爆破片额定泄放能力的计算

2021-01-08王永贵

化工设计 2020年6期

王永贵

德希尼布化学工程(天津)有限公司上海分公司上海 200030

在石油化工生产中，反应器、塔、容器和管道等通常都是在一定压力下工作的，当生产装置开停工，以及在停水、停电等公用工程故障、火灾、误操作等非正常生产及紧急状态下，设备会发生超压，严重威胁着流体压力设备的安全运行，有时甚至会酿成重大灾难性事故。安全泄放是防止流体压力设备发生超压破坏的有效手段，将设备内压力限定在安全范围内。爆破片和安全阀是目前使用的两类主要的安全泄放装置。

爆破片技术自上世纪70年代引入我国，经过几十年来的技术研发和经验沉淀，这种流体压力设备防超压安全泄放技术已经得到了广泛应用。它与传统的安全阀技术相比，具有很多突出特点和优势，应用也十分广泛。爆破片是压力系统中人为设置的强度相对薄弱点，当系统超压时，爆破片破裂打开泄压，从而保护设备和管道。爆破片装置具有结构简单、灵敏、准确、快速、泄放能力强等优点，能够在高粘度、固体颗粒、腐蚀等恶劣环境下可靠地工作，广泛应用于石油、化工、轻工、冶金、核电等工业部门。

作为流体压力设备的主要安全泄放装置，安全阀与爆破片各有其优缺点。

安全阀和爆破片的泄放量计算方法是相同的，按照API520定义的超压工况进行逐一分析，计算每种工况的泄放量。安全阀的最大优点是具有自动复位功能，但密封性能差，其在释放压力保护设备方面具有维护简单、效率高等特点。爆破片最大优点是容易实现密封，可实现全密闭，成本低、动作灵敏、泄放面积大、维护简单；但其最大缺点是无自动复位功能，是一次性的，超压爆破后必须更换新的爆破片。

1 爆破片分类

爆破片分为正拱型爆破片和反拱型爆破片两大类，正拱型爆破片又分为普通正拱型爆破片、正拱开缝型爆破片、正拱带槽型爆破片；反拱型爆破片又分为反拱带刀型爆破片、反拱腭齿型爆破片、反拱带槽型爆破片。它们的使用和区别可以参考相关规范和书籍。

2 爆破片额定泄放能力的计算

爆破片的选型和尺寸的确定首先要确定被保护设备需要的泄放量，根据API520定义的超压工况进行逐一分析，计算每种工况的泄放量，确定主导泄放工况，然后进行爆破片尺寸的计算，选定爆破片的额定泄放能力必须大于泄放工况需要的安全泄放量。

2.1 泄放介质为气相的泄放能力计算

关于泄放介质为气体的泄放能力计算有两种方法，下面分别介绍。

2.1.1 计算方法一

基于渐缩喷管内等熵流动分析得出[1]，

(1)

(2)

(3)

式中，W为爆破片的泄放能力，kg/h；λ为额定泄放系数，取λ=0.62或由制造商提供；C为气体特性系数，查图或按公式(2)计算;P0为爆破片泄放侧压力(绝对压力)，MPa(A)；P为爆破片设计爆破压力(绝对压力)，MPa(A)；k为气体的绝热指数；A为爆破片的泄放面积，mm2；M为气体的分子量；T为泄放介质温度，K；Z为气体的压缩因子。

由于式(1)需要已知爆破片泄放侧压力，在实际计算中将泄放系统末端设备作为起始点，从后面分段计算压力降，直至爆破片出口。

2.1.2 计算方法二

对于泄放介质是可压缩流体，上述计算过程十分繁琐，所以本文推荐另一种流体阻力系数法[2]。

爆破片装置是装在与设备连接的管道上，爆破片装置的上下游肯定存在管道、弯头、三通、异径管和阀门等管道附件，爆破片装置将和其他管件一样对整个管路系统形成局部阻力，即流体在流经破裂的爆破片装置(包括爆破片和夹持器)时形成的速度损失。考虑到实际管件配置和测试装置的不一致性，故将计算公式乘以不大于0.9的数作为对该方法的修正。

(4)

式中，Y为膨胀系数；d为管道内径，in；K为总阻力系数；V1为体积密度，ft3/lb；dp为进出口压差，psi。

公式(4)物理量单位为英制单位,转化为国际单位可得到下面公式[3]:

(5)

式中，W为质量流量，kg/h；Y为膨胀系数；d为管道内径，mm；K为总阻力系数；V1为体积密度，m3/kg；dp为出口压差，bar；P1′为爆破片进口侧压力，bar(a)；P2′为爆破片出口侧压力，bar(a)。