爆破片設置要點分析

任珂,張琳

(1.中海油石化工程有限公司,山東 濟南 250000;2.國家管網集團 山東省分公司,山東 濟南 250000)

爆破片也稱為防爆膜或者防爆片,是用來處理容器和管道系統出現超壓或過度真空的安全裝置。爆破片通過識別進口的靜壓作為啟動的先置信號,當受壓膜片兩側差壓達到設定值時,則出現破裂或脫落動作進行壓力泄放,通過自身的先行破裂對設備實現壓力保護。爆破片作為一次性裝置不能重復使用,所以泄放動作后的爆破片應及時進行更換。爆破片結構簡單,除夾持器、爆破片主件外,還包括支撐圈、背壓托架、密封膜、加強環等附件。爆破片的功能與安全閥相似,因結構簡單、經濟、靈敏性高等優勢,廣泛用于石油、核電、冶金、航空、除塵等行業。

爆破片選用時,壓力設置不準確、型號選用錯誤等都會增加事故發生的風險,所以工程項目的前期設計階段應對爆破片應進行嚴格的選型、計算和設置[1]。

1 爆破片的適用范圍

爆破片與安全閥作為泄壓裝置常用于化工項目的儲罐、管道等存在超壓的場所,對設備運行和人身防護具有安全屏障的作用[2]。爆破片與安全閥同為泄壓裝置,但相較于組件較多的安全閥,結構簡單的爆破片同樣發揮著重要作用,特別是在以下特殊場合:

1)對于裝置內因化學反應等可能出現急劇升壓的環境,考慮到安全閥開啟動作相對較慢,宜選用爆破片進行及時泄壓處理。

2)裝置內為腐蝕性、毒性、黏土稠或高價值介質。若選用安全閥,首先腐蝕性會對閥體的密封性等造成影響,毒性介質則在泄放后會對環境造成污染甚至引發安全事故,黏土稠介質會引起安全閥堵塞失效從而影響泄放能力,對于價值較高的介質,安全閥泄放會造成經濟損失和資源浪費[3]。

3)系統持續升壓的情況下,背壓較高可能會引起泄放不暢的場合。而爆破片的作用原理是兩側差壓達到設定數值即可發生破裂進行泄壓。

4)泄放壓力過低、過高或者泄壓面積大的場合。

5)其他易結晶(如硝酸、碳酸鈉等)、易聚合(環氧乙烷等)介質環境,為避免堵塞而影響泄壓動作,宜選用爆破片作為泄壓裝置。

2 爆破片的選型

按壓力敏感元件的形式分類,爆破片可分為平板型爆破片、正拱型爆破片(拉伸型爆破片)和反拱型爆破片(壓縮型爆破片)。凹面在高壓側的為正拱型爆破片,動作時爆破片承受壓力拉伸而產生破裂。凸面在高壓側的為反拱型爆破片,動作時爆破片因壓迫翻轉或者脫落產生破裂[4]。

爆破片的選型主要取決于工作環境,其中平板型爆破片在石油化工裝置中應用較少,主要用于微壓或者存在粉塵爆炸可能性的場合。正拱型爆破片適用于液體、氣體以及壓力較高的環境;反拱型爆破片主要應用于氣體環境,特別是壓力較低、有循環壓力或脈沖壓力的環境;一般情況下,液體環境不適用反拱型爆破片,因為液體超壓時產生的能量較小,存在不足以觸動爆破片翻轉的可能性;對于可能出現需承受背壓或真空的系統,背壓托架型更為適用。

正拱型爆破片按壓力敏感元件的結構特征還可以分為普通型、背壓托架型、開裂型、加強環型等;反拱型爆破片可以分為鄂齒型、刀架型、卡圈型等。如圖1所示。

圖1 爆破片示意圖

另外,爆破片還可以根據夾持器的夾持面和外界密封面型式分為槽面、錐面、平面等型式。

3 爆破片的設置原則

爆破片是裝置的安全設施,但并不是適用于所有需要泄壓的系統,如所處工況溫度波動較大的系統或經常出現超壓工況的系統則不宜設置爆破片。此外,爆破片也不應單獨設置于極度危害、高度危害和易爆介質等場合[5],因為爆破后的排放氣需要滿足安全和環保要求。爆破片的設置包括且不限于以下原則:

