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爆破片與安全閥串聯(lián)組合泄放特性

文檔作者：喻健良1 2 閆興清1 陳金義3 白瑞瑩3 金志偉4 周偉明5 文檔來源： 1．大連理工大學(xué)2．大連理工安全裝備有限公司3．沈陽新光閥門制造廠 4．沈陽航天新光安全系統(tǒng)有限公司 5．上海市氣體工業(yè)協(xié)會(huì)			點(diǎn) 擊數(shù)：
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試驗(yàn)研究
爆破片與安全閥串聯(lián)組合泄放特性
喻健良1，2，閆興清1，陳金義3，白瑞瑩3，金志偉4，周偉明5
(1． 大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧大連116024; 2． 大連理工安全裝備有限公司，遼寧大連
116012; 3． 沈陽新光閥門制造廠，遼寧沈陽110043; 4． 沈陽航天新光安全系統(tǒng)有限公司，遼寧沈
陽110043; 5． 上海市氣體工業(yè)協(xié)會(huì)，上海200030)
摘要: 爆破片及安全閥串聯(lián)組合泄放系數(shù)測(cè)定在國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)中還未見報(bào)道。建立了爆破片與
安全閥串聯(lián)組合泄放特性試驗(yàn)裝置，研究了爆破片與安全閥之間不同接管長度、不同泄放壓力下組
合泄放裝置泄放量及泄放系數(shù)。選用孔板流量計(jì)測(cè)量介質(zhì)流量，選用反拱刻槽型爆破片及彈簧全
啟式安全閥。以單獨(dú)安裝安全閥泄放試驗(yàn)作為對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，單獨(dú)安裝安全閥時(shí)，隨著接管
長度增加，泄放系數(shù)稍變小，但最小值為0． 9。試驗(yàn)所用批次的爆破片和安全閥串聯(lián)組合時(shí)，泄放
系數(shù)在0． 78 ～ 0． 84 之間，組合校正系數(shù)Kc
在0． 876 ～ 0． 912 范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞: 爆破片; 安全閥; 串聯(lián)組合; 組合泄放系數(shù); 組合校正系數(shù)
中圖分類號(hào): TH138． 52; O343 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1001 － 4837( 2012) 08 － 0006 － 05
doi: 10． 3969 /j． issn． 1001 － 4837． 2012． 08． 002
Discharge Characteristics of Rupture Disk Cascaded with Safety Valve
YU Jian － liang1，2
，YAN Xing － qing1，CHEN Jin － yi3，BAI Rui － ying3，
JIN Zhi － wei4，ZHOU Wei － ming5
( 1． School of Chemical Machinery，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China; 2． Dalian University
Safety Equipment Co． ，Ltd． ，Dalian 116012，China; 3． Shenyang Xinguang Valve Manufacture Factory，
Shenyang 110043，China; 4． Shenyang Hangtian Xinguang Safety System Co． ，Ltd． ，Shenyang
110043，China; 5． Shanghai Gas Industry Association，Shanghai 200030，China)
Abstract: The discharge coefficient of rupture disk cascaded with safety valve has not been reported in
domestic standards and literatures． A cascaded combination discharge device of rupture disk and safety
valve was established． Both the flow capacity and discharge coefficient were studied in different pipe
lengths between rupture disk and safety valve and in different bursting pressures． The orifice meter was adopted
to measure the flow capacity． The reverse acting scored bursting disk and conventional spring －
loaded pressure relief valve were selected． The discharge experiments of single safety valve were conducted
