爆破片設(shè)置要點分析

任珂,張琳

(1.中海油石化工程有限公司,山東 濟南 250000;2.國家管網(wǎng)集團 山東省分公司,山東 濟南 250000)

爆破片也稱為防爆膜或者防爆片,是用來處理容器和管道系統(tǒng)出現(xiàn)超壓或過度真空的安全裝置。爆破片通過識別進口的靜壓作為啟動的先置信號,當受壓膜片兩側(cè)差壓達到設(shè)定值時,則出現(xiàn)破裂或脫落動作進行壓力泄放,通過自身的先行破裂對設(shè)備實現(xiàn)壓力保護。爆破片作為一次性裝置不能重復(fù)使用,所以泄放動作后的爆破片應(yīng)及時進行更換。爆破片結(jié)構(gòu)簡單,除夾持器、爆破片主件外,還包括支撐圈、背壓托架、密封膜、加強環(huán)等附件。爆破片的功能與安全閥相似,因結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、靈敏性高等優(yōu)勢,廣泛用于石油、核電、冶金、航空、除塵等行業(yè)。

爆破片選用時,壓力設(shè)置不準確、型號選用錯誤等都會增加事故發(fā)生的風險,所以工程項目的前期設(shè)計階段應(yīng)對爆破片應(yīng)進行嚴格的選型、計算和設(shè)置[1]。

1 爆破片的適用范圍

爆破片與安全閥作為泄壓裝置常用于化工項目的儲罐、管道等存在超壓的場所,對設(shè)備運行和人身防護具有安全屏障的作用[2]。爆破片與安全閥同為泄壓裝置,但相較于組件較多的安全閥,結(jié)構(gòu)簡單的爆破片同樣發(fā)揮著重要作用,特別是在以下特殊場合:

1)對于裝置內(nèi)因化學(xué)反應(yīng)等可能出現(xiàn)急劇升壓的環(huán)境,考慮到安全閥開啟動作相對較慢,宜選用爆破片進行及時泄壓處理。

2)裝置內(nèi)為腐蝕性、毒性、黏土稠或高價值介質(zhì)。若選用安全閥,首先腐蝕性會對閥體的密封性等造成影響,毒性介質(zhì)則在泄放后會對環(huán)境造成污染甚至引發(fā)安全事故,黏土稠介質(zhì)會引起安全閥堵塞失效從而影響泄放能力,對于價值較高的介質(zhì),安全閥泄放會造成經(jīng)濟損失和資源浪費[3]。

3)系統(tǒng)持續(xù)升壓的情況下,背壓較高可能會引起泄放不暢的場合。而爆破片的作用原理是兩側(cè)差壓達到設(shè)定數(shù)值即可發(fā)生破裂進行泄壓。

4)泄放壓力過低、過高或者泄壓面積大的場合。

5)其他易結(jié)晶(如硝酸、碳酸鈉等)、易聚合(環(huán)氧乙烷等)介質(zhì)環(huán)境,為避免堵塞而影響泄壓動作,宜選用爆破片作為泄壓裝置。

2 爆破片的選型

按壓力敏感元件的形式分類,爆破片可分為平板型爆破片、正拱型爆破片(拉伸型爆破片)和反拱型爆破片(壓縮型爆破片)。凹面在高壓側(cè)的為正拱型爆破片,動作時爆破片承受壓力拉伸而產(chǎn)生破裂。凸面在高壓側(cè)的為反拱型爆破片,動作時爆破片因壓迫翻轉(zhuǎn)或者脫落產(chǎn)生破裂[4]。

爆破片的選型主要取決于工作環(huán)境,其中平板型爆破片在石油化工裝置中應(yīng)用較少,主要用于微壓或者存在粉塵爆炸可能性的場合。正拱型爆破片適用于液體、氣體以及壓力較高的環(huán)境;反拱型爆破片主要應(yīng)用于氣體環(huán)境,特別是壓力較低、有循環(huán)壓力或脈沖壓力的環(huán)境;一般情況下,液體環(huán)境不適用反拱型爆破片,因為液體超壓時產(chǎn)生的能量較小,存在不足以觸動爆破片翻轉(zhuǎn)的可能性;對于可能出現(xiàn)需承受背壓或真空的系統(tǒng),背壓托架型更為適用。

