爆破片裝置流阻特性試驗研究

李亭 汪靜 李東銘 黃棟渠 張玉禎

摘 要：爆破片裝置額定泄放量計算方法有泄放系數(shù)法和流體阻力系數(shù)法，其中流體阻力系數(shù)通常需要試驗測定。本文設(shè)計了水力試驗系統(tǒng)并開展了爆破片裝置流阻特性試驗研究，為爆破片裝置工程設(shè)計和選用提供參考。

關(guān)鍵詞：爆破片裝置;流阻特性;泄放量

1引言

泄放量是爆破片裝置的重要性能指標。壓力容器設(shè)計規(guī)范規(guī)定[1]，一旦容器發(fā)生超壓泄放，泄放裝置的泄放量應(yīng)大于或等于容器的安全泄放量，以保證容器安全。因此準確地確定爆破片裝置的泄放量是非常重要的。ASME規(guī)范Ⅷ-1卷[2]UG125-UG137中規(guī)定，爆破片裝置作為單獨泄放裝置時其額定泄放量計算方法有泄放系數(shù)法和流體阻力系數(shù)法。泄放系數(shù)法計算簡單，但其使用受到很多條件限制;流體阻力系數(shù)法任何管路泄壓系統(tǒng)排放量計算，其前提是需要知道所有管件的流體阻力系數(shù)[3]。爆破片裝置阻力系數(shù)是一個無量綱數(shù)，用于計算壓力泄放系統(tǒng)中因爆破片裝置引起的速度損失。本文爆破片裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜（見圖1），整個流體域沒有發(fā)展成充分穩(wěn)定段，用經(jīng)驗公式分段計算流阻系數(shù)有較大偏差。GB567.4-2012[4]規(guī)定了爆破片流阻系數(shù)測量的方法和要求，故本文參照GB567.4-2012開展試驗，對爆破片裝置的阻力特性進行研究。

2流阻試驗設(shè)計

2.1試驗件及試驗回路

試驗測量的爆破片裝置為原型等比例模型，試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)如圖1所示，爆破片裝置主要由內(nèi)殼體和爆破片組件（含夾持器和爆破膜片等）、外殼體組件等組成。介質(zhì)在內(nèi)殼體中超壓引起爆破膜片爆破后，從爆破片破口處流出，經(jīng)外殼體排放管釋放。

試驗裝置由水力回路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和測控系統(tǒng)組成。水力回路系統(tǒng)主要由主泵、穩(wěn)壓器、流量計、試驗段和相關(guān)閥門管道組成。電氣系統(tǒng)包括水泵電機和變頻器。主泵電機400kW，可變頻調(diào)速。測控系統(tǒng)包括各類測量儀表、采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

爆破片裝置水平放置固定在支架上，支架放置于地面。固定后，爆破片距地面約1.3m，安裝完成后的試驗本體及裝置狀態(tài)見圖2。

試驗用爆破片組件共2件，爆破膜片為反拱開槽型，爆破片在設(shè)計爆破壓力下爆破，開度不低于85%，其外形如圖3所示。爆破件組件安裝完成后，對試驗段充水進行檢漏，試驗段無泄漏。

試驗段的流量通過主泵變頻器進行調(diào)節(jié)，由DN300渦輪流量計測量?；芈穳毫τ蓧毫鞲衅鳒y量，爆破片裝置進出口壓差由差壓變送器測量。流量、溫度、壓力、壓差信號均接入數(shù)采系統(tǒng)，可進行在線監(jiān)測和采集存儲。

2.2試驗參數(shù)

結(jié)合以往的爆破片流阻試驗經(jīng)驗和數(shù)值模擬結(jié)果，試驗工況按回路最大運行工況預(yù)計，同時考慮防止出現(xiàn)爆破片形變和氣蝕，試驗段內(nèi)部壓力和水流沖擊力不宜過高，將試驗最大流量Q初步定為1000m3/h（該最大工況為預(yù)估值，實際試驗中以確保流道形狀不發(fā)生改變、不發(fā)生氣蝕前提下試驗回路能達到的最大工況為準）。試驗時為了避免爆破片形變帶來的阻力系數(shù)變化，試驗測量分為兩個流量階段，并分別測量正反行程，試驗流量由小到大（從300m3/h逐步升至1000m3/h，正行程），再由大到?。◤?000m3/h逐步降至300m3/h，反行程），待試驗流量穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。試驗時，保持流量控制在Q±2%的范圍內(nèi)。

2.3試驗數(shù)據(jù)處理

3試驗結(jié)果與分析

通過試驗獲得了爆破片裝置不同流量下的壓降值，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理得到了阻力系數(shù)。1#爆破片裝置阻力系數(shù)隨Re數(shù)的變化曲線見圖4。

由圖4可知，1#爆破片在300～700m3/h正反行程阻力系數(shù)符合良好，阻力系數(shù)范圍為3.14～3.59，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小，并趨于平緩。當流量達到700m3/h，雷諾數(shù)Re>06時，阻力系數(shù)變化已經(jīng)小于1%，可以認為阻力系數(shù)已進入自模區(qū)，大小為3.16。

隨著流量繼續(xù)增加大于800m3/h后，阻力系數(shù)下降明顯，曲線趨勢與800m3/h前形成顯著差異;反行程流量下降后，阻力系數(shù)明顯小于正行程;繼續(xù)降低流量，阻力系數(shù)仍顯著低于第一階段正反行程阻力系數(shù)值，因此可以推斷，當流量大于800m3/h時，爆破片破口進一步擴大，流通面積發(fā)生變化，阻力特性發(fā)生改變。

2#爆破片阻力系數(shù)在整個試驗的雷諾數(shù)范圍已基本自模，阻力系數(shù)幾乎不變，自模后阻力系數(shù)取各點平均值，大小為3.16。

4結(jié)論

本文參照GB567.4-2012建立了爆破片裝置流阻特性測試系統(tǒng)，對爆破后的爆破片裝置開展了流阻特性試驗，得到以下結(jié)論：

（1）試驗結(jié)果表明，在300～700m3/h正反行程阻力系數(shù)符合良好，阻力系數(shù)范圍為3.16～3.59，阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增大而減小，并趨于平緩。當流量達到700m3/h，雷諾數(shù)Re>106時，阻力系數(shù)變化已經(jīng)小于1%，可以認為阻力系數(shù)已進入自模區(qū)，大小為3.16。

（2）當流量大于800m3/h時，爆破片破口進一步擴大，流通面積發(fā)生變化，阻力特性發(fā)生改變。

參考文獻：

[1] GB150.1-2011。壓力容器 第1部分：通用要求[S]。

[2]ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section Ⅷ Division 1. The American Society of Mechanical Engineers[S]. New York，2019

[3] 吳全龍。爆破片裝置泄放量計算方法探討[J]?；C械，2012，39（2）：180-182

[4] GB567.4-2012。爆破片安全裝置 第4部分：型式試驗[S]。

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