as opposite experiments． The results indicate that，when safety valve acts alone， the discharge coefficient
gets smaller as pipe length becomes larger，with the minimum value of 0． 9． Whereas，when the rupture
disk cascaded with safety valve acts， the discharge coefficient varied from 0． 78 to 0． 84 and the combination
correction coefficient from 0． 876 to 0． 912．
Key words: rupture disk; safety valve; cascaded combination; combination discharge coefficient; combination
correction coefficient
·6·
0 引言
爆破片及安全閥是最為常用的超壓泄放裝
置。開展超壓泄放設(shè)計(jì)時(shí)，確定泄放裝置的泄放
系數(shù)是計(jì)算泄放口徑的關(guān)鍵［1 － 6］。對(duì)單一爆破片
或安全閥裝置，泄放系數(shù)容易選取。但是，工業(yè)上
較多場(chǎng)合不適宜采用單一裝置，需將爆破片與安
全閥串聯(lián)組合使用，因此必須開展爆破片與安全
閥組合泄放特性及泄放系數(shù)相關(guān)研究［7 － 10］。
當(dāng)采用爆破片與安全閥串聯(lián)組合時(shí)，API 520
標(biāo)準(zhǔn)［4］采用組合校正系數(shù)，考慮在安全閥入口安
裝爆破片對(duì)安全閥泄放量的影響。組合裝置的泄
放系數(shù)等于安全閥單獨(dú)作用時(shí)的泄放系數(shù)與組合
校正系數(shù)的乘積，并規(guī)定當(dāng)無法通過試驗(yàn)確定組
合校正系數(shù)時(shí)，推薦取0． 9［11］。ASME 規(guī)定當(dāng)不
通過試驗(yàn)測(cè)定時(shí)，其值不能超過0． 9。國外ASME
PTC 25 － 2008［12］以及ASME Ⅷ － 1 UG － 132 標(biāo)
準(zhǔn)［13］提供了組合校正系數(shù)的測(cè)試流程及試驗(yàn)步
驟。美國BS＆B 公司依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)組合校正系
數(shù)進(jìn)行了較多的測(cè)試工作。然而，國內(nèi)還未見較
為明確的組合校正系數(shù)測(cè)定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試數(shù)
據(jù)。
基于此，文中參考國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立安全閥
與爆破片組合泄放試驗(yàn)裝置，研究安全閥單獨(dú)泄
放、爆破片與安全閥串聯(lián)組合泄放兩種方式的泄
放系數(shù)變化，并通過改變串聯(lián)接管長度，研究其對(duì)
泄放系數(shù)的影響規(guī)律。
1 試驗(yàn)裝置
參考ASME PTC 25—2008 建立試驗(yàn)流程如
圖1 所示，主要由供氣系統(tǒng)、測(cè)試管路、泄放管路、
閥門等組成，試驗(yàn)介質(zhì)采用空氣。為了提供較為
平穩(wěn)的氣源壓力，供氣系統(tǒng)采用壓縮機(jī)、2 個(gè)立式
儲(chǔ)罐( 6 m3 ) 、1 個(gè)臥式儲(chǔ)罐( 1． 88 m3 ) 組成?？諝?
通過壓縮機(jī)被壓入2 個(gè)立式儲(chǔ)罐中，然后通過人
工控制DN 125 氣動(dòng)球閥使氣體進(jìn)入臥式儲(chǔ)罐、
測(cè)試和泄放管路中。臥式儲(chǔ)罐通過球閥與測(cè)試管
路和泄放管路連接。
圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程
測(cè)試管路規(guī)格為DN 125 ( 133 mm × 4
mm) 。采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量介質(zhì)流量，安裝
在測(cè)試管路上。流量計(jì)入口管道內(nèi)徑D = 125
mm，孔板直徑d = 68． 5 mm。取壓方式為法蘭取
壓，兩測(cè)壓口間安裝型號(hào)為JS3051、量程為0 ～ 80
kPa 的智能壓差變送器，并通過NHR － 7600 液晶
流量積算控制儀記錄孔板前后取壓口之間的靜壓
差Δp。采用壓力傳感器記錄泄放壓力、采用鉑電
阻測(cè)量泄放溫度。泄放管路為DN 50 接管，長度
可調(diào)。與測(cè)試管路通過法蘭連接。連接方式如
下: 在DN 125 的法蘭上開螺紋孔，利用螺柱將
DN 50 法蘭與DN 125 法蘭連接。測(cè)試管路與泄
放接管實(shí)物圖如圖2 所示。
選用DN 50 彈簧全啟式安全閥，整定壓力為
1． 7 MPa，進(jìn)口直徑D1 = 50 mm，喉部直徑d = 35
mm，閥瓣達(dá)到最高處時(shí)上升高度h = 8． 75 mm，出
口直徑D2 = 80 mm。采用某公司生產(chǎn)的DN 50 反