正拱型爆破片按壓力敏感元件的結(jié)構(gòu)特征還可以分為普通型、背壓托架型、開裂型、加強環(huán)型等;反拱型爆破片可以分為鄂齒型、刀架型、卡圈型等。如圖1所示。

圖1 爆破片示意圖

另外,爆破片還可以根據(jù)夾持器的夾持面和外界密封面型式分為槽面、錐面、平面等型式。

3 爆破片的設(shè)置原則

爆破片是裝置的安全設(shè)施,但并不是適用于所有需要泄壓的系統(tǒng),如所處工況溫度波動較大的系統(tǒng)或經(jīng)常出現(xiàn)超壓工況的系統(tǒng)則不宜設(shè)置爆破片。此外,爆破片也不應(yīng)單獨設(shè)置于極度危害、高度危害和易爆介質(zhì)等場合[5],因為爆破后的排放氣需要滿足安全和環(huán)保要求。爆破片的設(shè)置包括且不限于以下原則:

3.1 與安全閥組合設(shè)置

當下列情況時,安全閥應(yīng)與爆破片組合設(shè)置,組合設(shè)置后的泄放量不小于被保護系統(tǒng)的泄放量,且安全閥的正常動作不受爆破片破裂影響。

1)真空工況下,為避免通過安全泄壓導(dǎo)致外部氣體進入裝置內(nèi);

2)不允許工藝介質(zhì)通過安全閥泄漏的系統(tǒng),必要時還應(yīng)在爆破片入口和安全閥出口設(shè)置氮封;

3)安全閥與泄放介質(zhì)發(fā)生長期接觸可能會導(dǎo)致安全閥動作失效的系統(tǒng),如具有腐蝕性的介質(zhì)會對安全閥的閥芯、閥座等產(chǎn)生侵蝕,影響安全閥性能。

在組合設(shè)置時,應(yīng)在爆破片與安全閥之間安裝壓力監(jiān)控等檢測裝置,以確保爆破片處于正常使用狀態(tài)。同時,爆破片與安全閥串聯(lián)設(shè)置時,應(yīng)選用非脫落型爆破片或者無碎片型,避免因爆破片破裂產(chǎn)生碎片堵塞安全閥入口。

3.2 爆破片與爆破片串聯(lián)設(shè)置

當裝置內(nèi)介質(zhì)為強腐蝕性時,可選用兩個爆破片串聯(lián)的方式進行設(shè)置,可在一定程度上防止其中一個爆破片被腐蝕而失去超壓保護能力,在兩個爆破片之間應(yīng)設(shè)置壓力等檢測裝置,及時發(fā)現(xiàn)泄漏或破裂的發(fā)生。

3.3 優(yōu)先選用設(shè)置

爆破片和安全閥均為系統(tǒng)泄壓裝置,爆破片作為一次性作用式安全保護裝置,其結(jié)構(gòu)更為簡單,造價低,且不會出現(xiàn)因重復(fù)使用帶來準確性下降的情況。當出現(xiàn)下列情況時,應(yīng)優(yōu)先選用爆破片:

1)所需泄放量大,安全閥選型困難;

2)特殊介質(zhì)可能對安全閥性能會產(chǎn)生影響;

3)裝置壓力過低或過高,安全閥制造難度大;

4)對于黏度較大、易結(jié)晶、含有顆粒的介質(zhì)泄放時同樣應(yīng)優(yōu)選爆破片。

3.4 其他特定設(shè)置原則

1)根據(jù)規(guī)范要求,環(huán)氧乙烷因具有高溫易聚合特性,為防止聚合后堵塞入口管道,當被保護設(shè)備內(nèi)介質(zhì)為濃度較高環(huán)氧乙烷時,應(yīng)在設(shè)備所設(shè)安全閥前設(shè)置爆破片,并在爆破片入口設(shè)置氮封;

