ASME PTC 25爆破片装置流体阻力系数的测定

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第４期　化工机械　２０９　ＡＳＭ　Ｅ　ＰＴＣ　２５爆破片装置流体阻力系数的测定　吴全龙　邱清宇　（华东理工大学）　摘要结合ＡＳＭＥ　ＰＴＣ　２５－２００１相关规范，根据气体动力学及流体力学原理对爆破片装置流体阻力系　流体阻力系数爆破片装置流体流量　数测定和计算进行了推导，给出了计算公式。　关键词中图分类号ＴＱ０５１．３　文献标识码Ａ　文章编号０２５４－６０９４（２００６）０４－０２０９－０６　７３．１５Ｋ，０．１　ＭＰａ状态下密度，ｋｇ／ｍ　；　Ｐｏ　符号说明　邸——流量计压差，ＭＰａ；　△Ｊ［）　——测　点Ａ与曰之间的压差，ＭＰａ；　△Ｊ［）　——测压点　与ｃ之间的压差，ＭＰａ；　邸　．　——测压点Ｃ与Ｄ之问的压差，ＭＰａ。　Ｃ　——测压点声速，ｍ／ｓ；　ｄ　——节流件开孔直径，ｍｍ；　Ｄ——测试管道内径，ｍｍ；　Ｄ　——测试容器内径，ｍｍ；　，——管道摩擦系数；　Ｇ——质量流速，ｋ　（Ｉｎ。・ｈ）；　流体阻力系数Ｋ　是一个无量纲系数，用来　计算压力泄放系统中因爆破片装置（包括爆破片　和夹持器）引起的速度损失。爆破片作为单独泄　放装置时其额定泄放量计算方法主要有泄放系数　法和流体阻力系数法。泄放系数法计算简单，明　了易懂，但其使用要受到很多条件的限制，流体阻　Ｋ　——爆破片流体阻力系数；　——气体绝热指数；　Ｍ——气体千摩尔质量，ｋｇ／ｋｍｏｌ；　Ｍ　Ｍ１、　——马赫数；　Ｐ　——流量计入Ｉ：２１静压，ＭＰａ（ａ）；　Ｐ．——测试管道入ｔ３压力，ＭＰａ（ａ）；　ＰＢ——测试容器压力，ＭＰａ（ａ）；　Ｐ　——测压点压力，ＭＰａ（ａ）；　力系数法则适合于任何管路泄压系统的排量计　算，且已经综合考虑了管道直管阻力和弯头、三　通、异径管、阀门以及爆破片装置等管道配件的存　Ｐ　——流量计入ｔ３滞止压力，ＭＰａ（ａ）；　口　——流体质量流量，ｋｓ／ｈ；　在，而引起的流体流道方向或截面的变化产生大　量旋涡形成的流体局部阻力对整个管路系统泄放　量的影响，具有更广泛的通用性，其计算的前提是　需知道所有管件的流体阻力系数。目前国内的超　压泄放装置相关标准（例如ＧＢ１５０—１９９８《钢制压　Ｒ——气体常数，Ｒ＝８　３１４Ｊ／（ｋｍｏｌ・Ｋ）；　——测试管道入口温度，Ｋ；　测试容器温度，Ｋ；　流量计入口温度，Ｋ；　——————流量计入Ｉ：２１滞止温度，Ｋ；　测压点温度，Ｋ；　测压点比体积，Ｉｎ　／ｋｇ；　力容器》附录Ｂ及ＧＢ５６７一ｌ９９９《爆破片与爆破片　装置》）均未对爆破片装置流体阻力系数作介绍。　但随着现代化大化工的迅猛发展，将有越来越多　的安装了安全泄放装置的工况无法满足泄放系数　————ｚ——气体压缩因子；　Ｏｔ——流出系数；　卢——管径比，卢＝ｄｏ／ｄ；　法所规定的条件，而必须采用流体阻力系数法进　行安全泄放量的计算。ＡＳＭＥ　ＰＴＣ　２５－２００１川是　美国机械工程师协会２００１年修订出版的关于压　ｐ。——测定状态下流体密度，ｋｇ／ｍ　；　￥吴全龙，男，１９７５年４月生，工程师。上海市，２００２３７。　