拱刻槽爆破片，爆破壓力1． 7 MPa。
當(dāng)開展單獨(dú)安全閥泄放試驗(yàn)時(shí)，將安全閥安
裝在圖2 中位置B 處; 當(dāng)開展組合泄放試驗(yàn)時(shí)，
將爆破片安裝于位置A，安全閥裝置于位置B。
為了研究爆破片與安全閥連接距離對(duì)泄放的影
·7·
第29 卷第8 期壓力容器總第237 期
響，接管長度選為50， 150， 250 及300 mm。
圖2 測(cè)試與泄放管路圖
試驗(yàn)流程: 首先將泄放裝置裝入泄放管路，然
后手動(dòng)打開臥式容器與測(cè)試管路中的球閥，利用
壓縮機(jī)向立式儲(chǔ)罐內(nèi)充入高于泄放壓力的氣體;
充氣完畢后，手動(dòng)按下DN 125 氣動(dòng)球閥按鈕使
閥開啟，立式儲(chǔ)罐內(nèi)氣體充入臥式儲(chǔ)罐及測(cè)試、泄
放管路; 待壓力達(dá)到泄放裝置動(dòng)作壓力后，手動(dòng)松
開DN 125 氣動(dòng)球閥按鈕使閥關(guān)閉。流量計(jì)、壓
力傳感器、溫度傳感器測(cè)量泄放瞬間流量、壓力及
溫度。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
泄放系數(shù)Kd
為泄放裝置實(shí)際泄放量與理論
泄放量之比。理論泄放量指泄放裝置為理想圓管
時(shí)的泄放量，可依據(jù)文獻(xiàn)［1 － 4］并設(shè)定泄放系數(shù)
為1 計(jì)算得到。必須注意，安全閥的理論泄放量
必須使用安全閥流通截面的最小通道即喉徑計(jì)
算。
表1 列出試驗(yàn)測(cè)得的不同接管長度L 及泄放
壓力P 下，單獨(dú)安裝安全閥時(shí)的實(shí)際泄放量W 與
計(jì)算得到的安全閥理論泄放量Wt。表2 列出爆
破片與安全閥組合泄放試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果。
根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同長度的接管
單獨(dú)安裝安全閥時(shí)泄放系數(shù)Kd
隨泄放壓力P 的
變化如圖3 所示。
由圖3 可知，當(dāng)接管長度L 在50 ～ 300 mm
范圍內(nèi)，隨泄放壓力P 變化，安全閥泄放系數(shù)Kd
在0． 9 ～ 0． 95 之間，變化幅度不大，僅為5． 6%。
若從安全因素考慮，泄放系數(shù)取小值偏于保守，則
單獨(dú)使用此批次安全閥時(shí)，泄放系數(shù)可取為0． 9。
但是，在不同接管長度L 下，泄放系數(shù)稍有不同。
L = 50， 150， 250， 300 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的泄放系數(shù)最小
值分別為0． 93，0
． 92，0
． 9，0
． 9。這是因?yàn)殡S著接
管長度增大，泄放阻力增大，泄放效果下降。
表1 單獨(dú)安裝安全閥時(shí)的數(shù)據(jù)
L /mm P/MPa W/kg·s － 1 Wt / kg·s － 1
50
1． 745 3． 8552 4． 1466
1． 727 3． 8085 4． 1061
150
1． 950 4． 3341 4． 6070
1． 685 3． 6807 4． 0118
1． 711 3． 8865 4． 0702
1． 982 4． 3611 4． 6788
1． 664 3． 6860 3． 9647
1． 867 4． 2002 4． 4206
1． 721 3． 8944 4． 0927
250
1． 759 3． 8559 4． 1780
1． 904 4． 0289 4． 5037
1． 659 3． 6376 3． 9534
300
1． 994 4． 3736 4． 6594
1． 649 3． 4658 3． 8546
1． 661 3． 5662 3． 9579
1． 683 3． 6593 4． 0073
1． 747 3． 8343 4． 1511
1． 683 3． 6921 4． 0073
表2 爆破片和安全閥串聯(lián)組合泄放數(shù)據(jù)
L /mm P/MPa W/kg·s － 1 Wt / kg·s － 1
50
1． 776 3． 4823 4． 1815
1． 754 3． 4353 4． 1668
150 1． 770 3． 8124 4． 2027
250
2． 055 3． 8723 4． 8029
1． 728 3． 3740 4． 1084
300
1． 946 3． 7245 4． 5527
1． 681 3． 1031 3． 9377
1． 751 3． 3988 4． 1600
根據(jù)表2 計(jì)算得到的爆破片與安全閥串聯(lián)組
合時(shí)的組合泄放系數(shù)K'
d
如表3 所示。表3 中同
時(shí)給出了單獨(dú)安裝安全閥時(shí)的泄放系數(shù)Kd。
·8·
CPVT 爆破片與安全閥串聯(lián)組合泄放特性Vol29. No8 2012
圖3 單獨(dú)安裝安全閥時(shí)泄放系數(shù)隨泄放壓力變化
表3 串聯(lián)組合泄放系數(shù)K'
d
與組合校正系數(shù)Kc
L /mm P/MPa K'
d Kd Kc = K'
d /Kd
50
1． 776 0． 8328 0． 93 0． 895
1． 754 0． 8245 0． 93 0． 887
