壓力容器與爆破片特性壓力關(guān)系探討

吳全龍

(上海華理安全裝備有限公司，上海 201108)

0 引言

爆破片裝置是由壓力差驅(qū)動、非重閉式緊急泄壓裝置，常用來防止壓力容器、壓力管道或其他密閉空間出現(xiàn)超壓或過度真空。只有正確理解壓力容器與爆破片各特性壓力之間的關(guān)系，才能合理選擇適合具體工況的爆破片結(jié)構(gòu)型式、科學(xué)確定爆破片各性能參數(shù)，從而既保證容器的安全又能最大限度不影響正常生產(chǎn)。

對于壓力容器，與爆破片選用相關(guān)的特性壓力主要有:設(shè)計壓力(或最高允許工作壓力)、最大允許積聚壓力、最高工作壓力;對爆破片，與所保護(hù)的容器相關(guān)的特性壓力主要有:設(shè)計爆破壓力、最高標(biāo)定爆破壓力、最低標(biāo)定爆破壓力、最大爆破壓力、最小爆破壓力、最大泄放壓力。

1 爆破片各特性壓力之間的關(guān)系

體現(xiàn)爆破片性能的特性壓力較多，設(shè)計人員在選用爆破片時一定要正確理解各個特性壓力的含義及其相互之間的關(guān)系。爆破片設(shè)計爆破壓力和爆破片標(biāo)定爆破壓力是兩個常見的壓力參數(shù)，其概念較容易混淆，應(yīng)該注意加以區(qū)分，見圖1。

圖1 爆破片各特性壓力關(guān)系

爆破片設(shè)計爆破壓力是根據(jù)容器的工作條件和相應(yīng)的安全技術(shù)規(guī)范設(shè)定的，在設(shè)計爆破溫度下爆破片的爆破壓力值，是容器設(shè)計人員初始選擇爆破片時根據(jù)所需保護(hù)設(shè)備的工況條件確定的爆破片爆破壓力，是一個理論值。它相當(dāng)于安全閥的整定壓力，兩者在GB 150附錄B中統(tǒng)稱為動作壓力，是泄壓裝置所有壓力參數(shù)中最基本的一個，其他壓力都是圍繞它來展開的。

標(biāo)定爆破壓力是指標(biāo)注在爆破片銘牌上的爆破壓力值，可能是在規(guī)定的設(shè)計(或許可試驗(yàn))爆破溫度下，同一批次爆破片抽樣爆破試驗(yàn)時，實(shí)測爆破壓力的算術(shù)平均值，也可能是設(shè)計爆破壓力值(制造范圍為零時);是由制造廠家根據(jù)爆破片實(shí)際試驗(yàn)的情況確定的某批次爆破片爆破壓力的平均值，比設(shè)計爆破壓力更能真實(shí)體現(xiàn)該批次爆破片的壓力性能，通常也是出現(xiàn)在爆破片產(chǎn)品銘牌上的值。標(biāo)定爆破壓力應(yīng)分布在選定的制造范圍(一個批次爆破片標(biāo)定爆破壓力相對于設(shè)計爆破壓力差值的允許分布范圍)之內(nèi)。

設(shè)計爆破壓力與制造范圍下限的代數(shù)和為最低標(biāo)定爆破壓力;設(shè)計爆破壓力與制造范圍上限的代數(shù)和為最高標(biāo)定爆破壓力。通常根據(jù)最低標(biāo)定爆破壓力和爆破片操作比來確定容器的最大工作壓力;根據(jù)最高標(biāo)定爆破壓力來確定容器的設(shè)計壓力。

最大(最小)爆破壓力是指設(shè)計爆破壓力與制造范圍和爆破壓力允差的代數(shù)和。

爆破片各特性壓力之間關(guān)系如圖1所示。

2 容器最大允許積聚壓力(或者超壓限度)與容器設(shè)計壓力之間的關(guān)系

在容器因超壓導(dǎo)致爆破片動作后，容器實(shí)際壓力可能會超過爆破片的最高標(biāo)定爆破壓力(大多數(shù)情況下，爆破片最高標(biāo)定爆破壓力接近于容器設(shè)計壓力)。容器最大允許積聚壓力就是指容器在泄壓裝置(安全閥、爆破片裝置等)動作時設(shè)備內(nèi)短期允許達(dá)到的最大壓力，是針對壓力容器在泄壓裝置動作后最大承載能力提出的壓力指標(biāo)，不能隨便用于正常操作工況。該壓力相對于容器設(shè)計壓力的增量部分，稱之為超壓限度。考慮到國內(nèi)習(xí)慣，以下敘述中采用超壓限度。

