爆破片装置泄放量的计算——国外标准分析探讨

孙少辰 丁信伟 张志毅 刘 铎 刘 刚

(1.沈阳特种设备检验研究院；2.大连理工大学化工机械学院)

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。

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。

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。

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。

温度的升高使材料的晶界由硬、脆转变为软、弱，导致其抗力降低，这是因为晶界原子的排列是不规则的。原子处于不稳定状态时，原子的移动和扩散易于进行。当温度较高时，晶界强度比晶粒本身的强度下降得快。因此爆破片装置的强度随着温度的升高而逐渐降低，导致实际泄放量与公式计算结果存在一定的偏差。

2.7 排放系统影响

大多数化工厂采用排放系统对超压泄放出的介质进行处理或二次回收利用。排放处理系统一般由管路和容器组成，所有部件的尺寸及压力等级等都应满足作业条件。

因此，从爆破片装置排出的流体可能会引起排出管的温度变化。此外，长时间的阳光照射或邻近设备热辐射也会使其温度发生变化。排出管的温度变化会引起其长度变化，从而产生应力。排放系统所受主要应力是由冷或热物质进入管线时产生膨胀或收缩和排放流体造成的冲击引起的。冲击载荷可能是由于介质突然流入管路系统或由于在变向点产生冲击而引起的。由于上述原因，排放系统会产生分布不均匀的反作用应力，改变了爆破片装置的力学性能和应力状态，使装置受到非均匀载荷的挤压作用，阻碍了泄放过程的正常进行。目前爆破片标准中的泄放量计算多是针对均匀分布压强而言，并不适用于非均匀外载的情形。

综上所述，国外标准泄放量公式的推导过程仅从装置本身出发，考虑的因素并不全面。

3 结束语

国外通用爆破片标准和泄放量公式，在实际应用中，一般采用排量系数法计算爆破片装置的泄放量，但由于背压、化学反应超压、实际泄放与理想泄放的差异、变质量泄放及超音速泄放等的影响，使公式计算结果与实际泄放量存在差异。国内标准GB 567.4对爆破片的性能检测项目在原有的爆破压力试验基础上，增加了泄放量试验、流阻试验、疲劳试验和测量不确定度分析，系统地考虑爆破片装置的排量计算，为完善公式提供必要补充。

[1] ISO 4126-2，Safety Devices for Protection against Excessive Pressure-Part 2：Bursting Disc Safety Devices[S].Switzerland：International Organization for Standardization，2003.

[2] ISO4126-3，Safety Devices for Protection against Excessive Pressure-Part 3：Safety Valves and Bursting Disc Safety Devices in Combination[S].Switzerland：International Organization for Standardization，2006.

[3] ISO4126-6，Safety Devices for Protection against Excessive Pressure-Part 6：Application，Selection and Installation of Bursting Disc Safety Devices[S]. Switzerland：International Organization for Standardization，2003.

[4] API Standard 520，Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices[S]. Washington：American Petroleum Institute，2014.

[5] API Standard 521，Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].Washington：American Petroleum Institute，2014.

[6] ASME BPVC VIII Division 1，Rules for Construction of Pressure Vessels[S]. New York：American Society of Mechanical Engineers，2013.

[7] 王利明，王淑兰，丁信伟，等.两相流模型在泄放面积计算中的应用[J].石油化工设备，2005，(3)：47～48.

[8] Farren W S，Taylo G I.The Heat Developed during Plastic Extension of Metals[J].Proceedings of the Royal Society，1925，107：1422～451.

[9] Taylor G I，Quinney H.The Latent Energy Remaining in a Metal after Cold Working[J].Proceedings of the Royal Society，1934，143：307～326.

[10] Nemat N S，Kapoor R.Determination of Temperature Rise during High Strain Rate Deformation[J]. Mechanics of Materials，1998，27(1)：1～12.

[11] Meyer L W，Herzig N，Halle T.A Basic Approach for Strain Rate Dependent Energy Conversion Including Heat Transfer Effects：An Experimental and Numerical Study[J].Journal of Materials Processing Technology，2007，182(1)：319～326.