爆破片装置流阻特性试验研究

李亭 汪静 李东铭 黄栋渠 张玉祯

摘 要：爆破片装置额定泄放量计算方法有泄放系数法和流体阻力系数法，其中流体阻力系数通常需要试验测定。本文设计了水力试验系统并开展了爆破片装置流阻特性试验研究，为爆破片装置工程设计和选用提供参考。

关键词：爆破片装置;流阻特性;泄放量

1引言

泄放量是爆破片装置的重要性能指标。压力容器设计规范规定[1]，一旦容器发生超压泄放，泄放装置的泄放量应大于或等于容器的安全泄放量，以保证容器安全。因此准确地确定爆破片装置的泄放量是非常重要的。ASME规范Ⅷ-1卷[2]UG125-UG137中规定，爆破片装置作为单独泄放装置时其额定泄放量计算方法有泄放系数法和流体阻力系数法。泄放系数法计算简单，但其使用受到很多条件限制;流体阻力系数法任何管路泄压系统排放量计算，其前提是需要知道所有管件的流体阻力系数[3]。爆破片装置阻力系数是一个无量纲数，用于计算压力泄放系统中因爆破片装置引起的速度损失。本文爆破片装置结构较为复杂（见图1），整个流体域没有发展成充分稳定段，用经验公式分段计算流阻系数有较大偏差。GB567.4-2012[4]规定了爆破片流阻系数测量的方法和要求，故本文参照GB567.4-2012开展试验，对爆破片装置的阻力特性进行研究。

2流阻试验设计

2.1试验件及试验回路

试验测量的爆破片装置为原型等比例模型，试验模型结构如图1所示，爆破片装置主要由内壳体和爆破片组件（含夹持器和爆破膜片等）、外壳体组件等组成。介质在内壳体中超压引起爆破膜片爆破后，从爆破片破口处流出，经外壳体排放管释放。

试验装置由水力回路系统、电气系统和测控系统组成。水力回路系统主要由主泵、稳压器、流量计、试验段和相关阀门管道组成。电气系统包括水泵电机和变频器。主泵电机400kW，可变频调速。测控系统包括各类测量仪表、采集系统和控制系统。

爆破片装置水平放置固定在支架上，支架放置于地面。固定后，爆破片距地面约1.3m，安装完成后的试验本体及装置状态见图2。

试验用爆破片组件共2件，爆破膜片为反拱开槽型，爆破片在设计爆破压力下爆破，开度不低于85%，其外形如图3所示。爆破件组件安装完成后，对试验段充水进行检漏，试验段无泄漏。

试验段的流量通过主泵变频器进行调节，由DN300涡轮流量计测量。回路压力由压力传感器测量，爆破片装置进出口压差由差压变送器测量。流量、温度、压力、压差信号均接入数采系统，可进行在线监测和采集存储。

2.2试验参数

结合以往的爆破片流阻试验经验和数值模拟结果，试验工况按回路最大运行工况预计，同时考虑防止出现爆破片形变和气蚀，试验段内部压力和水流冲击力不宜过高，将试验最大流量Q初步定为1000m3/h（该最大工况为预估值，实际试验中以确保流道形状不发生改变、不发生气蚀前提下试验回路能达到的最大工况为准）。试验时为了避免爆破片形变带来的阻力系数变化，试验测量分为两个流量阶段，并分别测量正反行程，试验流量由小到大（从300m3/h逐步升至1000m3/h，正行程），再由大到小（从1000m3/h逐步降至300m3/h，反行程），待试验流量稳定后记录数据。试验时，保持流量控制在Q±2%的范围内。

2.3试验数据处理

3试验结果与分析

通过试验获得了爆破片装置不同流量下的壓降值，经数据分析处理得到了阻力系数。1#爆破片装置阻力系数随Re数的变化曲线见图4。

由图4可知，1#爆破片在300～700m3/h正反行程阻力系数符合良好，阻力系数范围为3.14～3.59，阻力系数随雷诺数增大而减小，并趋于平缓。当流量达到700m3/h，雷诺数Re>06时，阻力系数变化已经小于1%，可以认为阻力系数已进入自模区，大小为3.16。

随着流量继续增加大于800m3/h后，阻力系数下降明显，曲线趋势与800m3/h前形成显著差异;反行程流量下降后，阻力系数明显小于正行程;继续降低流量，阻力系数仍显著低于第一阶段正反行程阻力系数值，因此可以推断，当流量大于800m3/h时，爆破片破口进一步扩大，流通面积发生变化，阻力特性发生改变。

2#爆破片阻力系数在整个试验的雷诺数范围已基本自模，阻力系数几乎不变，自模后阻力系数取各点平均值，大小为3.16。

4结论

本文参照GB567.4-2012建立了爆破片装置流阻特性测试系统，对爆破后的爆破片装置开展了流阻特性试验，得到以下结论：

（1）试验结果表明，在300～700m3/h正反行程阻力系数符合良好，阻力系数范围为3.16～3.59，阻力系数随雷诺数增大而减小，并趋于平缓。当流量达到700m3/h，雷诺数Re>106时，阻力系数变化已经小于1%，可以认为阻力系数已进入自模区，大小为3.16。

（2）当流量大于800m3/h时，爆破片破口进一步扩大，流通面积发生变化，阻力特性发生改变。

参考文献：

[1] GB150.1-2011。压力容器 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] 吴全龙。爆破片装置泄放量计算方法探讨[J]。化工机械，2012，39（2）：180-182

[4] GB567.4-2012。爆破片安全装置 第4部分：型式试验[S]。

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