超壓限度的大小除了與超壓事故種類有關(guān)外，還與泄壓裝置的設(shè)置數(shù)量和設(shè)置目的有關(guān)。美國 ASME Ⅷ －1［1］(2010中文版，以下同)UG －125 及我國GB 150［2］(1998 版，以下同)附錄B 中對于不同的超壓事故(操作事故和火災(zāi)事故)工況泄壓裝置動作后規(guī)定了不同的超壓限度。表1對 GB 150 附錄 B、ASME Ⅷ － 1、ASME Ⅻ［3］(2004版)關(guān)于壓力容器超壓限度的規(guī)定進(jìn)行了對比。

表1 GB 150附錄B與ASMEⅧ－1，ASMEⅫ關(guān)于超壓限度對比

可看出，與ASMEⅧ－1相比GB 150(1998版)附錄B規(guī)定偏保守，但在新修訂的2010版GB 150(已處于報批階段)中已將超壓限度放大至同一水平。ASMEⅫ規(guī)定，對于移動式壓力容器，在任何情況下泄壓裝置動作后，容器超壓限度都不應(yīng)超過容器最高允許工作壓力的21%。

爆破片裝置動作后容器超壓限度的限定是對爆破片裝置的最根本要求，其他所有規(guī)定，包括爆破片設(shè)計爆破壓力、泄放壓力、爆破片裝置泄放尺寸、泄壓裝置泄放能力計算等，均不能違反這一限定，是綱與目的關(guān)系。換句話說，超壓限度是衡量爆破片裝置性能的一個最重要技術(shù)指標(biāo)，無論其泄放尺寸、動作壓力如何選擇，最終在泄放時必須滿足超壓限度的要求。

3 爆破片設(shè)計爆破壓力(或最高標(biāo)定爆破壓力)與容器設(shè)計壓力之間的關(guān)系

在確定爆破片技術(shù)指標(biāo)時，設(shè)計爆破壓力是一個特別重要的性能參數(shù)，該參數(shù)選擇高了爆破片不能起到安全保護(hù)的效果，選擇低了容易出現(xiàn)非正常爆破從而影響生產(chǎn)。

《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(2009版)［4］對爆破片設(shè)計爆破壓力的確定作了較為原則的規(guī)定，即爆破片裝置的設(shè)計爆破壓力不得大于容器的設(shè)計壓力，并且爆破片的最小設(shè)計爆破壓力不得小于容器的工作壓力。GB 150附錄B則按爆破片作為主泄壓裝置與附加泄壓裝置兩種情況分別作出規(guī)定，即爆破片為主泄壓裝置(或單一泄壓裝置)時，爆破片裝置的設(shè)計爆破壓力不得大于容器的設(shè)計壓力，而爆破片為附加泄壓裝置時，爆破片裝置的設(shè)計爆破壓力不得大于容器的設(shè)計壓力1.04倍(在新修訂的2010版中已改為1.05 倍)。

其實(shí)爆破片還可能作為一種輔助泄壓裝置，用來補(bǔ)充在操作事故超壓狀態(tài)下設(shè)置的泄壓裝置在火災(zāi)事故超壓時的泄放能力，ASMEⅧ－1 UG－134中對這種情況下的爆破片裝置規(guī)定其設(shè)計爆破壓力可控制在小于1.1倍容器最高允許工作壓力。關(guān)于這一點(diǎn)在1998版的GB 150附錄B未作出明確規(guī)定，但在新修訂的2010版本中則增加了這一規(guī)定。

