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爆破片與安全閥串聯組合泄放特性

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有限公司 5．上海市氣體工業協會			點擊數：
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試驗研究
爆破片與安全閥串聯組合泄放特性
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． 大連理工大學化工機械學院，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有限公司，遼寧沈
陽110043; 5． 上海市氣體工業協會，上海200030)
摘要: 爆破片及安全閥串聯組合泄放系數測定在國內標準及文獻中還未見報道。建立了爆破片與
安全閥串聯組合泄放特性試驗裝置，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。選用孔板流量計測量介質流量，選用反拱刻槽型爆破片及彈簧全
啟式安全閥。以單獨安裝安全閥泄放試驗作為對比試驗。結果表明，單獨安裝安全閥時，隨著接管
長度增加，泄放系數稍變小，但最小值為0． 9。試驗所用批次的爆破片和安全閥串聯組合時，泄放
系數在0． 78 ～ 0． 84 之間，組合校正系數Kc
在0． 876 ～ 0． 912 范圍內。
關鍵詞: 爆破片; 安全閥; 串聯組合; 組合泄放系數; 組合校正系數
中圖分類號: TH138． 52; O343 文獻標識碼: A 文章編號: 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。開展超壓泄放設計時，確定泄放裝置的泄放
系數是計算泄放口徑的關鍵［1 － 6］。對單一爆破片
或安全閥裝置，泄放系數容易選取。但是，工業上
較多場合不適宜采用單一裝置，需將爆破片與安
全閥串聯組合使用，因此必須開展爆破片與安全
閥組合泄放特性及泄放系數相關研究［7 － 10］。
當采用爆破片與安全閥串聯組合時，API 520
標準［4］采用組合校正系數，考慮在安全閥入口安
裝爆破片對安全閥泄放量的影響。組合裝置的泄
放系數等于安全閥單獨作用時的泄放系數與組合
校正系數的乘積，并規定當無法通過試驗確定組
合校正系數時，推薦取0． 9［11］。ASME 規定當不
通過試驗測定時，其值不能超過0． 9。國外ASME
PTC 25 － 2008［12］以及ASME Ⅷ － 1 UG － 132 標
準［13］提供了組合校正系數的測試流程及試驗步
驟。美國BS＆B 公司依據此標準，對組合校正系
數進行了較多的測試工作。然而，國內還未見較
為明確的組合校正系數測定相關標準及測試數
據。
基于此，文中參考國外相關標準，建立安全閥
與爆破片組合泄放試驗裝置，研究安全閥單獨泄
放、爆破片與安全閥串聯組合泄放兩種方式的泄
放系數變化，并通過改變串聯接管長度，研究其對
泄放系數的影響規律。
1 試驗裝置
參考ASME PTC 25—2008 建立試驗流程如
圖1 所示，主要由供氣系統、測試管路、泄放管路、
閥門等組成，試驗介質采用空氣。為了提供較為
平穩的氣源壓力，供氣系統采用壓縮機、2 個立式
儲罐( 6 m3 ) 、1 個臥式儲罐( 1． 88 m3 ) 組成?？諝?
通過壓縮機被壓入2 個立式儲罐中，然后通過人
工控制DN 125 氣動球閥使氣體進入臥式儲罐、
測試和泄放管路中。臥式儲罐通過球閥與測試管
路和泄放管路連接。
圖1 試驗系統流程
測試管路規格為DN 125 ( 133 mm × 4
mm) 。采用標準孔板流量計測量介質流量，安裝
在測試管路上。流量計入口管道內徑D = 125
mm，孔板直徑d = 68． 5 mm。取壓方式為法蘭取
壓，兩測壓口間安裝型號為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
阻測量泄放溫度。泄放管路為DN 50 接管，長度
可調。與測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。測試管路與泄
放接管實物圖如圖2 所示。
選用DN 50 彈簧全啟式安全閥，整定壓力為
1． 7 MPa，進口直徑D1 = 50 mm，喉部直徑d = 35
mm，閥瓣達到最高處時上升高度h = 8． 75 mm，出
口直徑D2 = 80 mm。采用某公司生產的DN 50 反
拱刻槽爆破片，爆破壓力1． 7 MPa。
當開展單獨安全閥泄放試驗時，將安全閥安
裝在圖2 中位置B 處; 當開展組合泄放試驗時，
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 測試與泄放管路圖
試驗流程: 首先將泄放裝置裝入泄放管路，然
后手動打開臥式容器與測試管路中的球閥，利用
壓縮機向立式儲罐內充入高于泄放壓力的氣體;
充氣完畢后，手動按下DN 125 氣動球閥按鈕使
閥開啟，立式儲罐內氣體充入臥式儲罐及測試、泄
放管路; 待壓力達到泄放裝置動作壓力后，手動松
開DN 125 氣動球閥按鈕使閥關閉。流量計、壓
力傳感器、溫度傳感器測量泄放瞬間流量、壓力及
溫度。
2 試驗結果及分析
泄放系數Kd
為泄放裝置實際泄放量與理論
泄放量之比。理論泄放量指泄放裝置為理想圓管
時的泄放量，可依據文獻［1 － 4］并設定泄放系數
為1 計算得到。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
算。
表1 列出試驗測得的不同接管長度L 及泄放