3.1 與安全閥組合設置

當下列情況時,安全閥應與爆破片組合設置,組合設置后的泄放量不小于被保護系統的泄放量,且安全閥的正常動作不受爆破片破裂影響。

1)真空工況下,為避免通過安全泄壓導致外部氣體進入裝置內;

2)不允許工藝介質通過安全閥泄漏的系統,必要時還應在爆破片入口和安全閥出口設置氮封;

3)安全閥與泄放介質發生長期接觸可能會導致安全閥動作失效的系統,如具有腐蝕性的介質會對安全閥的閥芯、閥座等產生侵蝕,影響安全閥性能。

在組合設置時,應在爆破片與安全閥之間安裝壓力監控等檢測裝置,以確保爆破片處于正常使用狀態。同時,爆破片與安全閥串聯設置時,應選用非脫落型爆破片或者無碎片型,避免因爆破片破裂產生碎片堵塞安全閥入口。

3.2 爆破片與爆破片串聯設置

當裝置內介質為強腐蝕性時,可選用兩個爆破片串聯的方式進行設置,可在一定程度上防止其中一個爆破片被腐蝕而失去超壓保護能力,在兩個爆破片之間應設置壓力等檢測裝置,及時發現泄漏或破裂的發生。

3.3 優先選用設置

爆破片和安全閥均為系統泄壓裝置,爆破片作為一次性作用式安全保護裝置,其結構更為簡單,造價低,且不會出現因重復使用帶來準確性下降的情況。當出現下列情況時,應優先選用爆破片:

1)所需泄放量大,安全閥選型困難;

2)特殊介質可能對安全閥性能會產生影響;

3)裝置壓力過低或過高,安全閥制造難度大;

4)對于黏度較大、易結晶、含有顆粒的介質泄放時同樣應優選爆破片。

3.4 其他特定設置原則

1)根據規范要求,環氧乙烷因具有高溫易聚合特性,為防止聚合后堵塞入口管道,當被保護設備內介質為濃度較高環氧乙烷時,應在設備所設安全閥前設置爆破片,并在爆破片入口設置氮封;

2)當裝置內介質因溫度升高并伴隨壓力急劇升高時、當裝置內發生放熱反應或分解反應放熱而導致壓力升高不可控時,應安裝爆破片或爆破片和導爆管;

3)當爆破片正常爆破失效時,一般分為正拱型爆破片的拉伸破裂和反拱型爆破片的壓縮失效[6]。另外,正常操作工況下,膜片隨著在線承壓時間的增加,其承載性能也會逐漸降低,這會導致爆破片提前失效。因此,應對爆破片進行定期檢測和更換;

4)爆破片在出廠前應進行致密性檢驗,特別是具有防腐或密封結構的爆破片,如無特殊要求,應進行致密性檢測,檢測方法包括電火花檢漏等;

5)非必要不應在爆破片的進出口側設置切斷閥,若因維修等需安裝切斷閥時,應選用全通徑閥門且設置鉛封或鎖定,以保證爆破片的正常泄壓功能。

3.5 爆破片與安全閥的性能對比

爆破片與安全閥同為壓力泄放裝置,對受保護裝置在超壓時起到安全保護作用。當僅設置爆破片或安全閥時,應對兩者的優劣勢和適用性對比后進行選擇。爆破片與安全閥對比見表1。

表1 爆破片與安全閥對比表

通過對比發現,爆破片在管徑、壓力、材質、環境等條件下,可選范圍更廣,且結構簡單、種類多、價格優勢明顯。安全閥的精度容易受到工藝條件的影響,但是在經常超壓等重復使用的工況下,安全閥具有明顯的優勢。

4 爆破片的計算

4.1 泄放量的計算

爆破片的泄放量又稱為泄放能力,是爆破片的泄放溫度、泄放壓力、泄放面積一定的情況下,單位時間內從爆破片泄放口排出的介質量[7],泄放量是爆破片選型計算的重要工作。根據《壓力容器安全技術監察規程》爆破片的泄放量應根據被保護設備是否具有保溫層進行分開計算,且爆破片的額定泄放量不應小于安全泄放量,具體如下:

4.1.1 無保溫層時

式中:W—泄放量,kg/h;