對于移動式壓力容器一般不允許爆破片單獨(dú)使用，而需要與安全閥組合使用，組合的結(jié)構(gòu)主要有串聯(lián)在安全閥入口側(cè)和與安全閥并聯(lián)兩種。ASMEⅫ－TR(2004版)規(guī)定移動式壓力容器配置的安全閥其整定壓力為容器設(shè)計壓力的1.05～1.1倍。當(dāng)爆破片串聯(lián)在安全閥入口側(cè)時，爆破片設(shè)計爆破壓力不大于安全閥整定壓力;當(dāng)爆破片與安全閥并聯(lián)時，爆破片設(shè)計爆破壓力為1.05倍安全閥整定壓力。

表2列出固定式壓力容器與移動式壓力容器配置的爆破片設(shè)計爆破壓力確定原則。

雖然在很多規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中都是以設(shè)計爆破壓力來描述與容器設(shè)計壓力的關(guān)系，但需要注意的是，當(dāng)爆破片制造范圍不為零時，應(yīng)該以最高標(biāo)定爆破壓力來代替設(shè)計爆破壓力，這一點(diǎn)從圖1，2中也可以看出;只有在制造范圍為零時，最高標(biāo)定爆破壓力與設(shè)計爆破壓力才在數(shù)值上相等。

表2 爆破片設(shè)計爆破壓力Pb的確定(P為容器設(shè)計壓力)［5］

特別需要提醒的是，在確定爆破片性能參數(shù)時，設(shè)計人員通常所關(guān)心的是只要保證最高標(biāo)定爆破壓力不大于所保護(hù)設(shè)備的設(shè)計壓力即可，而忽略了不能使爆破片最大爆破壓力超過設(shè)計工況下的設(shè)計壓力與超壓限度之和，即容器最大允許積聚壓力。比如當(dāng)爆破片為保護(hù)設(shè)備在操作事故超壓狀態(tài)下的唯一泄壓裝置時，設(shè)備設(shè)計壓力為0.25 MPa，爆破片設(shè)計爆破壓力設(shè)定為 0.25 MPa，制造范圍為0，按 GB 567—1999中規(guī)定，對于壓力小于0.3 MPa的爆破片其爆破壓力允差最大可設(shè)為±15%，則理論上最大爆破壓力可達(dá)到0.288 MPa(0.3 ×1.15)，而該設(shè)計工況的設(shè)計壓力與超壓限度之和(即容器最大允許積聚壓力)為0.275 MPa(設(shè)備設(shè)計壓力的110%)，由于爆破片最大爆破壓力大于容器此狀態(tài)下的最大允許積聚壓力，這顯然是不可取的。通過計算，可以得出此時允差最大只能為 ±10%，若允差定為±15%，則需要減小爆破片設(shè)計爆破壓力。

4 爆破片最大泄放壓力與容器最大允許積聚壓力之間的關(guān)系

泄放壓力是計算爆破片裝置泄放尺寸的一個重要參數(shù)，是指爆破片在泄放條件下的入口側(cè)壓力，該壓力的理論最大值即為最大泄放壓力。最大泄放壓力在數(shù)值上等于容器最大允許積聚壓力，從本文第2節(jié)知道，不同的超壓事故狀態(tài)下容器的最大允許積聚壓力不同，從而決定其最大泄放壓力也不同。爆破片裝置開啟后其實(shí)際泄放壓力不一定等于最大泄放壓力，但在計算泄壓裝置泄放能力時通常應(yīng)采用最大泄放壓力，且應(yīng)取其絕對壓力。

表3，4分別列出了操作事故超壓工況和火災(zāi)事故超壓工況時超壓限度、爆破片設(shè)計爆破壓力與最大泄放壓力之間的關(guān)系(假定容器設(shè)計壓力為1000 kPa)。

有些標(biāo)準(zhǔn)(如 HG/T 20570.3—95《爆破片的設(shè)置和選用》表6.0.4)將爆破片最大爆破壓力等同于最大泄放壓力，這是不嚴(yán)格的。容器在泄壓裝置動作后，壓力不會馬上降低，甚至?xí)霈F(xiàn)一定程度的上升，除了與爆破片可能存在的制造范圍和爆破允差有關(guān)外，同時還受泄放側(cè)可能出現(xiàn)的背壓及爆破片的動作時間的影響，這些因素的綜合影響產(chǎn)生了容器在爆破片破裂后的超壓，即通常所說的最大泄放壓力;而最大爆破壓力是爆破片設(shè)計爆破壓力與制造范圍和爆破允差上偏差的代數(shù)和，也即是說其僅考慮了制造誤差的影響。從嚴(yán)格意義上來講，最大爆破壓力應(yīng)小于最大泄放壓力，只有當(dāng)不考慮背壓的影響(比如介質(zhì)直接排放至大氣)及爆破片動作時間的影響時，才可以將最大爆破壓力等同于最大泄放壓力。