壓力P 下，單獨安裝安全閥時的實際泄放量W 與
計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與計算結果。
根據表1 中數據，計算得到不同長度的接管
單獨安裝安全閥時泄放系數Kd
隨泄放壓力P 的
變化如圖3 所示。
由圖3 可知，當接管長度L 在50 ～ 300 mm
范圍內，隨泄放壓力P 變化，安全閥泄放系數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，泄放系數取小值偏于保守，則
單獨使用此批次安全閥時，泄放系數可取為0． 9。
但是，在不同接管長度L 下，泄放系數稍有不同。
L = 50， 150， 250， 300 mm 時對應的泄放系數最小
值分別為0． 93，0
． 92，0
． 9，0
． 9。這是因為隨著接
管長度增大，泄放阻力增大，泄放效果下降。
表1 單獨安裝安全閥時的數據
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組合泄放數據
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
根據表2 計算得到的爆破片與安全閥串聯組
合時的組合泄放系數K'
d
如表3 所示。表3 中同
時給出了單獨安裝安全閥時的泄放系數Kd。
·8·
CPVT 爆破片與安全閥串聯組合泄放特性Vol29. No8 2012
圖3 單獨安裝安全閥時泄放系數隨泄放壓力變化
表3 串聯組合泄放系數K'
d
與組合校正系數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，當采用爆破片與安全閥組合泄
放時，組合泄放系數K'
d
較安全閥單獨安裝時的泄
放系數Kd
要低，基本在0． 78 ～ 0． 84 之間變化，接
管長度L 對組合泄放系數的影響不明顯。
泄放裝置組合時，泄放系數的變化可以用組
合校正系數Kc = K'
d /Kd
衡量，結果見表3。當爆
破片與安全閥串聯時，不論接管長度為何值，組合
校正系數Kc
基本集中在0． 876 ～ 0． 912 范圍內。
因此，當此批次爆破片與安全閥在工業中應用時，
為了安全起見，建議組合校正系數Kc
取0． 87。文
獻［4］中推薦Kc = 0． 9，本試驗采用的爆破片串聯
安全閥的系數稍低于文獻值。分析認為，本試驗
過程中由于采用人工控制DN 125 氣動球閥的開
啟及關閉按鈕，因此從泄放裝置動作到停止升壓
的時間間隔無法精確控制，導致泄放裝置動作后
立式儲罐繼續向臥式儲罐充氣，且時間并不確定。
另外，由于本裝置僅能測量泄放瞬間的狀態，無法
測量穩定的泄放狀態下的數值，因此本試驗測得
的組合校正系數較標準推薦值稍有差異。
爆破片爆破形態與組合泄放系數K'
d
有很大
關系。爆破片開度較大，對安全閥泄放影響較小，
因此組合泄放系數趨近于單獨安裝安全閥的泄放
系數。圖4 示出不同試驗條件下組合泄放后爆破
片爆破形態。
試驗發現，除了爆破片爆破形態外，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
質狀態、管線阻力等。因此，必須進一步系統地開
展組合泄放性能研究，尋求泄放性能影響因素及
規律，以完善現有泄放設計理論及技術。
圖4 組合泄放試驗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 結語
建立了爆破片與安全閥串聯組合泄放試驗裝
置，采用動作壓力均為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
研究。結果表明，單獨安裝安全閥，隨著接管長度
變長，因泄放阻力增大導致泄放系數稍變小，試驗
所用批次的安全閥泄放系數最小值為0． 9。爆破
片和安全閥串聯組合泄放時，泄放系數較單獨安
裝安全閥時低，在0． 78 ～ 0． 84 之間。不論接管長
度為何值，當將本試驗所用批次的爆破片與安全
閥串聯組合泄放時，組合校正系數Kc
集中在
0． 876 ～ 0． 912 范圍內。因此，為安全起見，當這
兩個批次的爆破片與安全閥串聯組合泄放時，建
議組合校正系數Kc = 0． 87。串聯組合泄放系數
等于單獨安裝安全閥時的泄放系數與組合校正系
數的乘積。
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收稿日期: 2012 － 05 － 02 修稿日期: 2012 － 07 － 03
作者簡介: 喻健良( 1963 － ) ，男，教授，主要研究方向為壓
力容器及管道安全，通信地址: 116024 遼寧省大連市凌工
路2 號大連理工大學化環生學部實驗樓H513，E － mail:
yujianliang@ dl． cn。
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收稿日期: 2012 － 06 － 20 修稿日期: 2012 － 07 － 11
作者簡介: 王真勇( 1975 － ) ，男，工程師，技術部長，主要
從事換熱器強化傳熱研究及設計開發工作，通信地址:
528000 廣東省佛山市禪城區新風路6 號2 座602 房佛山
神威公司，E － mail: wzy717@126． com。
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CPVT 爆破片與安全閥串聯組合泄放特性Vol29. No8 2012

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