Hl—泄放條件下氣化熱,kJ/kg;

A—濕潤面積,m2;

F—容器外壁矯正系數。

4.1.2 有保溫層時

式中:t—泄放溫度,℃;

λ—保溫材料的導熱系數,kJ/(m·h·℃);

d0—保溫材料的厚度,m。

此外,失控反應的爆破片泄放量計算可以參考美國石油學會標準API-520,其他工況可參考國內石油化工設計標準規范,例如壓力管道規程GB/T 20801或爆破片安全裝置GB 567等。

4.2 泄放面積的計算

泄放面積是指爆破片爆破時壓力泄放的流通面積。爆破片的實際泄放面積不應小于設定的最小泄放面積。爆破片與安全閥串聯使用時,爆破片位于安全閥上游,其泄放面積不應小于下游安全閥的進口面積。主要原因是當爆破片的泄放面積超過下游安全閥入口面積時,會產生對安全閥的流量和流速的影響,從而影響安全閥的泄壓性能。當兩個或多個爆破片出口進入共用收集管時,收集總管的截面積不得小于各爆破片出口管道截面之和。

爆破片在于安全閥串聯使用時,通常先進行安全閥計算,當得到安全閥進口面積后,根據上述兩者面積關系,得到爆破片泄放面積的上限值。然后,結合安全閥上游管線阻力降總和不超過整定壓力3%的原則進行爆破片泄放面積選型[5]。

當爆破片獨立安裝時,爆破片泄放面積可根據安全閥泄放面積計算方法進行計算包括泄放系數法[8]或流體阻力系數法等[9]。

4.3 爆破壓力的設定

為了使爆破片具有最佳的使用壽命,不同類型的爆破片的設備最高壓力與最小標定爆破壓力之比不同,例如反拱刀架型為90%、正拱普通平面型值為70%、反拱托架型為80%。

爆破片的最小、最大爆破壓力以及設計爆破壓力應由設計單位來確定,主要依據被保護裝置工作條件、承載能力、結構特點和規范要求等。

爆破片的設計爆破壓力、標定爆破壓力、最高壓力之間的關系見圖2,在壓力設定時可進行參考。

圖2 爆破片相關的壓力關系圖

不同工況下被保護系統設置爆破片的各壓力與被保護容器的最大操作壓力之間的比例關系見圖3。

圖3 爆破片與容器相關的壓力關系圖

4.4 實例計算

某化工裝置罐區,罐內介質為液態環氧丙烷,相對分子質量58,儲罐操作壓力為0.2 MPa(G),設計壓力為0.7 MPa(G),操作溫度為-10～10 ℃。儲罐設有保溫層,保溫材料為泡沫玻璃,傳熱系數為0.208 8 kJ/(m·h·℃),保溫層厚度80 mm。儲罐為臥式儲罐Φ3 200 mm×5 200 mm,濕潤面積為38 m2。為對設備進行超壓保護,設置正拱帶槽型爆破片,入口管線尺寸為DN100 mm,計算爆破片的泄放量和火災情況下的最大爆破壓力。

經查詢,泄放條件下(按沸點34 ℃考慮)環氧丙烷的汽化熱為567 kJ/kg。所以,根據泄放量計算公式,儲罐安全配置爆破片的泄放量W為:

=146.12 kg/h

根據圖3,所選爆破片在火災情況下的最大爆破壓力為:

0.7×121%=0.847 MPa(G)。

5 結束語

隨著爆破片品類的增加、配套材料性能的提高、生產制造工藝的日益成熟,可供選擇的爆破片范圍也更廣,穩定性也呈上升趨勢。爆破片的使用壽命難以用公式進行準確計算,但可以提供參考,應在參考使用壽命之前進行更換[10]。

爆破片失效、爆破片設置不合理都會導致受保護設備暴露于超壓風險下。對于設計單位而言,安全設計責任重大,應遵守爆破片的設計標準規范,準確計算和選取泄放量、最小泄放面積、最大爆破壓力等參數,對安全生產發揮保駕護航的作用。對于生產制造和安裝單位,應根據設計單位的技術規格書和制造標準、驗收標準等嚴格控制出廠質量和安裝質量。對于運行操作人員,應對爆破片進行定期檢測和更換,確保爆破片處于正常工作狀態。