150 1． 770 0． 9071 0． 92 0． 986
250
2． 055 0． 8062 0． 9 0． 896
1． 728 0． 8212 0． 9 0． 912
300
1． 946 0． 8181 0． 9 0． 909
1． 681 0． 7880 0． 9 0． 876
1． 751 0． 8170 0． 9 0． 908
由表3 可知，當(dāng)采用爆破片與安全閥組合泄
放時(shí)，組合泄放系數(shù)K'
d
較安全閥單獨(dú)安裝時(shí)的泄
放系數(shù)Kd
要低，基本在0． 78 ～ 0． 84 之間變化，接
管長度L 對(duì)組合泄放系數(shù)的影響不明顯。
泄放裝置組合時(shí)，泄放系數(shù)的變化可以用組
合校正系數(shù)Kc = K'
d /Kd
衡量，結(jié)果見表3。當(dāng)爆
破片與安全閥串聯(lián)時(shí)，不論接管長度為何值，組合
校正系數(shù)Kc
基本集中在0． 876 ～ 0． 912 范圍內(nèi)。
因此，當(dāng)此批次爆破片與安全閥在工業(yè)中應(yīng)用時(shí)，
為了安全起見，建議組合校正系數(shù)Kc
取0． 87。文
獻(xiàn)［4］中推薦Kc = 0． 9，本試驗(yàn)采用的爆破片串聯(lián)
安全閥的系數(shù)稍低于文獻(xiàn)值。分析認(rèn)為，本試驗(yàn)
過程中由于采用人工控制DN 125 氣動(dòng)球閥的開
啟及關(guān)閉按鈕，因此從泄放裝置動(dòng)作到停止升壓
的時(shí)間間隔無法精確控制，導(dǎo)致泄放裝置動(dòng)作后
立式儲(chǔ)罐繼續(xù)向臥式儲(chǔ)罐充氣，且時(shí)間并不確定。
另外，由于本裝置僅能測(cè)量泄放瞬間的狀態(tài)，無法
測(cè)量穩(wěn)定的泄放狀態(tài)下的數(shù)值，因此本試驗(yàn)測(cè)得
的組合校正系數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)推薦值稍有差異。
爆破片爆破形態(tài)與組合泄放系數(shù)K'
d
有很大
關(guān)系。爆破片開度較大，對(duì)安全閥泄放影響較小，
因此組合泄放系數(shù)趨近于單獨(dú)安裝安全閥的泄放
系數(shù)。圖4 示出不同試驗(yàn)條件下組合泄放后爆破
片爆破形態(tài)。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除了爆破片爆破形態(tài)外，影響爆破
片與安全閥組合泄放的因素較多，如壓力源初始
壓力及壓升速率、安全閥開啟高度、泄放瞬間的介
質(zhì)狀態(tài)、管線阻力等。因此，必須進(jìn)一步系統(tǒng)地開
展組合泄放性能研究，尋求泄放性能影響因素及
規(guī)律，以完善現(xiàn)有泄放設(shè)計(jì)理論及技術(shù)。
圖4 組合泄放試驗(yàn)過程中爆破片破裂形貌
·9·
第29 卷第8 期壓力容器總第237 期
3 結(jié)語
建立了爆破片與安全閥串聯(lián)組合泄放試驗(yàn)裝
置，采用動(dòng)作壓力均為1． 7 MPa 的DN 50 彈簧全
啟式安全閥和DN 50 反拱刻槽爆破片開展試驗(yàn)
研究。結(jié)果表明，單獨(dú)安裝安全閥，隨著接管長度
變長，因泄放阻力增大導(dǎo)致泄放系數(shù)稍變小，試驗(yàn)
所用批次的安全閥泄放系數(shù)最小值為0． 9。爆破
片和安全閥串聯(lián)組合泄放時(shí)，泄放系數(shù)較單獨(dú)安
裝安全閥時(shí)低，在0． 78 ～ 0． 84 之間。不論接管長
度為何值，當(dāng)將本試驗(yàn)所用批次的爆破片與安全
閥串聯(lián)組合泄放時(shí)，組合校正系數(shù)Kc
集中在
0． 876 ～ 0． 912 范圍內(nèi)。因此，為安全起見，當(dāng)這
兩個(gè)批次的爆破片與安全閥串聯(lián)組合泄放時(shí)，建
議組合校正系數(shù)Kc = 0． 87。串聯(lián)組合泄放系數(shù)
等于單獨(dú)安裝安全閥時(shí)的泄放系數(shù)與組合校正系
數(shù)的乘積。
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收稿日期: 2012 － 05 － 02 修稿日期: 2012 － 07 － 03
作者簡(jiǎn)介: 喻健良( 1963 － ) ，男，教授，主要研究方向?yàn)閴?
力容器及管道安全，通信地址: 116024 遼寧省大連市凌工
路2 號(hào)大連理工大學(xué)化環(huán)生學(xué)部實(shí)驗(yàn)樓H513，E － mail:
yujianliang@ dl． cn。
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收稿日期: 2012 － 06 － 20 修稿日期: 2012 － 07 － 11
作者簡(jiǎn)介: 王真勇( 1975 － ) ，男，工程師，技術(shù)部長，主要
從事?lián)Q熱器強(qiáng)化傳熱研究及設(shè)計(jì)開發(fā)工作，通信地址:
528000 廣東省佛山市禪城區(qū)新風(fēng)路6 號(hào)2 座602 房佛山
神威公司，E － mail: wzy717@126． com。
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