化工设计中爆破片的选型

化工设计中爆破片的选型

摘要:作为化工项目中的安全泄压装置，爆破片的应用非常广泛。本文介绍了爆破片的特点和适用场合，结合设计规范和设计经验分析了爆破片的选型过程中的主要参数如何设计，指出了设计、安装、使用过程中需要注意的一些问题。

关键词:泄压装置、爆破片选型、爆破片计算

1 引言

爆破片是一种防止密闭系统超压的在设定温度和压差下爆破的安全装置。自1931年美国BS&B公司制造出第一块爆破片以来，爆破片由于其结构简单、动作灵敏、密封性好、耐腐蚀、不易堵塞、泄放能力强等优点在石化装置的压力容器、压力管道中得到越来越广泛的运用。如何正确的设计和运用爆破片已经成为化工设计中一个非常重要的课题。

2 爆破片的适用场合

爆破片是不能重复闭合的一次性泄压装置，在爆破后不能继续使用。它主要适用于以下场合：

（1）压力容器或管道内的工艺介质为浆状、有黏性、有腐蚀性、易于结晶、聚合等安全阀不宜装设的场合，因这种工艺介质中安全阀易发生粘结或堵塞；（2）压力容器内的物料化学反应可能使容器内压力瞬间急剧上升的场合，由于安全阀有滞后作用，不能及时打开迅速泄压；

（3）压力容器或管道内的工作介质为剧毒气体或昂贵气体，在工作过程中不允许有任何泄漏的场合；应与安全阀串联使用，充分利用爆破片和安全阀各自的特点保证爆破前和爆破后都不至泄漏导致环境污染和浪费；

（4）压力容器和压力管道中工作压力很低或很高的场合以及工作温度较低的场合，由于这种场合安全阀造价过高，工作特性较差；

（5）压力容器和压力管道中需要较大泄放面积的场合；

（6）其他不适用于安全阀而适用于爆破片的场所。

此外，在化工设计过程中，爆破片还有几种组合使用的情况：

（1）爆破片串联在安全阀的入口，目的是避免因爆破片的破裂而损失大量的工艺物料，而安全阀又不能直接与介质接触的场合。这种工况下，爆破片的设计应为无碎片设计，选取标定爆破压力与安全阀的设定压力相同，公称直径不小于安全阀的入口管径。

（2）爆破片串联在安全阀出口，目的是防止泄放总管有可能存在的腐蚀气体腐蚀安全阀。爆破片的设计应选取最大设计爆破压力不超过弹簧式安全阀设定压力的10%，公称直径与安全阀出口管径相同。

（3）爆破片之间的串联使用，目的是为了防止外压力的过大波动。

（4）爆破片与安全阀并联，为了避免异常工况下压力容器内的压力升高速度过快，或在火灾情况下增加泄放面积。爆破片的设计应选取标定爆破压力略高于安全阀的设定压力，且不大于容器的设计压力；爆破片尺寸和数量要能保证有足够的泄放面积以达到保护容器的要求。

3 爆破片的选型和计算

爆破片在选型、使用过程中是与爆破片夹持器一起组成爆破片装置进行的。爆破片夹持器是具有给定的泄放口径，用以固定爆破片位置，保证爆破片准确动作的配合件。选型爆破片前，应充分了解爆破片工作点的相关工艺条件，如操作温度、操作压力、背压情况、工艺介质的特性等。下面通过分析一般爆破片的规格书中主要需要设计的地方来对爆破片进行选型。

（1）设计规范

针对爆破片的标准规范有国内的GB567、国际标准ISO4126以及美国的

API520。三个规范在一些细节上还是有区别，如爆破压力允差的计算，相应的计算不一样。其中API520要求的比较高，相同的工况下根据该标准设计、生产、检验出来的产品能更大程度的适用，避免了最大爆破压力或最小爆破压力的突变问题。作为设计人员应根据项目的实际情况选择相应的规范，相应的产品才能按照相关规范进行生产和检验。

