爆破片的设置、选型与计算

爆破片的设置、选型与计算

爆破片是一种重要的压力泄放安全装置，广泛应用于化工、石油等行业的压力容器和管道系统中。本文详细介绍了爆破片的设置原则、分类、选型方法以及相关的计算方法，并通过具体实例说明了爆破片的选型和计算过程，对于从事相关行业的技术人员具有重要的参考价值。

1 爆破片的设置原则

相比于安全阀，爆破片具有结构简单、灵敏、可靠、经济、无泄漏、适应性强等优越性，满足下列情况之一应优先选用爆破片：

• 压力有可能迅速上升的；
• 泄放介质为含有颗粒、易沉淀、易结晶、易聚合和介质粘度较大；
• 泄放介质有强腐蚀性，使用安全阀时其价格很高；
• 工艺介质十分贵重或有剧毒，在工作过程中不允许有任何泄漏，应与安全阀串联使用；
• 工作压力很低或很高时，选用安全阀则其制造比较困难；
• 需要较大泄放面积。

此外对于一次性使用的管路系统，爆破片的破裂不影响操作和生产的场合，可设置爆破片。为减少爆破片破裂后的工艺介质的损失，可与安全阀串联使用。作为压力容器的附加安全设施，可与安全阀并联使用。为增加异常工况下的泄放面积，爆破片可并联使用。

经常超压的场合，爆破片不适用；温度波动很大的场合，不宜用爆破片。

2 爆破片的分类

• 正拱型金属爆破片装置(拉伸型金属爆破片装置)
  压力敏感元件呈正拱型。在安装时，拱的凹面处于压力系统的高压侧，动作时该元件发生破裂。

• 反拱型金属爆破片装置(压缩型金属爆破片装置)
  压力敏感元件呈反拱型。在安装时，拱的凸面处于压力系统的高压侧，动作时该元件发生压缩失稳，致使破裂或脱落。

3 爆破片的选型

爆破片型式确定应考虑以下因素：

• 压力：压力较高时，宜选用正拱型；压力较低时，宜选用正拱开缝型或反拱型；系统有可能出现真空或爆破片可能承受背压时，要配置背压托架；有循环压力或脉冲压力则选用反拱型。
• 温度：高温对金属材料和密封膜有影响。
• 使用场合：在安全阀前使用，爆破片爆破后不能有碎片；用于液体介质，不能选用反拱型爆破片。

