孙少辰;丁信伟;张志毅;刘铎;刘刚
【摘 要】介绍了国外通用爆破片装置标准及其泄放量计算公式,发现公式计算结果与实际泄放量存在一定的偏差.分析了爆破片泄放量的影响因素,为完善超压泄放公式提供必要补充. 【期刊名称】《化工机械》
【年(卷),期】2014(041)005
【总页数】4页(P546-549)
【关键词】爆破片装置;泄放量;标准
【作 者】孙少辰;丁信伟;张志毅;刘铎;刘刚
三聚氰胺甲醛树脂
灸绳【作者单位】沈阳特种设备检验研究院;大连理工大学化工机械学院;大连理工大学化工机械学院;沈阳特种设备检验研究院;沈阳特种设备检验研究院;沈阳特种设备检验研究院
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ055.8+1
爆破片的泄放能力是选择爆破片时必须确定的一个关键技术参数，无论国外标准还是国内标准，都利用渐缩喷管模型计算爆破片的泄放能力。考虑到工程实际条件，国外标准对公式的使用范围做出了限定。然而在实际应用中这些限定条件很难满足，以致假设的减缩喷管模型计算结果与实际泄放量存在一定的偏差。如果爆破片选型不当，系统一旦超压将会造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。
眉笔刀1 爆破片装置标准体系
国外通用爆破片标准主要有：ISO 4126 Part2、Part3、Part6[1～3]；美国的API 520及其补充标准API 521[4，5]、ASME BPVC VIII Division 1[6]；法国NF E29-417-2-2003、NF E29-417-3-2006、NF E29-417-6-2004和NF E29-413-1989；德国的DIN EN ISO 4126-2-2003、DIN EN ISO 4126-3-2006和DIN EN ISO 4126-6-2004；日本的JISB 8226及英国的BS 2915等。
欧洲国家的标准体系一般都是直接引用ISO 4126的内容，说明ISO 4126系列标准代表了国外标准的先进水平。ISO 4126是在世界各国的国家标准的基础之上，经各会员国之间的激烈争议与反复讨论之后所取得的妥协之作[1～3]。它对于发达国家而言，实际上是一个最低标准(即应该执行的最低要求)。
在美国，API 520是与IS0 4126并列的完整标准系列[4]，其对爆破片的规定基本与IS0 4126类似；API 520 Part I对应ISO 4126-2，PartⅡ对应ISO 4126-6。目前最新的API 521是对API 520的补充和细化[5]。虽然API与ISO标准内容基本一致，但体系风格完全不同。API标准没有按不同泄放装置类型分别制订相应的标准，而是将所有泄放装置集中在同一个标准中。因此，将API 520作为爆破片的专业标准的参考体系并不适合。
顶喷ASME BPVC VIII Division 1[6]制订的有关泄压装置与相关技术的标准历史悠久、独具一格，具有特殊的权威性。大型移动容器(槽罐车等)所用的安全泄压装置技术标准，则依美国运输协会制订的相关标准执行。
2 国外标准泄放量计算公式的制约因素
国外标准都包含爆破片泄放量的计算公式，其分类如图1所示。实际应用中，一般采用排量系数法计算爆破片装置的泄放量。排量系数法计算公式是从能量和质量方程的基本理论出发，基于拉夫尔喷管等熵流动过程理论推导得出的。但在以下因素的影响下，此类公式的计算结果就不精确。金属接线盒
图1 泄放量计算公式分类
2.1 背压影响
在实际泄放过程中，爆破片既可以敞开式排放(即向大气泄放)，也可以排放在密闭容器或回收系统中。向大气排放时，爆破片完全暴露在室外环境中。在临界条件下，背压不会对泄放量产生影响；在亚临界条件下，随背压的增大，泄放量也按一定比例减少；当背压和排放压力相等时，泄放量为零。因此当背压很大或者持续在背压环境下时，公式就不再适用。
在泄放过程中可能存在可燃性、含硫化物、有毒和含放射性物质的气体。一旦这些气体随着废气排放扩散到空气中，被人吸入体内时会对人的健康构成威胁，因此必须选择适当的 排放回收系统。但回收系统中容器接管和排放管路长度会影响流动状态，排放时，气体在容器接管中流动产生的阻力降会使爆破片入口侧压力降低，而在排放接管中的阻力降会使爆破片出口侧背压升高，而爆破片出口侧与入口侧的压力比决定了该处的流动状态。增加容器接管和排放接管的长度，会使压力降增大，从而使爆破片出口侧与入口侧的压力比值增大，可能会改变泄放气体在该处的流动状态，将原来处于临界或超临界的流动变成亚临界的流动，使实际流量小于计算流量。
