樣對整個管路系統形成局部阻力，即流體在流經破裂的爆破片裝置(包括爆破片和夾持器)時形成的速度損失。考慮到實際管件配置和測試裝置的不一致性，故將計算公式乘以不大于0.9的數作為對該方法的修正。

(4)

式中，Y為 膨脹系數；d為管道內徑，in；K為總阻力系數；V1為體積密度，ft3/lb；dp為進出口壓差，psi。

公式(4)物理量單位為英制單位,轉化為國際單位可得到下面公式[3]:

(5)

式中，W為質量流量，kg/h；Y為 膨脹系數；d為管道內徑，mm；K為總阻力系數 ；V1為體積密度，m3/kg；dp為出口壓差，bar；P1′為爆破片進口側壓力，bar(a)；P2′為爆破片出口側壓力，bar(a)。

2.1.3 計算實例

某介質精餾塔設計壓力為3bar(G)，爆破片爆破壓力為3bar(G)，泄放介質為氣相(絕熱指數k=1.4, V1=0.162 m3/kg)，操作溫度為80℃，需要泄放量為8500kg/h, 泄放背壓為1bar(A)，泄放管道管徑為DN100，求爆破片破裂時的額定泄放能力。

(1)確定管道系統總阻力系數K。管路系統流體阻力系數計算結果見表1。

表1 管路系統流體阻力系數計算結果

表2 臨界狀態極限系數

對于亞臨界流動的流體，Y值可查圖1確定。

圖1 膨脹系數Y與Δp/的關系曲線

2.2 泄放介質為液相的泄放能力計算

2.2.1 計算方法一

泄放介質為液體時爆破片的泄放能力可由下式計算：

(6)

2.2.2 計算方法二

泄放介質為液體時，還有另外一種計算方法，即基于伯努利方程的流動阻力系數法。

(7)

圖2 雷諾數Re與校正系數ε的關系

式中，W為質量流量，kg/h；d為管道內徑，mm；ΔP為管路起止點壓差，bar；ρ為液體密度，kg/m3；K為管路系統總阻力系數。

計算液體泄放時，計算過程相對簡單，這里不舉例介紹了。

3 結語

爆破片在石油化工和精細化工行業雖然沒有安全閥應用廣泛，但它在特有場合也無可替代。關于爆破片的計算、設計和選型，國內的規范涉及較少，詳細的計算需要參考國外標準和規范，本文介紹了氣體和液體兩種介質的計算方法，可根據實際已知參數選擇適合的計算方法。