爆破片額定泄放能力的計(jì)算

王永貴

德希尼布化學(xué)工程(天津)有限公司上海分公司 上海 200030

在石油化工生產(chǎn)中，反應(yīng)器、塔、容器和管道等通常都是在一定壓力下工作的，當(dāng)生產(chǎn)裝置開停工，以及在停水、停電等公用工程故障、火災(zāi)、誤操作等非正常生產(chǎn)及緊急狀態(tài)下，設(shè)備會(huì)發(fā)生超壓，嚴(yán)重威脅著流體壓力設(shè)備的安全運(yùn)行，有時(shí)甚至?xí)劤芍卮鬄?zāi)難性事故。安全泄放是防止流體壓力設(shè)備發(fā)生超壓破壞的有效手段，將設(shè)備內(nèi)壓力限定在安全范圍內(nèi)。爆破片和安全閥是目前使用的兩類主要的安全泄放裝置。

爆破片技術(shù)自上世紀(jì)70年代引入我國(guó)，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的技術(shù)研發(fā)和經(jīng)驗(yàn)沉淀，這種流體壓力設(shè)備防超壓安全泄放技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。它與傳統(tǒng)的安全閥技術(shù)相比，具有很多突出特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用也十分廣泛。爆破片是壓力系統(tǒng)中人為設(shè)置的強(qiáng)度相對(duì)薄弱點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)超壓時(shí)，爆破片破裂打開泄壓，從而保護(hù)設(shè)備和管道。爆破片裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏、準(zhǔn)確、快速、泄放能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在高粘度、固體顆粒、腐蝕等惡劣環(huán)境下可靠地工作，廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工、冶金、核電等工業(yè)部門。

作為流體壓力設(shè)備的主要安全泄放裝置，安全閥與爆破片各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

安全閥和爆破片的泄放量計(jì)算方法是相同的，按照API520定義的超壓工況進(jìn)行逐一分析，計(jì)算每種工況的泄放量。安全閥的最大優(yōu)點(diǎn)是具有自動(dòng)復(fù)位功能，但密封性能差，其在釋放壓力保護(hù)設(shè)備方面具有維護(hù)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)。 爆破片最大優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)密封，可實(shí)現(xiàn)全密閉，成本低、動(dòng)作靈敏、泄放面積大、維護(hù)簡(jiǎn)單；但其最大缺點(diǎn)是無(wú)自動(dòng)復(fù)位功能，是一次性的，超壓爆破后必須更換新的爆破片。

1 爆破片分類

爆破片分為正拱型爆破片和反拱型爆破片兩大類，正拱型爆破片又分為普通正拱型爆破片、正拱開縫型爆破片、正拱帶槽型爆破片；反拱型爆破片又分為反拱帶刀型爆破片、反拱腭齒型爆破片、反拱帶槽型爆破片。它們的使用和區(qū)別可以參考相關(guān)規(guī)范和書籍。

2 爆破片額定泄放能力的計(jì)算

爆破片的選型和尺寸的確定首先要確定被保護(hù)設(shè)備需要的泄放量，根據(jù)API520定義的超壓工況進(jìn)行逐一分析，計(jì)算每種工況的泄放量，確定主導(dǎo)泄放工況，然后進(jìn)行爆破片尺寸的計(jì)算，選定爆破片的額定泄放能力必須大于泄放工況需要的安全泄放量。

2.1 泄放介質(zhì)為氣相的泄放能力計(jì)算

關(guān)于泄放介質(zhì)為氣體的泄放能力計(jì)算有兩種方法，下面分別介紹。

2.1.1 計(jì)算方法一

基于漸縮噴管內(nèi)等熵流動(dòng)分析得出[1]，

(1)

(2)

(3)

式中，W為爆破片的泄放能力，kg/h；λ為額定泄放系數(shù)，取λ=0.62或由制造商提供；C為氣體特性系數(shù)，查圖或按公式(2)計(jì)算;P0為爆破片泄放側(cè)壓力(絕對(duì)壓力)，MPa(A)；P為爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力(絕對(duì)壓力)，MPa(A)；k為氣體的絕熱指數(shù)；A為爆破片的泄放面積，mm2；M為氣體的分子量；T為泄放介質(zhì)溫度，K；Z為氣體的壓縮因子。

