任珂,張琳

(1.中海油石化工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000;2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán) 山東省分公司,山東 濟(jì)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(shí)別進(jìn)口的靜壓作為啟動(dòng)的先置信號(hào),當(dāng)受壓膜片兩側(cè)差壓達(dá)到設(shè)定值時(shí),則出現(xiàn)破裂或脫落動(dòng)作進(jìn)行壓力泄放,通過自身的先行破裂對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)壓力保護(hù)。爆破片作為一次性裝置不能重復(fù)使用,所以泄放動(dòng)作后的爆破片應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。爆破片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(qiáng)環(huán)等附件。爆破片的功能與安全閥相似,因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、靈敏性高等優(yōu)勢(shì),廣泛用于石油、核電、冶金、航空、除塵等行業(yè)。

爆破片選用時(shí),壓力設(shè)置不準(zhǔn)確、型號(hào)選用錯(cuò)誤等都會(huì)增加事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),所以工程項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)爆破片應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的選型、計(jì)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(xiàng)目的儲(chǔ)罐、管道等存在超壓的場(chǎng)所,對(duì)設(shè)備運(yùn)行和人身防護(hù)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(jiǎn)單的爆破片同樣發(fā)揮著重要作用,特別是在以下特殊場(chǎng)合:

1)對(duì)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(dòng)作相對(duì)較慢,宜選用爆破片進(jìn)行及時(shí)泄壓處理。

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

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

4)泄放壓力過低、過高或者泄壓面積大的場(chǎng)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(dòng)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(dòng)作時(shí)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(dòng)作時(shí)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(chǎng)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?yàn)橐后w超壓時(shí)產(chǎn)生的能量較小,存在不足以觸動(dòng)爆破片翻轉(zhuǎn)的可能性;對(duì)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(qiáng)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(dòng)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(dú)設(shè)置于極度危害、高度危害和易爆介質(zhì)等場(chǎng)合[5],因?yàn)楸坪蟮呐欧艢庑枰獫M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(dāng)下列情況時(shí),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(hù)系統(tǒng)的泄放量,且安全閥的正常動(dòng)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(jìn)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(shí)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(zhǎng)期接觸可能會(huì)導(dǎo)致安全閥動(dòng)作失效的系統(tǒng),如具有腐蝕性的介質(zhì)會(huì)對(duì)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(shí),應(yīng)在爆破片與安全閥之間安裝壓力監(jiān)控等檢測(cè)裝置,以確保爆破片處于正常使用狀態(tài)。同時(shí),爆破片與安全閥串聯(lián)設(shè)置時(shí),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(dāng)裝置內(nèi)介質(zhì)為強(qiáng)腐蝕性時(shí),可選用兩個(gè)爆破片串聯(lián)的方式進(jìn)行設(shè)置,可在一定程度上防止其中一個(gè)爆破片被腐蝕而失去超壓保護(hù)能力,在兩個(gè)爆破片之間應(yīng)設(shè)置壓力等檢測(cè)裝置,及時(shí)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(hù)裝置,其結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單,造價(jià)低,且不會(huì)出現(xiàn)因重復(fù)使用帶來準(zhǔn)確性下降的情況。當(dāng)出現(xiàn)下列情況時(shí),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(duì)安全閥性能會(huì)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(duì)于黏度較大、易結(jié)晶、含有顆粒的介質(zhì)泄放時(shí)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(dāng)被保護(hù)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)為濃度較高環(huán)氧乙烷時(shí),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(dāng)裝置內(nèi)介質(zhì)因溫度升高并伴隨壓力急劇升高時(shí)、當(dāng)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(shí),應(yīng)安裝爆破片或爆破片和導(dǎo)爆管;

3)當(dāng)爆破片正常爆破失效時(shí),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(shí)間的增加,其承載性能也會(huì)逐漸降低,這會(huì)導(dǎo)致爆破片提前失效。因此,應(yīng)對(duì)爆破片進(jìn)行定期檢測(cè)和更換;

4)爆破片在出廠前應(yīng)進(jìn)行致密性檢驗(yàn),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(jìn)行致密性檢測(cè),檢測(cè)方法包括電火花檢漏等;

