某液氯儲罐爆破片選型計算

秦應鵬，張義萬

(泰安市質量技術檢驗檢測研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

在石油化工領域中，化工設備多為容器、反應釜、塔等裝置，通常都是在一定壓力下工作，在如火災等特殊工況下，設備壓力會急劇升高，極易產生爆炸或有毒介質泄漏等危害設備安全運行的嚴重后果。安全泄放裝置[1]是化工設備中的安全附件，其作用是在設備壓力升高時安全穩(wěn)定地泄放介質，達到降低壓力的目的。安全泄放裝置中最常見的是安全閥與爆破片，一般情況下，首先考慮選用符合要求的安全閥，但是安全閥有“關不嚴，打不開”的安全隱患，所以在壓力升高速度過快或者介質有雜質時，選擇爆破片或爆破片與安全閥聯(lián)合使用更安全。本文以液氯儲罐中爆破片為研究對象，進行其設計選型分析。

2 爆破片結構原理及其分類

爆破片[2]由爆破片元件與夾持器構成，其分類有多種方式，其中按產品外形可分為正拱形，反拱形，平板型。爆破片核心元件是一個金屬薄片，在整個壓力容器系統(tǒng)中，該薄片的強度最薄弱，但在正常工況中，不會破裂。當設備運行中遇到突發(fā)狀況導致其內部壓力不斷上升，最終達到爆破片預設的動作壓力時，爆破片薄片迅速破裂，為設備及時泄壓提供一個通道，與安全閥不同的是，安全閥在泄壓完畢后，在加載機構的作用下閥芯重新恢復到初始狀態(tài)，而爆破片在爆破完畢后無法復原，只能更換新的爆破片，爆破片結構原理[3]如圖1所示。

1.設備法蘭；2.夾持器；3.爆破片

首先介紹正拱形爆破片，其對壓力敏感的膜片是由液壓預壓成型，通過螺栓緊固在夾持器中，當爆破片被安裝在壓力容器中時，其凹側朝向壓力容器。金屬膜片處于彈性變形狀態(tài)，整個膜片受力不均，在其頂部受到最大拉應力，是膜片中最薄弱的位置。當壓力容器在特殊工況下，壓力快速上升時，壓力容器中介質壓力載荷作用在爆破片凹側，使爆破片兩側壓差不斷增加，金屬膜片應力由彈性極限升高到屈服極限，此時膜片開始產生塑性變形，其厚度開始迅速變薄，當應力繼續(xù)增加達到強度極限時，爆破片破裂，使壓力容器內壓力快速下降到安全壓力之下。反拱形爆破片爆破過程與正拱形爆破片大體一致，唯一不同之處在于，反拱形爆破片是凸起一側朝向壓力容器，在正常工作狀態(tài)下，其承受壓應力。當容器壓力達到爆破壓力時，凸起的膜片瞬間反轉破裂從而使設備內壓力迅速降低。平板型爆破片原理與上述兩種形式爆破片類似，在此不再贅述，本文以液氯儲罐為例，進行爆破片的選型分析。

3 爆破片選型影響因素

最常用的爆破片為正拱形與反拱形爆破片[4]。其中反拱形爆破片主要用于介質為氣相的場合，正拱形爆破片可用于氣液兩相的設備中，由于本文研究對象液氯儲罐中介質為氣液兩相，所以不能選擇反拱形而選擇正拱形。正拱形爆破片詳細分類如表1，由表可知，正拱帶槽型具有良好的抗疲勞性，爆破時無碎片且無火花。綜上所述，選取爆破片類型為正拱帶槽型，其代號為LC，該液氯儲罐最高允許使用溫度小于100℃，按照GB 567—2012要求，爆破片的材質選用鋁，其最小爆破壓力為1.25倍的儲罐工作壓力，根據(jù)液氯儲罐設計參數(shù)，經計算，最小爆破壓力值為0.4 MPa。