表3 操作事故超壓工況時最大泄放壓力的確定

表4 火災(zāi)事故超壓工況時最大泄放壓力的確定

5 爆破片最低標(biāo)定爆破壓力、容器最大工作壓力之間的關(guān)系

最低標(biāo)定爆破壓力的選擇應(yīng)確保在它和容器工作壓力之間有合適的差值空間，以避免爆破片在正常使用時因疲勞損傷而導(dǎo)致提前失效。差值空間大小和爆破片材料、爆破片結(jié)構(gòu)類型及操作過程條件(如溫度、壓力脈動等)有關(guān)。差值空間需要越大，則說明該種結(jié)構(gòu)型式爆破片抗疲勞性能越差。大部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都是采用操作比來衡量該差值空間大小的。ISO 4126—6［6］給出了幾種典型結(jié)構(gòu)爆破片的最大操作比，如表5所示。

容器預(yù)期最大工作壓力與爆破片最低標(biāo)定爆破壓力之比稱為爆破片最大操作比。但以下兩種情況例外:

(1)對于標(biāo)定爆破壓力小于0.3 MPa的情況，爆破片操作比為容器預(yù)期最大工作壓力與爆破片最小爆破壓力(最低標(biāo)定爆破壓力加上爆破片爆破允差負(fù)偏差)之比。這主要是因?yàn)椋?dāng)標(biāo)定爆破壓力小于0.3 MPa時，爆破壓力允差通常為±0.015 MPa，如果最大工作壓力仍定為最低標(biāo)定壓力乘以操作比，可能會導(dǎo)致最大工作壓力大于最小爆破壓力，這顯然是不合理的，見圖2(d)。

表5 典型結(jié)構(gòu)爆破片最大操作比

(2)當(dāng)在泄壓側(cè)存在背壓時，同樣爆破壓力的爆破片，如果泄壓側(cè)背壓越大，則爆破片動作時容器內(nèi)絕對壓力越大，但在確定容器工作壓力與爆破片最低標(biāo)定爆破壓力的關(guān)系時，操作比應(yīng)為容器工作壓力和背壓之差與爆破片最低標(biāo)定爆破壓力的比值，如圖3所示。

圖2，3示出了5種不同情況下最低標(biāo)定爆破壓力與容器預(yù)期的最大工作壓力的確定方法［7］。

6 容器設(shè)計壓力與爆破片設(shè)計爆破壓力的相互確定方法

圖3 受背壓工況下爆破片操作比使用示例

通過前面的介紹，了解了容器設(shè)計壓力、容器最大允許積聚壓力(或超壓限度)、爆破片設(shè)計爆破壓力、爆破片最高標(biāo)定爆破壓力、最低標(biāo)定爆破壓力、容器工作壓力之間的關(guān)系，這些關(guān)系可以統(tǒng)一歸納成如圖4所示。

正確理解這些特性壓力之間的關(guān)系，是設(shè)計人員為容器選擇合適的爆破片裝置的必要前提。在實(shí)際工程中，可能碰到為新設(shè)計的壓力容器選用爆破片或?yàn)橐呀?jīng)制造好的容器選用爆破片裝置兩種情況，下面對這兩種情況分別介紹該如何確定相關(guān)的壓力參數(shù)。

6.1 新設(shè)計的壓力容器

對于新設(shè)計的壓力容器，如需為其配置爆破片作為超壓泄放裝置，應(yīng)按以下步驟來確定容器設(shè)計壓力:(1)確定爆破片的最低標(biāo)定爆破壓力psmin。根據(jù)所選擇的爆破片結(jié)構(gòu)型式從表5查得其操作比，容器預(yù)期的最大工作壓力除以該操作比即為爆破片最低標(biāo)定爆破壓力;(2)選定爆破片的制造范圍。爆破片的制造范圍可查GB 150—1998附錄B;(3)計算爆破片的設(shè)計爆破壓力Pb。Pb等于psmin加上所選爆破片制造范圍的下限(取絕對值);(4)確定容器的設(shè)計壓力P。P不小于Pb加上所選爆破片制造范圍的上限(即最高標(biāo)定爆破壓力)。