由于式(1)需要已知爆破片泄放側(cè)壓力，在實(shí)際計(jì)算中將泄放系統(tǒng)末端設(shè)備作為起始點(diǎn)，從后面分段計(jì)算壓力降，直至爆破片出口。

2.1.2 計(jì)算方法二

對(duì)于泄放介質(zhì)是可壓縮流體，上述計(jì)算過(guò)程十分繁瑣，所以本文推薦另一種流體阻力系數(shù)法[2]。

爆破片裝置是裝在與設(shè)備連接的管道上，爆破片裝置的上下游肯定存在管道、彎頭、三通、異徑管和閥門等管道附件，爆破片裝置將和其他管件一樣對(duì)整個(gè)管路系統(tǒng)形成局部阻力，即流體在流經(jīng)破裂的爆破片裝置(包括爆破片和夾持器)時(shí)形成的速度損失?？紤]到實(shí)際管件配置和測(cè)試裝置的不一致性，故將計(jì)算公式乘以不大于0.9的數(shù)作為對(duì)該方法的修正。

(4)

式中，Y為 膨脹系數(shù)；d為管道內(nèi)徑，in；K為總阻力系數(shù)；V1為體積密度，ft3/lb；dp為進(jìn)出口壓差，psi。

公式(4)物理量單位為英制單位,轉(zhuǎn)化為國(guó)際單位可得到下面公式[3]:

(5)

式中，W為質(zhì)量流量，kg/h；Y為 膨脹系數(shù)；d為管道內(nèi)徑，mm；K為總阻力系數(shù) ；V1為體積密度，m3/kg；dp為出口壓差，bar；P1′為爆破片進(jìn)口側(cè)壓力，bar(a)；P2′為爆破片出口側(cè)壓力，bar(a)。

2.1.3 計(jì)算實(shí)例

某介質(zhì)精餾塔設(shè)計(jì)壓力為3bar(G)，爆破片爆破壓力為3bar(G)，泄放介質(zhì)為氣相(絕熱指數(shù)k=1.4, V1=0.162 m3/kg)，操作溫度為80℃，需要泄放量為8500kg/h, 泄放背壓為1bar(A)，泄放管道管徑為DN100，求爆破片破裂時(shí)的額定泄放能力。

(1)確定管道系統(tǒng)總阻力系數(shù)K。管路系統(tǒng)流體阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 管路系統(tǒng)流體阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 臨界狀態(tài)極限系數(shù)

對(duì)于亞臨界流動(dòng)的流體，Y值可查圖1確定。

圖1 膨脹系數(shù)Y與Δp/的關(guān)系曲線

2.2 泄放介質(zhì)為液相的泄放能力計(jì)算

2.2.1 計(jì)算方法一

泄放介質(zhì)為液體時(shí)爆破片的泄放能力可由下式計(jì)算：

(6)

2.2.2 計(jì)算方法二

泄放介質(zhì)為液體時(shí)，還有另外一種計(jì)算方法，即基于伯努利方程的流動(dòng)阻力系數(shù)法。

(7)

圖2 雷諾數(shù)Re與校正系數(shù)ε的關(guān)系

式中，W為質(zhì)量流量，kg/h；d為管道內(nèi)徑，mm；ΔP為管路起止點(diǎn)壓差，bar；ρ為液體密度，kg/m3；K為管路系統(tǒng)總阻力系數(shù)。

計(jì)算液體泄放時(shí)，計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，這里不舉例介紹了。

3 結(jié)語(yǔ)

爆破片在石油化工和精細(xì)化工行業(yè)雖然沒有安全閥應(yīng)用廣泛，但它在特有場(chǎng)合也無(wú)可替代。關(guān)于爆破片的計(jì)算、設(shè)計(jì)和選型，國(guó)內(nèi)的規(guī)范涉及較少，詳細(xì)的計(jì)算需要參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，本文介紹了氣體和液體兩種介質(zhì)的計(jì)算方法，可根據(jù)實(shí)際已知參數(shù)選擇適合的計(jì)算方法。