表1 正拱形爆破片類型

4 爆破片安全泄放量與最小泄放面積計算

在進行爆破片尺寸選型之前，首先計算該液氯儲罐的安全泄放量，其次求取保證安全泄放時的最小泄放面積，最終選出符合要求的爆破片[5]。

4.1 安全泄放量計算

根據(jù)GB 150—2011中對壓力容器安全泄放量的規(guī)定，介質相態(tài)不同安全泄放量的計算公式不同，液氯儲罐技術參數(shù)如表2。

表2 液氯儲罐技術參數(shù)

在計算安全泄放量時，應首先考慮最嚴苛的工況。液氯是一種具有強氧化性和劇毒的介質，雖然本身不可燃燒，但遇可燃物時可助燃，并能產生爆炸。根據(jù)相關法規(guī)規(guī)定，在無火災危險的環(huán)境中，安全泄放量比火災情況下的泄放量低30%左右，綜上所述，本節(jié)應在火災工況下計算安全泄放量，考慮到液氯儲罐有聚氨酯泡沫保溫，選取公式如下：

式中，t為在泄放壓力下的飽和氯氣溫度，取t=25℃；λ為常溫下聚氨酯泡沫的絕熱系數(shù)，取λ=0.1 kJ/(m·h·℃)；Ar為容器的受熱面積。

根據(jù)容器結構不同，計算公式不同，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=3.14D0h1，球形容器Ar=1.57D02，或從地面起到7.5 m高度以下所包括的外表面積，取兩者中較大值。D0為容器外直徑，L為容器總長。本文中的液氯儲罐為橢圓形封頭，根據(jù)表1中技術參數(shù)，計算Ar=94.6 m2。δ為聚氨酯泡沫保溫層厚度，取δ=0.05 m，q為在泄放壓力下液氯的汽化潛熱，查化學化工物性手冊，取q=249 kJ/kg。帶入以上數(shù)據(jù)，經計算Ws=546 kg/h。

4.2 安全泄放量計算

在液氯儲罐中單獨使用爆破片時，儲罐中飽和氯氣含量大于等于98%，且過熱度小于11℃，則根據(jù)GB 150—2011規(guī)定，最小泄放面積為：

式中，Ws為上節(jié)計算儲罐的安全泄放量；K為爆破片泄放系數(shù)，可取K=0.62；Pf為爆破片泄放壓力(絕對壓力)，取Pf=0.84 MPa，計算可得A=200 mm2，根據(jù)計算結果可選取制造廠家符合要求的爆破片型號。

爆破片單獨使用時，當出現(xiàn)容器超壓工況，爆破片迅速起爆，破裂后無法復原，且導致容器大量介質外泄，損失大量化工原料。在實際生產中，液氯儲罐通常采用爆破片與安全閥串聯(lián)使用[6]的方式，將爆破片安裝在安全閥入口側，不僅能夠避免超壓時液氯的流失，還可在正常工況下隔離安全閥與介質，防止在長期接觸中液氯對安全閥的腐蝕，導致安全閥失效。

為防止串聯(lián)爆破片后對安全閥泄放能力產生影響，根據(jù)GB 567.2—2012《爆破片安全裝置》標準中規(guī)定，液氯儲罐采用安全裝置聯(lián)合使用時，其安全泄放量應為單獨安裝爆破片時計算泄放量Ws除以組合校正系數(shù)0.9。最小泄放面積的計算，應首先求取液氯儲罐單獨安裝安全閥時的流道面積，在此基礎上選取爆破片的泄放面積，保證其面積不小于安全閥泄放面積。

5 結 語

爆破片作為化工裝備領域的安全泄放裝置，雖然其沒有安全閥應用普遍，但在某些特定環(huán)境中，爆破片具有不可代替的作用，尤其在壓力容器升壓過快，或是介質具有強腐蝕性，對安全閥密封性能產生影響時，爆破片是最合適的選擇。本文以液氯儲罐為例，參照相關標準，介紹了爆破片的計算選型工作，為相關設計人員的設計工作提供了一定的參考。