爆破片的設置、選型與計算

王一鳴

(中國聯合工程公司，浙江 杭州 310052)

化工設計

爆破片的設置、選型與計算

王一鳴

(中國聯合工程公司，浙江 杭州 310052)

簡述了爆破片的設置原則、分類及選型時應考慮的因素，闡述了爆破片爆破壓力、泄放面積及口徑的計算方法，并通過實例介紹如何確定爆破片規格參數。

爆破片；設置；選型；計算

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。當設備或管道壓力突然升高，爆破片兩側壓力差達到預定溫度下的預定值時，爆破片即會破裂，排出高壓介質，從而防止設備或管道破裂。

1 爆破片的設置原則

相比于安全閥，爆破片具有結構簡單、靈敏、可靠、經濟、無泄漏、適應性強等優越性，滿足下列情況之一應優先選用爆破片[1]。

① 壓力有可能迅速上升的；

② 泄放介質為含有顆粒、易沉淀、易結晶、易聚合和介質粘度較大；

③ 泄放介質有強腐蝕性，使用安全閥時其價格很高；

④ 工藝介質十分貴重或有劇毒，在工作過程中不允許有任何泄漏，應與安全閥串聯使用；

⑤ 工作壓力很低或很高時，選用安全閥則其制造比較困難；

⑥ 需要較大泄放面積。

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

經常超壓的場合，爆破片不適用；溫度波動很大的場合，不宜用爆破片。

2 爆破片的分類

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，拱的凹面處于壓力系統的高壓側，動作時該元件發生破裂，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，拱的凸面處于壓力系統的高壓側，動作時該元件發生壓縮失穩，致使破裂或脫落，如圖1所示。

圖1 爆破片類型示意圖

3 爆破片的選型

爆破片型式確定應考慮以下因素[1]。

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

② 溫度：高溫對金屬材料和密封膜有影響。

③ 使用場合：在安全閥前使用，爆破片爆破后不能有碎片；用于液體介質，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

爆破壓力允差見表1。4.2 爆破片制造范圍

爆破片的制造范圍是設計爆破壓力在制造時允許變動的壓力幅度，須由供需雙方協商確定。在制造范圍內的標定爆破壓力應符合爆破壓力允差。

正拱型爆破片制造范圍分為：1.0級；0.5級；0.25級。反拱型爆破片制造范圍按設計爆破壓力的百分數計算，分為：-10%，-5%和0。詳見表2。

表1 爆破壓力允差

表2 爆破片的制造范圍

4.3 爆破片的設計爆破壓力

為了使爆破片獲得最佳的壽命，每一種類型的爆破片都有規定的設備最高壓力與最小標定爆破壓力的比值，見表3。

表3 設備最高壓力與最小標定爆破壓力比值表

對于新設計的壓力容器，確定最高壓力之后，根據所選擇的爆破片型式和表3中的比值，確定爆破片的設計爆破壓力。

根據GB150-2011《壓力容器》中的相關規定，容器設計壓力≥設計爆破壓力+制造范圍正偏差。

舊設備新安裝爆破片，容器設計壓力和最高壓力已知時，按選定爆破片的制造范圍確定設計爆破壓力，查表3，確定合適的爆破片型式。

4.4 壓力關系圖

與爆破片相關的壓力關系圖，見圖2所示。

圖2 爆破片相關的壓力關系圖

圖2表示了爆破片的最高壓力(即被保護容器的最高壓力)與爆破片設計、制造時的各類爆破壓力的關系。

5 爆破片泄放量和最小泄放面積的計算

5.1 泄放量計算

GB150-2011《壓力容器》中對容器安全泄放量的計算作了如下規定[2]。

⑴ 盛裝壓縮氣體或水蒸氣的容器安全泄放量

① 對壓縮機貯氣罐和蒸汽罐等容器的安全泄放量，分別取該壓縮機和蒸汽發生器的最大產氣(汽)量；

② 氣體貯罐等的安全泄放量

Ws=2.83×10-3ρυd2

(1)

⑵ 換熱設備等產生蒸汽時的安全泄放量

(2)