5)非必要不應(yīng)在爆破片的進(jìn)出口側(cè)設(shè)置切斷閥,若因維修等需安裝切斷閥時(shí),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(duì)比

爆破片與安全閥同為壓力泄放裝置,對(duì)受保護(hù)裝置在超壓時(shí)起到安全保護(hù)作用。當(dāng)僅設(shè)置爆破片或安全閥時(shí),應(yīng)對(duì)兩者的優(yōu)劣勢(shì)和適用性對(duì)比后進(jìn)行選擇。爆破片與安全閥對(duì)比見表1。

表1 爆破片與安全閥對(duì)比表

通過對(duì)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(jiǎn)單、種類多、價(jià)格優(yōu)勢(shì)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(shì)。

4 爆破片的計(jì)算

4.1 泄放量的計(jì)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(shí)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(jì)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(hù)設(shè)備是否具有保溫層進(jìn)行分開計(jì)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(shí)

式中:W—泄放量,kg/h;

Hl—泄放條件下氣化熱,kJ/kg;

A—濕潤(rùn)面積,m2;

F—容器外壁矯正系數(shù)。

4.1.2 有保溫層時(shí)

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(jì)算可以參考美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API-520,其他工況可參考國(guó)內(nèi)石油化工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算

泄放面積是指爆破片爆破時(shí)壓力泄放的流通面積。爆破片的實(shí)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(shí),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(jìn)口面積。主要原因是當(dāng)爆破片的泄放面積超過下游安全閥入口面積時(shí),會(huì)產(chǎn)生對(duì)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(dāng)兩個(gè)或多個(gè)爆破片出口進(jìn)入共用收集管時(shí),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(shí),通常先進(jìn)行安全閥計(jì)算,當(dāng)?shù)玫桨踩y進(jìn)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(jìn)行爆破片泄放面積選型[5]。

當(dāng)爆破片獨(dú)立安裝時(shí),爆破片泄放面積可根據(jù)安全閥泄放面積計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)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(biāo)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(jì)爆破壓力應(yīng)由設(shè)計(jì)單位來確定,主要依據(jù)被保護(hù)裝置工作條件、承載能力、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和規(guī)范要求等。

爆破片的設(shè)計(jì)爆破壓力、標(biāo)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(shí)可進(jìn)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(hù)系統(tǒng)設(shè)置爆破片的各壓力與被保護(hù)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(shí)例計(jì)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(duì)分子質(zhì)量58,儲(chǔ)罐操作壓力為0.2 MPa(G),設(shè)計(jì)壓力為0.7 MPa(G),操作溫度為-10～10 ℃。儲(chǔ)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(chǔ)罐為臥式儲(chǔ)罐Φ3 200 mm×5 200 mm,濕潤(rùn)面積為38 m2。為對(duì)設(shè)備進(jìn)行超壓保護(hù),設(shè)置正拱帶槽型爆破片,入口管線尺寸為DN100 mm,計(jì)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(diǎn)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(jì)算公式,儲(chǔ)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(shì)。爆破片的使用壽命難以用公式進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,但可以提供參考,應(yīng)在參考使用壽命之前進(jìn)行更換[10]。

爆破片失效、爆破片設(shè)置不合理都會(huì)導(dǎo)致受保護(hù)設(shè)備暴露于超壓風(fēng)險(xiǎn)下。對(duì)于設(shè)計(jì)單位而言,安全設(shè)計(jì)責(zé)任重大,應(yīng)遵守爆破片的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,準(zhǔn)確計(jì)算和選取泄放量、最小泄放面積、最大爆破壓力等參數(shù),對(duì)安全生產(chǎn)發(fā)揮保駕護(hù)航的作用。對(duì)于生產(chǎn)制造和安裝單位,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)單位的技術(shù)規(guī)格書和制造標(biāo)準(zhǔn)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等嚴(yán)格控制出廠質(zhì)量和安裝質(zhì)量。對(duì)于運(yùn)行操作人員,應(yīng)對(duì)爆破片進(jìn)行定期檢測(cè)和更換,確保爆破片處于正常工作狀態(tài)。