秦應(yīng)鵬，張義萬(wàn)

(泰安市質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，山東 泰安 271000)

1 前 言

在石油化工領(lǐng)域中，化工設(shè)備多為容器、反應(yīng)釜、塔等裝置，通常都是在一定壓力下工作，在如火災(zāi)等特殊工況下，設(shè)備壓力會(huì)急劇升高，極易產(chǎn)生爆炸或有毒介質(zhì)泄漏等危害設(shè)備安全運(yùn)行的嚴(yán)重后果。安全泄放裝置[1]是化工設(shè)備中的安全附件，其作用是在設(shè)備壓力升高時(shí)安全穩(wěn)定地泄放介質(zhì)，達(dá)到降低壓力的目的。安全泄放裝置中最常見(jiàn)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(guān)不嚴(yán)，打不開(kāi)”的安全隱患，所以在壓力升高速度過(guò)快或者介質(zhì)有雜質(zhì)時(shí)，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(chǔ)罐中爆破片為研究對(duì)象，進(jìn)行其設(shè)計(jì)選型分析。

2 爆破片結(jié)構(gòu)原理及其分類

爆破片[2]由爆破片元件與夾持器構(gòu)成，其分類有多種方式，其中按產(chǎn)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(gè)金屬薄片，在整個(gè)壓力容器系統(tǒng)中，該薄片的強(qiáng)度最薄弱，但在正常工況中，不會(huì)破裂。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行中遇到突發(fā)狀況導(dǎo)致其內(nèi)部壓力不斷上升，最終達(dá)到爆破片預(yù)設(shè)的動(dòng)作壓力時(shí)，爆破片薄片迅速破裂，為設(shè)備及時(shí)泄壓提供一個(gè)通道，與安全閥不同的是，安全閥在泄壓完畢后，在加載機(jī)構(gòu)的作用下閥芯重新恢復(fù)到初始狀態(tài)，而爆破片在爆破完畢后無(wú)法復(fù)原，只能更換新的爆破片，爆破片結(jié)構(gòu)原理[3]如圖1所示。

1.設(shè)備法蘭；2.夾持器；3.爆破片

首先介紹正拱形爆破片，其對(duì)壓力敏感的膜片是由液壓預(yù)壓成型，通過(guò)螺栓緊固在夾持器中，當(dāng)爆破片被安裝在壓力容器中時(shí)，其凹側(cè)朝向壓力容器。金屬膜片處于彈性變形狀態(tài)，整個(gè)膜片受力不均，在其頂部受到最大拉應(yīng)力，是膜片中最薄弱的位置。當(dāng)壓力容器在特殊工況下，壓力快速上升時(shí)，壓力容器中介質(zhì)壓力載荷作用在爆破片凹側(cè)，使爆破片兩側(cè)壓差不斷增加，金屬膜片應(yīng)力由彈性極限升高到屈服極限，此時(shí)膜片開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，其厚度開(kāi)始迅速變薄，當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，爆破片破裂，使壓力容器內(nèi)壓力快速下降到安全壓力之下。反拱形爆破片爆破過(guò)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(cè)朝向壓力容器，在正常工作狀態(tài)下，其承受壓應(yīng)力。當(dāng)容器壓力達(dá)到爆破壓力時(shí)，凸起的膜片瞬間反轉(zhuǎn)破裂從而使設(shè)備內(nèi)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(chǔ)罐為例，進(jìn)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(zhì)為氣相的場(chǎng)合，正拱形爆破片可用于氣液兩相的設(shè)備中，由于本文研究對(duì)象液氯儲(chǔ)罐中介質(zhì)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(xì)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(shí)無(wú)碎片且無(wú)火花。綜上所述，選取爆破片類型為正拱帶槽型，其代號(hào)為L(zhǎng)C，該液氯儲(chǔ)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(zhì)選用鋁，其最小爆破壓力為1.25倍的儲(chǔ)罐工作壓力，根據(jù)液氯儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)計(jì)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(jì)算

在進(jìn)行爆破片尺寸選型之前，首先計(jì)算該液氯儲(chǔ)罐的安全泄放量，其次求取保證安全泄放時(shí)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(jì)算

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

表2 液氯儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)

在計(jì)算安全泄放量時(shí)，應(yīng)首先考慮最嚴(yán)苛的工況。液氯是一種具有強(qiáng)氧化性和劇毒的介質(zhì)，雖然本身不可燃燒，但遇可燃物時(shí)可助燃，并能產(chǎn)生爆炸。根據(jù)相關(guān)法規(guī)規(guī)定，在無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)的環(huán)境中，安全泄放量比火災(zāi)情況下的泄放量低30%左右，綜上所述，本節(jié)應(yīng)在火災(zāi)工況下計(jì)算安全泄放量，考慮到液氯儲(chǔ)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(jié)構(gòu)不同，計(jì)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(zhǎng)。本文中的液氯儲(chǔ)罐為橢圓形封頭，根據(jù)表1中技術(shù)參數(shù)，計(jì)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(xué)化工物性手冊(cè)，取q=249 kJ/kg。帶入以上數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算Ws=546 kg/h。

4.2 安全泄放量計(jì)算

在液氯儲(chǔ)罐中單獨(dú)使用爆破片時(shí)，儲(chǔ)罐中飽和氯氣含量大于等于98%，且過(guò)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(jì)算儲(chǔ)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(duì)壓力)，取Pf=0.84 MPa，計(jì)算可得A=200 mm2，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可選取制造廠家符合要求的爆破片型號(hào)。

爆破片單獨(dú)使用時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)容器超壓工況，爆破片迅速起爆，破裂后無(wú)法復(fù)原，且導(dǎo)致容器大量介質(zhì)外泄，損失大量化工原料。在實(shí)際生產(chǎn)中，液氯儲(chǔ)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(cè)，不僅能夠避免超壓時(shí)液氯的流失，還可在正常工況下隔離安全閥與介質(zhì)，防止在長(zhǎng)期接觸中液氯對(duì)安全閥的腐蝕，導(dǎo)致安全閥失效。

為防止串聯(lián)爆破片后對(duì)安全閥泄放能力產(chǎn)生影響，根據(jù)GB 567.2—2012《爆破片安全裝置》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，液氯儲(chǔ)罐采用安全裝置聯(lián)合使用時(shí)，其安全泄放量應(yīng)為單獨(dú)安裝爆破片時(shí)計(jì)算泄放量Ws除以組合校正系數(shù)0.9。最小泄放面積的計(jì)算，應(yīng)首先求取液氯儲(chǔ)罐單獨(dú)安裝安全閥時(shí)的流道面積，在此基礎(chǔ)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(jié) 語(yǔ)

爆破片作為化工裝備領(lǐng)域的安全泄放裝置，雖然其沒(méi)有安全閥應(yīng)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(guò)快，或是介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性，對(duì)安全閥密封性能產(chǎn)生影響時(shí)，爆破片是最合適的選擇。本文以液氯儲(chǔ)罐為例，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，介紹了爆破片的計(jì)算選型工作，為相關(guān)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作提供了一定的參考。