2.2 化学反应超压
物理超压过程比较简单，其安全泄放量的计算己形成标准；而化学超压工况下的泄放机理比较复杂，涉及因素比较多，目前国内、外均无成熟的设计、计算方法。要掌握化学超压工况下各个影响因素及其相互间的依存关系，需要做大量的试验。
化学反应超压有关泄放的研究还没有形成一致的结论，目前可用于这方面的数据较少，大部分数据是在初始状态为常温、常压下得到的。通常在小容器内一系列爆炸泄放实验，获得不同泄放面积或泄爆压力下设备内最大压力与泄放面积、泄爆压力之间的关系曲线，然后将这种关系换算为最大压力与某种准数的关系，以便计算大容器安全泄放量。一旦发生
由化学反应引起的超压情形，爆破片装置很有可能失效，从而导致整个系统发生故障。但各个爆破片标准中至今还没有提出相应的计算方法。
国外对确定化学反应的应急系统泄放尺寸一般采用由DIERS方法确定。DIERS方法属于均相泄放模型，适用于闪蒸和非闪蒸系统，而且极端情况下可简化成气体和液体泄放。为了简化研究过程，假设容器内的液体和蒸气均匀混合成泡沫状，且泄放前、后其组成是固定的。
DIERS方法设计步骤：确定反应系统的设计基本不正常状态，一般包括混合故障、冷却故障和反应物失控；通过小型试验模拟设计基本不正常状态，确定反应系统表征；使用两相放空流体的放空计算公式确定尺寸。
2.3 实际泄放与理想泄放的差异
公式推导的前提条件为理想气体等熵运动，忽略了气体分子间的作用力和气体分子所占据的体积。实际气体只有在高温低压状态下，其性质和理想气体性质相近。实际气体是否能作为理想气体处理，不仅与气体的种类有关，而且与气体所处状态有关。由于理想状态方
电线固定座程不能准确地反映实际气体P、V、T之间的关系，所以必须对其进行修正和改进，比如可以采用范德瓦尔气体方程来替代理想状态气体方程[7]。
2.4 变质量泄放过程
爆破片泄放时，容器内压力骤然减小，液体可能会发生闪蒸现象产生气体。因此，液体的泄放常常是气、液两相同时泄放。气相的存在使泄放流体质量流量降低，如果按照纯液相物质泄放考虑，会使泄放面积的计算结果偏小；如果考虑气相的存在，两相流泄放过程要复杂一些[7]。
在实际泄放过程中，大部分工质处于气液两相的状态。两相流由于各相具有不同的物理、化学性质，相间存在分界面，且分界面随着流动不断随机变化。两相介质流动过程中，介质除与管壁存在作用力外，两相间也存在作用力和能量交换。两相流动具有随机性，气、液相形状和分布具有多变性，即使在稳定流动工况下，某一过流断面或管段上，其流动特性随时间不断波动变化。综上所述，爆破片泄放过程是变质量过程。
2.5 超音速泄放产生激波现象
在超压泄放过程中，由于排放管路安装方式及容器内化学反应过于强烈等原因，可能导致产生既不属于临界泄放、也不属于亚临界泄放的超音速泄放极端情况。 当气体超音速绕物体流动时，在物体前会形成一道突跃的压缩波。气流通过这道压缩波时，其压强、密度和温度突然上升，流速或马赫数相应地下降，即气流受到突然的压缩形成一种强扰动的激波。气流通过强扰动波的过程是一个熵增过程，压强是变化的，这并不符合标准中泄放量公式的假设条件。
理想气体的激波没有厚度，是数学意义的不连续面。实际气体的粘性和传热性使激波成为连续式，并具有厚度，但数值十分微小，只是气体分子自由程的几倍，波前的相对超音速马赫数越大，厚度值越小。在激波内部由于气体与气体之间存在摩擦，致使一部分机械能转变为热能，因此激波的出现意味着机械能的损失和波阻力的产生，即产生能量耗散效应。超音速泄放时，声波叠加累积会对介质的加速产生障碍，阻碍介质的泄放，从而导致系统的压力不能及时泄放，缩短爆破片的使用寿命。
2.6 塑性变形产生热量
一般情形下，正拱型爆破片的极限强度(爆破压力)主要取决于材料的抗拉强度，而反拱型
爆破片的极限强度(失稳压力)主要取决于材料的弹性模量。爆破片发生破裂时会产生较大的塑性变形。低应变率下的塑性变形通常可认为是等温过程(每秒应变速率为10-4～10-3 时，并没有表现出明显的温升现象)。若在高应变率下进行测试，超压泄放过程中爆破片处于失稳状态，产生较大的塑性变形。根据能量守恒定律，大部分塑性功会转化为热能，热能一部分使装置温度升高，另外一部分散失到空气中和材料其他部位。虽然产生的热能很小，但会影响爆破片的爆破压力和装置的泄放量。国外一些学者对塑性功向热能转化率β进行了研究[8～11]，当每秒应变速率大于100时，β值约为0.95；当每秒应变速率小于10 时，β值较低；在更低的应变速率下，β值接近于0。
