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(dòng)、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(jì)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(jì)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(jì)人員在選用爆破片時(shí)一定要正確理解各個(gè)特性壓力的含義及其相互之間的關(guān)系。爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力和爆破片標(biāo)定爆破壓力是兩個(gè)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(jì)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(jì)爆破溫度下爆破片的爆破壓力值，是容器設(shè)計(jì)人員初始選擇爆破片時(shí)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(gè)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(dòng)作壓力，是泄壓裝置所有壓力參數(shù)中最基本的一個(gè)，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(jì)(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(shí)，實(shí)測爆破壓力的算術(shù)平均值，也可能是設(shè)計(jì)爆破壓力值(制造范圍為零時(shí));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(jì)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(gè)批次爆破片標(biāo)定爆破壓力相對于設(shè)計(jì)爆破壓力差值的允許分布范圍)之內(nèi)。

設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)壓力。

最大(最小)爆破壓力是指設(shè)計(jì)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(jì)壓力之間的關(guān)系

在容器因超壓導(dǎo)致爆破片動(dòng)作后，容器實(shí)際壓力可能會(huì)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(jì)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(dòng)作時(shí)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(dòng)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(jì)壓力的增量部分，稱之為超壓限度?？紤]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(dòng)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(bào)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(dòng)式壓力容器，在任何情況下泄壓裝置動(dòng)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(dòng)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(jì)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(jì)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(gè)最重要技術(shù)指標(biāo)，無論其泄放尺寸、動(dòng)作壓力如何選擇，最終在泄放時(shí)必須滿足超壓限度的要求。

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

在確定爆破片技術(shù)指標(biāo)時(shí)，設(shè)計(jì)爆破壓力是一個(gè)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(jì)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(jì)爆破壓力不得大于容器的設(shè)計(jì)壓力，并且爆破片的最小設(shè)計(jì)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(shí)，爆破片裝置的設(shè)計(jì)爆破壓力不得大于容器的設(shè)計(jì)壓力，而爆破片為附加泄壓裝置時(shí)，爆破片裝置的設(shè)計(jì)爆破壓力不得大于容器的設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(dòng)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(dòng)式壓力容器配置的安全閥其整定壓力為容器設(shè)計(jì)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(shí)，爆破片設(shè)計(jì)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(shí)，爆破片設(shè)計(jì)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(dòng)式壓力容器配置的爆破片設(shè)計(jì)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(jì)爆破壓力來描述與容器設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)該以最高標(biāo)定爆破壓力來代替設(shè)計(jì)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(shí)，最高標(biāo)定爆破壓力與設(shè)計(jì)爆破壓力才在數(shù)值上相等。

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

特別需要提醒的是，在確定爆破片性能參數(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)工況下的設(shè)計(jì)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(shí)，設(shè)備設(shè)計(jì)壓力為0.25 MPa，爆破片設(shè)計(jì)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(jì)工況的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算，可以得出此時(shí)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(jì)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(jì)算爆破片裝置泄放尺寸的一個(gè)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(jì)算泄壓裝置泄放能力時(shí)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(shí)超壓限度、爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力與最大泄放壓力之間的關(guān)系(假定容器設(shè)計(jì)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(dòng)作后，壓力不會(huì)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(shí)還受泄放側(cè)可能出現(xiàn)的背壓及爆破片的動(dòng)作時(shí)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(jì)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(dòng)作時(shí)間的影響時(shí)，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(shí)最大泄放壓力的確定

表4 火災(zāi)事故超壓工況時(shí)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(shí)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(dòng)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)?，?dāng)標(biāo)定爆破壓力小于0.3 MPa時(shí)，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(huì)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(shí)，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(dòng)作時(shí)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(shí)，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(jì)壓力與爆破片設(shè)計(jì)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(jì)壓力、容器最大允許積聚壓力(或超壓限度)、爆破片設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)的壓力容器

對于新設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算爆破片的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)制造完成，且在設(shè)計(jì)制造時(shí)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(shí)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(jì)壓力(在多個(gè)泄壓裝置中作為補(bǔ)充泄壓裝置時(shí)也可以大于容器設(shè)計(jì)壓力);

(2)確定爆破片設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)爆破壓力小于0.3 MPa時(shí)，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(jì)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(gè)更小的制造范圍并重復(fù)上述(1)～(5)，或者選擇一個(gè)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(shí)也要盡可能保證操作的正常性，因此，壓力容器的設(shè)計(jì)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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。容器設(shè)計(jì)人員在選用爆破片裝置時(shí)，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(jì)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］.