某液氯储罐爆破片选型计算

秦应鹏，张义万

(泰安市质量技术检验检测研究院，山东 泰安 271000)

1 前 言

在石油化工领域中，化工设备多为容器、反应釜、塔等装置，通常都是在一定压力下工作，在如火灾等特殊工况下，设备压力会急剧升高，极易产生爆炸或有毒介质泄漏等危害设备安全运行的严重后果。安全泄放装置[1]是化工设备中的安全附件，其作用是在设备压力升高时安全稳定地泄放介质，达到降低压力的目的。安全泄放装置中最常见的是安全阀与爆破片，一般情况下，首先考虑选用符合要求的安全阀，但是安全阀有“关不严，打不开”的安全隐患，所以在压力升高速度过快或者介质有杂质时，选择爆破片或爆破片与安全阀联合使用更安全。本文以液氯储罐中爆破片为研究对象，进行其设计选型分析。

2 爆破片结构原理及其分类

爆破片[2]由爆破片元件与夹持器构成，其分类有多种方式，其中按产品外形可分为正拱形，反拱形，平板型。爆破片核心元件是一个金属薄片，在整个压力容器系统中，该薄片的强度最薄弱，但在正常工况中，不会破裂。当设备运行中遇到突发状况导致其内部压力不断上升，最终达到爆破片预设的动作压力时，爆破片薄片迅速破裂，为设备及时泄压提供一个通道，与安全阀不同的是，安全阀在泄压完毕后，在加载机构的作用下阀芯重新恢复到初始状态，而爆破片在爆破完毕后无法复原，只能更换新的爆破片，爆破片结构原理[3]如图1所示。

1.设备法兰；2.夹持器；3.爆破片

首先介绍正拱形爆破片，其对压力敏感的膜片是由液压预压成型，通过螺栓紧固在夹持器中，当爆破片被安装在压力容器中时，其凹侧朝向压力容器。金属膜片处于弹性变形状态，整个膜片受力不均，在其顶部受到最大拉应力，是膜片中最薄弱的位置。当压力容器在特殊工况下，压力快速上升时，压力容器中介质压力载荷作用在爆破片凹侧，使爆破片两侧压差不断增加，金属膜片应力由弹性极限升高到屈服极限，此时膜片开始产生塑性变形，其厚度开始迅速变薄，当应力继续增加达到强度极限时，爆破片破裂，使压力容器内压力快速下降到安全压力之下。反拱形爆破片爆破过程与正拱形爆破片大体一致，唯一不同之处在于，反拱形爆破片是凸起一侧朝向压力容器，在正常工作状态下，其承受压应力。当容器压力达到爆破压力时，凸起的膜片瞬间反转破裂从而使设备内压力迅速降低。平板型爆破片原理与上述两种形式爆破片类似，在此不再赘述，本文以液氯储罐为例，进行爆破片的选型分析。

3 爆破片选型影响因素

最常用的爆破片为正拱形与反拱形爆破片[4]。其中反拱形爆破片主要用于介质为气相的场合，正拱形爆破片可用于气液两相的设备中，由于本文研究对象液氯储罐中介质为气液两相，所以不能选择反拱形而选择正拱形。正拱形爆破片详细分类如表1，由表可知，正拱带槽型具有良好的抗疲劳性，爆破时无碎片且无火花。综上所述，选取爆破片类型为正拱带槽型，其代号为LC，该液氯储罐最高允许使用温度小于100℃，按照GB 567—2012要求，爆破片的材质选用铝，其最小爆破压力为1.25倍的储罐工作压力，根据液氯储罐设计参数，经计算，最小爆破压力值为0.4 MPa。

表1 正拱形爆破片类型

4 爆破片安全泄放量与最小泄放面积计算

在进行爆破片尺寸选型之前，首先计算该液氯储罐的安全泄放量，其次求取保证安全泄放时的最小泄放面积，最终选出符合要求的爆破片[5]。

4.1 安全泄放量计算

根据GB 150—2011中对压力容器安全泄放量的规定，介质相态不同安全泄放量的计算公式不同，液氯储罐技术参数如表2。

表2 液氯储罐技术参数

在计算安全泄放量时，应首先考虑最严苛的工况。液氯是一种具有强氧化性和剧毒的介质，虽然本身不可燃烧，但遇可燃物时可助燃，并能产生爆炸。根据相关法规规定，在无火灾危险的环境中，安全泄放量比火灾情况下的泄放量低30%左右，综上所述，本节应在火灾工况下计算安全泄放量，考虑到液氯储罐有聚氨酯泡沫保温，选取公式如下：

式中，t为在泄放压力下的饱和氯气温度，取t=25℃；λ为常温下聚氨酯泡沫的绝热系数，取λ=0.1 kJ/(m·h·℃)；Ar为容器的受热面积。

根据容器结构不同，计算公式不同，半球形封头的卧式容器，Ar=3.14D0L，椭圆形封头的卧式容器Ar=3.14D0(L+0.3D0)，立式容器Ar=3.14D0h1，球形容器Ar=1.57D02，或从地面起到7.5 m高度以下所包括的外表面积，取两者中较大值。D0为容器外直径，L为容器总长。本文中的液氯储罐为椭圆形封头，根据表1中技术参数，计算Ar=94.6 m2。δ为聚氨酯泡沫保温层厚度，取δ=0.05 m，q为在泄放压力下液氯的汽化潜热，查化学化工物性手册，取q=249 kJ/kg。带入以上数据，经计算Ws=546 kg/h。

4.2 安全泄放量计算

在液氯储罐中单独使用爆破片时，储罐中饱和氯气含量大于等于98%，且过热度小于11℃，则根据GB 150—2011规定，最小泄放面积为：

式中，Ws为上节计算储罐的安全泄放量；K为爆破片泄放系数，可取K=0.62；Pf为爆破片泄放压力(绝对压力)，取Pf=0.84 MPa，计算可得A=200 mm2，根据计算结果可选取制造厂家符合要求的爆破片型号。

爆破片单独使用时，当出现容器超压工况，爆破片迅速起爆，破裂后无法复原，且导致容器大量介质外泄，损失大量化工原料。在实际生产中，液氯储罐通常采用爆破片与安全阀串联使用[6]的方式，将爆破片安装在安全阀入口侧，不仅能够避免超压时液氯的流失，还可在正常工况下隔离安全阀与介质，防止在长期接触中液氯对安全阀的腐蚀，导致安全阀失效。

为防止串联爆破片后对安全阀泄放能力产生影响，根据GB 567.2—2012《爆破片安全装置》标准中规定，液氯储罐采用安全装置联合使用时，其安全泄放量应为单独安装爆破片时计算泄放量Ws除以组合校正系数0.9。最小泄放面积的计算，应首先求取液氯储罐单独安装安全阀时的流道面积，在此基础上选取爆破片的泄放面积，保证其面积不小于安全阀泄放面积。

5 结 语

爆破片作为化工装备领域的安全泄放装置，虽然其没有安全阀应用普遍，但在某些特定环境中，爆破片具有不可代替的作用，尤其在压力容器升压过快，或是介质具有强腐蚀性，对安全阀密封性能产生影响时，爆破片是最合适的选择。本文以液氯储罐为例，参照相关标准，介绍了爆破片的计算选型工作，为相关设计人员的设计工作提供了一定的参考。