2)當裝置內(nèi)介質(zhì)因溫度升高并伴隨壓力急劇升高時、當裝置內(nèi)發(fā)生放熱反應(yīng)或分解反應(yīng)放熱而導(dǎo)致壓力升高不可控時,應(yīng)安裝爆破片或爆破片和導(dǎo)爆管;

3)當爆破片正常爆破失效時,一般分為正拱型爆破片的拉伸破裂和反拱型爆破片的壓縮失效[6]。另外,正常操作工況下,膜片隨著在線承壓時間的增加,其承載性能也會逐漸降低,這會導(dǎo)致爆破片提前失效。因此,應(yīng)對爆破片進行定期檢測和更換;

4)爆破片在出廠前應(yīng)進行致密性檢驗,特別是具有防腐或密封結(jié)構(gòu)的爆破片,如無特殊要求,應(yīng)進行致密性檢測,檢測方法包括電火花檢漏等;

5)非必要不應(yīng)在爆破片的進出口側(cè)設(shè)置切斷閥,若因維修等需安裝切斷閥時,應(yīng)選用全通徑閥門且設(shè)置鉛封或鎖定,以保證爆破片的正常泄壓功能。

3.5 爆破片與安全閥的性能對比

爆破片與安全閥同為壓力泄放裝置,對受保護裝置在超壓時起到安全保護作用。當僅設(shè)置爆破片或安全閥時,應(yīng)對兩者的優(yōu)劣勢和適用性對比后進行選擇。爆破片與安全閥對比見表1。

表1 爆破片與安全閥對比表

通過對比發(fā)現(xiàn),爆破片在管徑、壓力、材質(zhì)、環(huán)境等條件下,可選范圍更廣,且結(jié)構(gòu)簡單、種類多、價格優(yōu)勢明顯。安全閥的精度容易受到工藝條件的影響,但是在經(jīng)常超壓等重復(fù)使用的工況下,安全閥具有明顯的優(yōu)勢。

4 爆破片的計算

4.1 泄放量的計算

爆破片的泄放量又稱為泄放能力,是爆破片的泄放溫度、泄放壓力、泄放面積一定的情況下,單位時間內(nèi)從爆破片泄放口排出的介質(zhì)量[7],泄放量是爆破片選型計算的重要工作。根據(jù)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》爆破片的泄放量應(yīng)根據(jù)被保護設(shè)備是否具有保溫層進行分開計算,且爆破片的額定泄放量不應(yīng)小于安全泄放量,具體如下:

4.1.1 無保溫層時

式中:W—泄放量,kg/h;

Hl—泄放條件下氣化熱,kJ/kg;

A—濕潤面積,m2;

F—容器外壁矯正系數(shù)。

4.1.2 有保溫層時

式中:t—泄放溫度,℃;

λ—保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),kJ/(m·h·℃);

d0—保溫材料的厚度,m。

此外,失控反應(yīng)的爆破片泄放量計算可以參考美國石油學(xué)會標準API-520,其他工況可參考國內(nèi)石油化工設(shè)計標準規(guī)范,例如壓力管道規(guī)程GB/T 20801或爆破片安全裝置GB 567等。

4.2 泄放面積的計算

泄放面積是指爆破片爆破時壓力泄放的流通面積。爆破片的實際泄放面積不應(yīng)小于設(shè)定的最小泄放面積。爆破片與安全閥串聯(lián)使用時,爆破片位于安全閥上游,其泄放面積不應(yīng)小于下游安全閥的進口面積。主要原因是當爆破片的泄放面積超過下游安全閥入口面積時,會產(chǎn)生對安全閥的流量和流速的影響,從而影響安全閥的泄壓性能。當兩個或多個爆破片出口進入共用收集管時,收集總管的截面積不得小于各爆破片出口管道截面之和。

