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基于
ASME_
20.
装置
能力
计算方法
研究
吴全龙
第 39 卷第 11 期压力容器2022 年 11 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2022 11 008标 准 规 范基于 ASME 12017 标准的爆破片装置泄放能力计算方法研究吴全龙1,孙少辰2,后文杰1,史斐菲1(1 上海华理安全装备有限公司,上海201108;2 沈阳特种设备检测研究院,沈阳110179)摘要:以 ASME 12017 为基础,讨论了爆破片装置作为压力系统单独泄放装置时泄放能力计算的两种方法:流阻系数法和泄放系数法。通过对流阻系数和泄放系数的测试装置、试验方法、计算实例等比较,分析了两种方法之间的内在联系与区别。论文结合某公司爆破片装置“UD”取证的试验数据,进一步探讨了数据处理及公式推导过程,为工程人员和标准制定者提供参考。关键词:爆破片装置;泄放能力;流阻系数;泄放系数中图分类号:TH49;TQ055 8;T 65文献标志码:BStudy on the calculation method of relieving capacity of rupture disk devicesbased on ASME 12017WU Quanlong1,SUN Shaochen2,HOU Wenjie1,SHI Feifei1(1 Shanghai Huali Safety Devices Co,Ltd,Shanghai 201108,China;2 Shenyang Institute of Special Equipment Inspection and esearch,Shenyang 110179,China)Abstract:Two methods were discussed for the relieving capacity calculation of the rupture disk devices used as the sole relievingdevice of a pressure relief system:flow resistance coefficient method and discharge coefficient method based on the ASME Boilerand Pressure Vessel Code Section 12017 By comparing the testing instruments,testing methods and calculation examples offlow resistance coefficient and discharge coefficient,the internal relations and differences between the two methods were analyzedBy combining with the test data of a company offered by NB laboratory for“UD”certification of rupture disc device,the data processingand formula derivation were further discussed,which can provide reference for engineering personnel and standard settersKey words:rupture disk device;relieving capacity;flow resistance coefficient;coefficient of discharge收稿日期:2022 06 02修稿日期:2022 10 20符号说明:A 有效泄放面积,mm2;K,K 流阻系数、平均流阻系数;ea 流阻系数平均偏差;KD 泄放系数;u,u 流速、平均流速,m/s;密度,kg/m3;P 压降,kPa;p 压降,Pa;W 计算流量,kg/h;W1 实测氮气流量,kg/h;WT 理论流量,kg/h;G 质量流速,kg/sm2;d 管道名义内径,mm;K 泄压系统总流阻系数;v 泄放状态下介质的比容,m3/kg;Y 气体膨胀系数;k 气体绝热指数;P0 容器泄放压力绝对值,kPa;P1 管道入口压力绝对值,kPa;65吴全龙,等:基于 ASME 12017 标准的爆破片装置泄放能力计算方法研究p1 管道入口压力绝对值,Pa;P2 管道出口压力绝对值,kPa;p2 管道出口压力绝对值,Pa;Psonic 临界流动压力,kPa;Ysonic 气体临界膨胀系数;T0 容器泄放温度,K;T1 管道入口温度,K;T2 管道出口温度,K。0引言ASME 12017 ASME Boiler PressureVesselCode,Section,Division1,ulesforConstruction of Pressure Vessels 规定,爆破片装置作为承压设备单独泄放装置时,根据上下游进出口管道结构尺寸的不同,应选用不同的泄放能力(泄放量)计算方法:流阻系数法或泄放系数法,与两种方法相对应的爆破片装置产品应分别认证标定流阻系数和泄放系数。ASME 1 未给出流阻系数法计算公式,工程中通常以 API 520 12020 Sizing,Selection,and Installation of Pressure-elieving Devices 附录 E的计算实例作为参考。泄放系数法的理论流量计算公式以绝热等熵喷嘴模型为基础,对泄压系统进出口管道的结构尺寸、泄放介质特性也有很多限制,其中理论流量的计算和泄放系数的测定都应符合相应假设1 6。文中以 ASME 1 为基础,通过理论分析、公式推导和试验数据对比两种方法的应用范围及使用限制条件进行探讨。