為了能更好理解容器設(shè)計壓力確定方法，下面對其舉例說明。

圖4 容器與爆破片特性壓力關(guān)系

假設(shè)某容器工作壓力為1.0 MPa，選用反拱形爆破片，試確定容器設(shè)計壓力:(1)對于反拱形爆破片最低標(biāo)定爆破壓力psmin≥1.1pw=1.1 MPa，(2)取 psmin=1.1 MPa;爆破片的制造范圍根據(jù)GB 150—1998附錄B表B.2選1/2范圍，即為0～ －5%;(3)psmin=Pb+Pb×(－5%)，從而求得 Pb=1.16 MPa;(4)P≥Pb+0=1.16 MPa，取 P=1.2 MPa。

6.2 舊容器配置爆破片

如果容器已經(jīng)設(shè)計制造完成，且在設(shè)計制造時未設(shè)置爆破片，但由于某些原因需要為其增設(shè)爆破片裝置，此時應(yīng)按以下步驟來選擇爆破片:

(1)確定爆破片最高標(biāo)定爆破壓力及制造范圍，應(yīng)保證最高標(biāo)定爆破壓力不大于容器設(shè)計壓力(在多個泄壓裝置中作為補(bǔ)充泄壓裝置時也可以大于容器設(shè)計壓力);

(2)確定爆破片設(shè)計爆破壓力，即用最高標(biāo)定爆破壓力減去制造范圍上限;

(3)確定最低標(biāo)定爆破壓力，即用設(shè)計爆破壓力減去制造范圍下限絕對值;

(4)確定爆破片操作比，操作比等于容器最大工作壓力與爆破片最低標(biāo)定爆破壓力之比;當(dāng)設(shè)計爆破壓力小于0.3 MPa時，爆破片操作比為容器最大工作壓力與爆破片最小爆破壓力之比。

(5)根據(jù)確定的設(shè)計爆破壓力和制造范圍選擇合適的爆破片結(jié)構(gòu)型式，并比較該結(jié)構(gòu)型式的操作比能否滿足要求。如不能，則應(yīng)重新選則一個更小的制造范圍并重復(fù)上述(1)～(5)，或者選擇一個操作比更小的爆破片結(jié)構(gòu)型式。

7 結(jié)語

安裝爆破片裝置的目的是為了保證壓力容器的安全，但同時也要盡可能保證操作的正常性，因此，壓力容器的設(shè)計壓力和預(yù)期的最大工作壓力是確定爆破片相關(guān)壓力參數(shù)的兩個關(guān)鍵指標(biāo)。容器設(shè)計人員在選用爆破片裝置時，應(yīng)該使爆破片相關(guān)特性壓力滿足以下幾點(diǎn):

(1)爆破片最高標(biāo)定爆破壓力小于容器設(shè)計壓力;

(2)爆破片最大爆破壓力小于容器最大允許積聚壓力;

(3)爆破片最低標(biāo)定爆破壓力大于容器預(yù)期的最大工作壓力與相應(yīng)結(jié)構(gòu)型式的爆破片最大操作比之比值。

［1］ASMEⅧ －1，壓力容器建造規(guī)則［S］(2010中文版).

［2］GB 150—1998，鋼制壓力容器［S］.

［3］ASMEⅫ，運(yùn)輸罐建造和延續(xù)使用規(guī)則［S］(2004中文版).

［4］固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］(2009版).

［5］吳全龍.爆破片裝置國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對比分析［J］.壓力容器，2011，28(5):48 －54.

［6］ISO 4126—6:2003，Application，Selection and Installation of Bursting Disc Safety Devices［S］.

［7］API 520:2000，Sizing，Selection and Installation of Pressure－ Relieving Devices in Refineries Part 1——sizing and Selection［S］.