爆破片在于安全閥串聯(lián)使用時,通常先進行安全閥計算,當?shù)玫桨踩y進口面積后,根據(jù)上述兩者面積關(guān)系,得到爆破片泄放面積的上限值。然后,結(jié)合安全閥上游管線阻力降總和不超過整定壓力3%的原則進行爆破片泄放面積選型[5]。

當爆破片獨立安裝時,爆破片泄放面積可根據(jù)安全閥泄放面積計算方法進行計算包括泄放系數(shù)法[8]或流體阻力系數(shù)法等[9]。

4.3 爆破壓力的設(shè)定

為了使爆破片具有最佳的使用壽命,不同類型的爆破片的設(shè)備最高壓力與最小標定爆破壓力之比不同,例如反拱刀架型為90%、正拱普通平面型值為70%、反拱托架型為80%。

爆破片的最小、最大爆破壓力以及設(shè)計爆破壓力應(yīng)由設(shè)計單位來確定,主要依據(jù)被保護裝置工作條件、承載能力、結(jié)構(gòu)特點和規(guī)范要求等。

爆破片的設(shè)計爆破壓力、標定爆破壓力、最高壓力之間的關(guān)系見圖2,在壓力設(shè)定時可進行參考。

圖2 爆破片相關(guān)的壓力關(guān)系圖

不同工況下被保護系統(tǒng)設(shè)置爆破片的各壓力與被保護容器的最大操作壓力之間的比例關(guān)系見圖3。

圖3 爆破片與容器相關(guān)的壓力關(guān)系圖

4.4 實例計算

某化工裝置罐區(qū),罐內(nèi)介質(zhì)為液態(tài)環(huán)氧丙烷,相對分子質(zhì)量58,儲罐操作壓力為0.2 MPa(G),設(shè)計壓力為0.7 MPa(G),操作溫度為-10～10 ℃。儲罐設(shè)有保溫層,保溫材料為泡沫玻璃,傳熱系數(shù)為0.208 8 kJ/(m·h·℃),保溫層厚度80 mm。儲罐為臥式儲罐Φ3 200 mm×5 200 mm,濕潤面積為38 m2。為對設(shè)備進行超壓保護,設(shè)置正拱帶槽型爆破片,入口管線尺寸為DN100 mm,計算爆破片的泄放量和火災(zāi)情況下的最大爆破壓力。

經(jīng)查詢,泄放條件下(按沸點34 ℃考慮)環(huán)氧丙烷的汽化熱為567 kJ/kg。所以,根據(jù)泄放量計算公式,儲罐安全配置爆破片的泄放量W為:

=146.12 kg/h

根據(jù)圖3,所選爆破片在火災(zāi)情況下的最大爆破壓力為:

0.7×121%=0.847 MPa(G)。

5 結(jié)束語

隨著爆破片品類的增加、配套材料性能的提高、生產(chǎn)制造工藝的日益成熟,可供選擇的爆破片范圍也更廣,穩(wěn)定性也呈上升趨勢。爆破片的使用壽命難以用公式進行準確計算,但可以提供參考,應(yīng)在參考使用壽命之前進行更換[10]。

爆破片失效、爆破片設(shè)置不合理都會導(dǎo)致受保護設(shè)備暴露于超壓風險下。對于設(shè)計單位而言,安全設(shè)計責任重大,應(yīng)遵守爆破片的設(shè)計標準規(guī)范,準確計算和選取泄放量、最小泄放面積、最大爆破壓力等參數(shù),對安全生產(chǎn)發(fā)揮保駕護航的作用。對于生產(chǎn)制造和安裝單位,應(yīng)根據(jù)設(shè)計單位的技術(shù)規(guī)格書和制造標準、驗收標準等嚴格控制出廠質(zhì)量和安裝質(zhì)量。對于運行操作人員,應(yīng)對爆破片進行定期檢測和更換,確保爆破片處于正常工作狀態(tài)。