⑶ 盛裝液化氣體的容器安全泄放量

① 介質為易燃液化氣體或位于有可能發生火災的環境下工作的非易燃液化氣體。

a) 無絕熱保溫層時的安全泄放量

(3)

b) 有完善的絕熱保溫層時的安全泄放量

(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——容器進料管內的流速，m/s;

d——容器進料管內徑，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，容器置于地面以下用沙土覆蓋時，F=0.3；容器置于地面上時，F=1.0；容器置于大于10L/ (m2·min)噴淋裝置下時，F=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—— 泄放壓力下介質的飽和溫度，℃

λ——常溫下絕熱材料的導熱系數，kJ/(m·h·℃)

δ——容器保溫層厚度，m。

② 介質為非易燃液化氣體的容器，置于無火災危險的環境下工作時，安全泄放量可根據有無保溫層，分別參照式(3)或式(4)計算，取不低于計算值的30%。

⑷ 因化學反應使氣體體積增大的容器，其安全泄放量應根據容器內化學反應可能生成的最大氣量及反應時間來確定。

5.2 最小泄放面積的計算

為了確保爆破片能及時排放高壓介質，對于物理超壓過程，選用的爆破片不應小于以下各式計算所得泄放面積[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，取λ=0.62或實測值

C——氣體的特性系數，由氣體特性系數圖查取或按下式計算：

P——爆破片的設計爆破壓力(絕對)，MPa；

P0——爆破片的泄放側壓力(絕對)，MPa；

k——氣體的絕熱指數，對于空氣,K=1.40；

M——氣體的分子量，即摩爾質量，kg/kmol；

Z——氣體的壓縮因子，對于空氣,Z=1.0；

T——容器設備內泄放氣體的絕對溫度，K；

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

ξ—— 液體動力黏度的校正系數；當液體黏度等于或小于水的黏度時，取ξ=1

ρ——液體密度，kg/m3；

△P—— 超壓爆破時，爆破片的內外壓力差；若泄放側為常壓，其值即取設計爆破壓力(表壓)，MPa。

6 實例

例1：設計一臺烴化反應罐，供對硝基氯苯與氫氧化鈉的乙醇溶液進行烴化反應使用。反應過程操作壓力穩定在

0.19～0.22MPa(G)，操作溫度穩定在84～88℃，且整個反應處于靠近爆炸極限的范圍，存在壓力快速增長的危險，故反應罐采用制造范圍為1.0級正拱普通型爆破片。試確定反應罐的設計壓力。

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

0.3143MPa(G)。

查表2，取正拱型爆破片標準制造范圍，上限為

+0.045MPa，下限為﹣0.025MPa。

由圖2可知，爆破片最大標定爆破壓力為0.3143+

0.045+1-0.0251=0.3843MPa(G)。由于反應罐設計壓力不低于最大標定爆破壓力，取反應罐設計壓力為0.39MPa(G)。

例2：某化工廠一空氣壓力儲罐設計壓力為0.9MPa(A)，設計溫度為65℃。儲罐上安裝了爆破片裝置，設計溫度下安全泄放量為8.21×105kg/h，設計爆破壓力為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格。

7 結語

爆破片是壓力設備上重要的安全附件，當設備內的壓力超過允許值時，爆破片能快速排放設備內的介質，及時降低壓力，確保設備安全。選用爆破片時，應根據介質情況、使用條件等因素合理選擇爆破片的型式，同時確定爆破片的爆破壓力，最后依據設計規范計算或校核爆破片的泄放面積及口徑，從而正確選型。

[1] 化學工業部.HG/T 20570.3-95 爆破片的設置和選用[S].北京：化工部工程建設標準編輯中心，1996.

[2] 質量監督檢驗檢疫總局. GB150.1-2011 壓力容器 第1部分：通用要求[S]. 北京:中國標準出版社,2011:20-21.

[3] 葛順源.爆破片選用與設計計算[J].化工設計與開發,1996(1):1-17.

(本文文獻格式：王一鳴.爆破片的設置、選型與計算[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，主要從事工程設計、咨詢工作。

TQ05

A

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