为叙述方便,文中将包括上下游进出口管道在内的爆破片装置统称为泄压系统。1流阻系数法流阻系数法综合考虑泄压系统直管阻力、弯头、三通、异径管、阀门和爆破片装置等管道配件引起的流体阻力损失影响,以伯努利能量守恒方程为理论基础计算泄放量,具有广泛的通用性,适合于任何泄压系统。采用流阻系数法计算泄放量时,爆破片装置流阻系数 K是非常重要的技术性能参数。ASME PTC252014 Pressure elief DevicesPerformance Test Codes、GB/T 567 42012爆破片安全装置第四部分:型式试验等标准认证测定 K的试验装置如图1 所示,更详细内容可参考文献 7 9。下面以某公司 M90(反拱带槽型)爆破片装置“UD”取证试验数据为例对 K测定过程进行分析。图 1爆破片装置流阻试验装置Fig 1Arrangements for testing flow resistance ofrupture disk devices1 1流阻系数测定试验数据分析按三规格法测定 K时,提供了公称尺寸为25,40,50 mm 三种口径的爆破片装置,每种口径3 片、总计9 片样品用于试验,参照表 1 序号 1 3。流阻系数测定值与爆破片破裂后的几何形状密切关联,爆破压力越低,爆破片开启程度越受限,因此,试验样品中的设定压力应为该设计口径产品中制造厂家所允许制造的最小设计爆破压力。同时,考虑试验装置的能力限制(尤其是气源限制),样品最大口径不大于 50 mm。为便于后续分析,将口径40 mm 的样品测定数据汇总如表 2所示。ASME 1 UG 131 中给出了流阻试验数据处理方法,结合 ASME PTC25 和 GB/T 567 4 的规定,爆破片装置流阻系数试验结果分析程序如下7 8。75PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39,No.11,2022表 1爆破片样品参数Tab 1Table of parameters of rupture disc sample序号样品编号DN/mm设定压力/kPa爆破温度/材料146046A,46050A,46051A251 50022Ni201246068A,46069A,46070A401 00022Ni201346039A,46043A,46044A5070022Ni201448241A,48245A501 03422Monel 400548231A,48239A401 72422316L表 2爆破片装置流阻系数试验结果Tab 2Flow resistance coefficient test results of rupture disk devices编号46068A46069A46070A48231A48239AP0359 3354 5362 0348 9280 6W12 498 42 456 42 493 62 340 32 539 0WT3 982 43 924 14 011 23 851 72 969 9Ki0 0980 152 10 123 50 297KD=W1/WT0 6270 625 60 6220 6080 855测试装置见图 1见图 1见图 1见图 1见图 4(1)根据试验样品测试值计算平均流阻系数和平均偏差,即:K =1n(K1+Kn)(1)ea=1n(|K1 K|+|Kn K|)(2)(2)每一片爆破片的流阻系数应按下式进行合格性判断:|Ki K|3ea(3)(3)如果都满足公式(2)的要求,则该设计结构的爆破片装置流阻系数可按以下公式取值:KK +3ea(4)根据(1)(3)和试验报告提供的 9 个样品流阻系数测定值,计算结果如表 3 所示。每个样品均满足|Ki K|3ea,NB 实验室初始认可的标定流阻系数 K为 0 3。表 3爆破片装置流阻系数计算结果Tab 3Table of calculated flow resistance coefficients for rupture disk devices项目46046A46050A46051A46068A46069A46070A46039A46043A46044AKi0 246 20 167 10 256 60 0980 152 10 123 50 180 70 105 80 143 6K 0 163 7ea0 043 53ea0 130 4Ki K 0 082 40 003 30 092 80 040 30 011 70 065 80 016 90 0580 020 2K 0 294 11 2泄放量计算公式推导与分析图 1 所示爆破片装置流阻系数测试装置是一个典型的任意泄压系统,测试装置的介质流动状态如图 2 所示。截面 1 1 和截面 2 2 分别为管道入口和出口。由于排放时间较短,流动可视为绝热等熵膨胀过程,所有试验数据在达到稳态流动时采集记录,属于一维稳态管流。根据伯努利能量守恒方程,对于截面 1 1 和截面 2 2 有:u212+p1p2dp=u222+hf(5)上式中 hf为因摩擦阻力导致的能量损失:hf=ldu22=Ku22(6)85吴全龙,等:基于 ASME 12017 标准的爆破片装置泄放能力计算方法研究图 2流阻系数测试装置介质流动状态简图Fig 2Schematic diagram of medium flow of the testrig for flow resistance coefficient testing将式(6)代入式(5):u212+p1p2dp=u222+Ku22(7)对于液体,流速 u 和密度 为常数,u1=u2=u,所以:p1p2dp=p1 p2=Ku22化简上式,可得:u=2pK从而有:G=u=2pK(8)将式(8)中 p(压力单位 Pa)转换成 P(压力单位 kPa),并计算泄放量:W=GA=0 1264d2PKv(9)式(9)为适用于液体介质流阻系数法泄放量计算公式。气体从相对较短的管道排放至更大空间(比如大气),气体的流速、比体积、压力沿着管道改变,随着压力降低,流速和比体积增大,容易产生临界流动(流