4 爆破片的爆破压力

4.1 爆破压力允差

爆破压力允差见表1。

4.2 爆破片制造范围

爆破片的制造范围是设计爆破压力在制造时允许变动的压力幅度，须由供需双方协商确定。在制造范围内的标定爆破压力应符合爆破压力允差。

正拱型爆破片制造范围分为：1.0级；0.5级；0.25级。反拱型爆破片制造范围按设计爆破压力的百分数计算，分为：-10%，-5%和0。

4.3 爆破片的设计爆破压力

为了使爆破片获得最佳的寿命，每一种类型的爆破片都有规定的设备最高压力与最小标定爆破压力的比值，见表3。

对于新设计的压力容器，确定最高压力之后，根据所选择的爆破片型式和表3中的比值，确定爆破片的设计爆破压力。

根据GB150-2011《压力容器》中的相关规定，容器设计压力≥设计爆破压力+制造范围正偏差。

旧设备新安装爆破片，容器设计压力和最高压力已知时，按选定爆破片的制造范围确定设计爆破压力，查表3，确定合适的爆破片型式。

4.4 压力关系图

与爆破片相关的压力关系图，见图2所示。

图2表示了爆破片的最高压力(即被保护容器的最高压力)与爆破片设计、制造时的各类爆破压力的关系。

5 爆破片泄放量和最小泄放面积的计算

5.1 泄放量计算

GB150-2011《压力容器》中对容器安全泄放量的计算作了如下规定。

• 盛装压缩气体或水蒸气的容器安全泄放量

• 对压缩机贮气罐和蒸汽罐等容器的安全泄放量，分别取该压缩机和蒸汽发生器的最大产气(汽)量；

• 气体贮罐等的安全泄放量
  $$W_s=2.83×10^{-3}ρυd^2$$

• 换热设备等产生蒸汽时的安全泄放量

• 盛装液化气体的容器安全泄放量

• 介质为易燃液化气体或位于有可能发生火灾的环境下工作的非易燃液化气体。

• a) 无绝热保温层时的安全泄放量

• b) 有完善的绝热保温层时的安全泄放量

• 因化学反应使气体体积增大的容器，其安全泄放量应根据容器内化学反应可能生成的最大气量及反应时间来确定。

5.2 最小泄放面积的计算

为了确保爆破片能及时排放高压介质，对于物理超压过程，选用的爆破片不应小于以下各式计算所得泄放面积。

• 气体
  $$A=\frac{λWs}{C\sqrt{P_0}}$$

• 水蒸气
  $$A=\frac{λWs}{C_s\sqrt{P_0}}$$

• 液体
  $$A=\frac{λWs}{ξρ\sqrt{△P}}$$

式中：

• A——爆破片的最小泄放面积，mm2
• λ——额定泄放系数，取λ=0.62或实测值
• C——气体的特性系数，由气体特性系数图查取或按下式计算：
• P——爆破片的设计爆破压力(绝对)，MPa；
• P0——爆破片的泄放侧压力(绝对)，MPa；
• k——气体的绝热指数，对于空气,K=1.40；
• M——气体的分子量，即摩尔质量，kg/kmol；
• Z——气体的压缩因子，对于空气,Z=1.0；
• T——容器设备内泄放气体的绝对温度，K；
• Cs——水蒸气的特性系数，蒸汽压力小于16MPa的饱和蒸汽，Cs≈1；过热蒸汽特性系数随过热温度增加而减小；
• ξ—— 液体动力黏度的校正系数；当液体黏度等于或小于水的黏度时，取ξ=1
• ρ——液体密度，kg/m3；
• △P—— 超压爆破时，爆破片的内外压力差；若泄放侧为常压，其值即取设计爆破压力(表压)，MPa。

6 实例

例1

设计一台烃化反应罐，供对硝基氯苯与氢氧化钠的乙醇溶液进行烃化反应使用。反应过程操作压力稳定在0.19～0.22MPa(G)，操作温度稳定在84～88℃，且整个反应处于靠近爆炸极限的范围，存在压力快速增长的危险，故反应罐采用制造范围为1.0级正拱普通型爆破片。试确定反应罐的设计压力。

由表3可知，设备最高压力与最小标定爆破压力之比为70%，从而得到爆破片最小标定爆破压力为0.22/70%=0.3143MPa(G)。

查表2，取正拱型爆破片标准制造范围，上限为+0.045MPa，下限为﹣0.025MPa。

由图2可知，爆破片最大标定爆破压力为0.3143+0.045+1-0.0251=0.3843MPa(G)。由于反应罐设计压力不低于最大标定爆破压力，取反应罐设计压力为0.39MPa(G)。

例2

某化工厂一空气压力储罐设计压力为0.9MPa(A)，设计温度为65℃。储罐上安装了爆破片装置，设计温度下安全泄放量为8.21×105kg/h，设计爆破压力为0.8MPa(A)。已知z=1，k=1.4，M=29kg/kmol。试确定爆破片泄放面积及规格。

7 结语

爆破片是压力设备上重要的安全附件，当设备内的压力超过允许值时，爆破片能快速排放设备内的介质，及时降低压力，确保设备安全。选用爆破片时，应根据介质情况、使用条件等因素合理选择爆破片的型式，同时确定爆破片的爆破压力，最后依据设计规范计算或校核爆破片的泄放面积及口径，从而正确选型。

参考文献：

[1] 化学工业部.HG/T 20570.3-95 爆破片的设置和选用[S].北京：化工部工程建设标准编辑中心，1996.

[2] 质量监督检验检疫总局. GB150.1-2011 压力容器 第1部分：通用要求[S]. 北京:中国标准出版社,2011:20-21.

[3] 葛顺源.爆破片选用与设计计算[J].化工设计与开发,1996(1):1-17.

(本文文献格式：王一鸣.爆破片的设置、选型与计算[J].山东化工，2016，45(02)：99-102.)