（2）尺寸

爆破片的尺寸是根据该密闭系统的安全排放量确定的，根据相关的规范要求或经验公式计算出来的。

（3）类型

爆破片的类型主要有正拱型、反拱型和石墨型。正拱型爆破片的特点是拱的凹面处于压力系统高压侧，爆破片承受拉伸张力，爆破压力由材质的拉伸张力决定，是一种强度破坏。反拱型爆破片的特点是拱的凸面处于压力系统的高压侧，爆破压力由材质厚度和拱径决定，是一种失稳破坏。石墨型爆破片由整块石墨制造，在爆破时会产生碎片。

在选型时，由于反拱型的操作比高、耐真空、抗疲劳性更好，寿命更长等特点一般优先使用。反拱型还特别适用于有脉动荷载的情况。反拱型使用在工艺介质为液体的场合时应与供应厂商特别声明，以评估其适用性。在高压的工况、大尺寸和工艺介质为液体时宜选择正拱型。选择正拱型时在有真空的条件时需要增加真空支架。石墨型爆破片适用于强腐蚀和低压场合（小于1MPa），且允许爆破片破裂时有碎片产生。

（4）爆破压力及爆破温度

爆破压力是在指定温度下爆破片的前后差压，爆破片预期爆破时的温度。在设计阶段，爆破压力及爆破温度一般由工艺输入条件，用于供应商依据该值进行爆破片的生产、制造。爆破压力及爆破温度接近于爆破片的成品后的标记值。（5）材质与涂层要求

制造爆破片的标准材料为铝、镍、不锈钢、因康镍、蒙乃尔。工艺介质腐蚀性较强时，要在爆破片上涂层或用衬里来保护。常用的衬里材料有聚四氟乙烯、镍、金、不锈钢、银、铂。常用的涂层材料有聚四氟乙烯、氟化乙丙烯、氯丁橡胶等。

选型时应根据不同工况下工艺介质的腐蚀性以及操作温度来选择不同的材料。不同厂家对不同尺寸、不同类型的爆破片的推荐使用温度不一样。作为设计人员，应在最终确定供应商之后对材质的使用温度进行验算。

（6）装配数量

爆破片根据型式、规格、标定爆破压力与爆破温度、材料和制造工艺分批次生产。不同批次的产品制造偏差不一样，造成标定爆破压力会不一样。而爆破片是一次性泄压元件，所以在设计时通常会采用一用两备的方式进行装配。

（7）允差、制造范围和操作比

爆破片的允差、制造范围和操作比是反映爆破片性能、计算爆破片爆破压力的关键参数。允差是爆破片实际的试验爆破压力相对于标定爆破压力的最大允许偏差。其值可以是正负相等的绝对值或百分数。制造范围为方便爆破片制造，设计爆破压力在制造时允许变动的压力范围。此种允许变动的压力范围须由供需双方协商确定。爆破片的操作比是系统最大操作压力与标记爆破压力相关的压力的比值。如下图1所示，在设计阶段，爆破片的最大设计爆破压力小于被保护密闭系统的最大设计压力；爆破片的最小设计爆破压力大于被保护密闭系统的最大操作压力，并且根据操作比与最小设计爆破压力计算出来的爆破片的最高操作压力宜大于被保护密闭系统的最大操作压力。

最大设计爆破压力

压力正允差

最大标定爆破压力

制造范围正偏差

设计爆破压力

制造范围负偏差

最小标定爆破压力

压力负允差

最小设计爆破压力

最高压力

图1

事实上，最终生产出来的爆破片铭牌上的标定爆破压力会落在图中最大标定爆破压力和最小标定爆破压力之间，实际使用过程中爆破片可能会在标定爆破压力±允差之间的任意点爆破。作为设计人员，应根据上述设计要求对生产出来的爆破片进行验算。在验算时，同时应注意爆破片的爆破温度，实际爆破温度高于标定爆破温度时，爆破片的爆破压力会降低。实际爆破温度低于标定爆破温度时，爆破片的爆破压力会升高。

（8）安装使用注意事项

爆破片安装时与密闭系统的的连接管宜短而直，管路通道截面积不得小于爆破片泄放面积，且泄放管线应垂直安装，避开邻近设备及操作人员所能接近的空间。同时，出口管道应有足够管径和支撑，要考虑爆破时的反冲力和振动。介质为易燃、有毒或剧毒时，应将其引至安全地点妥善处理。

爆破片在使用过程中中应经常检查爆破片装置有无渗漏和异常。且应根据实际使用情况进行定期更换。