爆破片设置、选型和计算
依据化工行业标准工艺系统工程设计技术规定HGT20570.3-95爆破片的设置和选用。
爆破片是由爆破片、夹持器、真空托架等零件装配组成的一种压力泄放安全装置。当设备或管道压力突然升高,爆破片两侧压力差达到预定温度下的预定值时,爆破片即会破裂,排出高压介质,从而防止设备或管道破裂。
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。
1.1 压力有可能迅速上升；
1.2 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;
1.3 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;
1.4 工作压力很低或很高时，选用安全阀则其制造比较困难;
1.5 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
2.1 正拱型金属爆破片(拉伸型金属爆破片装置)
压力敏感元件呈正拱型，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。
2.2 反拱型金属爆破片(压缩型金属爆破片装置)
压力敏感元件呈反拱型，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。
图1金属爆破片装置类型
3、爆破片的选型
爆破片型式确定应考虑以下因素:
3.1 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。
3.2 温度:高温对金属材料和密封膜有影响。
3.3 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:标准;1/2标准;1/4标准级。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。
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,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。
5、爆破片泄放量和最小泄放面积的计算
安全泄放量并不是指爆炸工况下的泄放量。当操作环境达到爆炸极限，遇明火发生的爆炸是爆破片无法保护和消除的。
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。
(1) 盛装压缩气体或水蒸气的容器安全泄放量
① 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;
② 气体贮罐等的安全泄放量
Ws=2.83ρud²/1000(1)
(2) 换热设备等产生蒸汽时的安全泄放量
Ws=H/q(2)
(3) 盛装液化气体的容器安全泄放量
① 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
式(1)~(4)中:Ws-容器的安全泄放量,kg/h;
ρ-泄放压力下气体的密度,kg/m³;
u-容器进料管内的流速,m/s;
d-容器进料管内径,mm;
H-输入热量,kJ/h;
q-在泄放压力下,液体的汽化潜热,kJ/kg;
F-系数,容器置于地面以下用沙土覆盖时,F=0.3;
容器置于地面上时,F=1.0;容器置于大于10L/(m²・min)喷淋装置下时,F=0.6;
Ar-容器受热面积,m²;
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=3.14D₀h;
球形容器Ar=1.57D₀或从地面起到7.5m高度以下所包括的外表面积,取两者中较大值;
t-泄放压力下介质的饱和温度,℃；
λ-常温下绝热材料的导热系数,kJ/(m・h・℃)；
δ-容器保温层厚度,m。
② 介质为非易燃液化气体的容器,置于无火灾危险的环境下工作时,安全泄放量可根据有无保温层,分别参照式(3)或式(4)计算,取不低于计算值的30%。
(4)因化学反应使气体体积増大的容器,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。
①气体
②水蒸气
③液体
式(5)-(7)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;若泄放侧常压,其值即取设计爆破压力(表压),MPa。