维普资讯 http://www.cqvip.com ２１０　化工机械　２００６钲　力泄放装置性能测试规范。该规范给出了爆破片　装置流体阻力系数测定试验装置结构图笔者根　，据气体动力学及流体力学原理对爆破片装置流体　阻力系数计算公式进行了推导。　ａ．不带导流栅试验装置　图１　可压缩流体爆破片装置流体阻力系数测试系统装置　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第４期　化工机械　２ｌｌ　１　爆破片装置流体阻力系数测试装置介绍　ＡＳＭＥ　ＰＴＣ　２５－２００１推荐的用于可压缩流体　爆破片装置流体阻力系数测定试验系统装嚣如图　１所示。利用该装置可以确定特定规格型号的爆　破片装置流体阻力系数，爆破片装置作为试验样　本时应当配备相应的夹持器。图１装置中整个测　试管道，可视为一等截面绝热摩擦管流，气体在管　道内高速流动时，如果管道比较长，则管壁的摩阻　作用是不能忽略的。为了便于分析摩阻对气流的　影响，可以把问题作如下简化：　ａ．只研究等截面管内有摩擦的定常运动；　ｂ．假定管壁是绝热的，气流与外界没有能　量交换。　同时，为了保证测试数据的精确度和可靠性，　测试装置必须满足以下条件：　ａ．测试容器的直径至少１０倍于测试管道的　内径，即Ｄｏ＞１０Ｄ，泄放管径不小于出口管径并且　泄放流人足够大的空间以确保不承受背压。　ｂ．爆破片装置入口与出口中心线对齐度需　满足表１要求。　表１　对齐度的允许偏差　管径／ｒａｍ　对齐度的允许偏差／ｍｍ　ＤⅣｌ５－２５　０．８　ＤＮ３０—１５０　１．６　≥Ｄ　００　１％的常规内径尺寸　ｃ．管子的粗糙度应能保证在２～４６ｐ，ｍ范围　之内。　ｄ。测试系统管子公称直径应和提交的爆破　片装置公称直径一致。　流体测试之前，应在没有安装测试样本的情　况下进行预备试验，确保试验系统不泄漏，同时所　有压力测量仪表均能正常工作并且在校准压力范　围内。测试介质可用空气或其他气体，饱和蒸汽　不能作为测试介质，同时应注意在测试中避免管　道内部结冰。流体阻力系数测试记录数据时应保　证爆破片进口压力不超过指定爆破压力的　１　１０％，且所有仪表均显示在较稳定状态。　提交试验的测试样本应该是同类型爆破片装　置的典型。在进行Ｋ　测定之前，应在图ｌ所示装　置（爆破温度在１５—３０￣Ｃ时）或有授权代表在场　的情况下，在制造商的试验装置上进行爆破试验，　并记录完整的爆破性能数据。　２流体流量测定　在推导流体阻力系数之前需要根据流量计测　量的数据计算出通过爆破片装置的流量，流体流　量测试可选用亚音速流量计或音速流量计并记录　相应的测量数据。对于音速流量计，由于喷嘴喉　部的流速达到音速，此时下游的压力变化不会传　到上游，流量只与上游的压力有关，而亚音速流量　计流量既与上游压力有关又与下游压力有关。所　以音速流量计对提高流量测量的准确度极为有　利，但音速流量计压力损失较大（达到５０％），在　实际测量流量时一般不推荐。　２．１　亚音速流量计流量计算　，　亚音速流量计可选用孔板流量计、喷嘴流量　计和文丘里管等。试验时需记录流量计入口静压　Ｐ　、流量计入口温度　和流量计压差△ｐ，然后由　下式求得其流量：　Ｑ　＝１．２６５　兰；　√△Ｐ１一　ｐ１　（１）　Ｐ。＝２６９５ｐｏｐ　／　。流出系数　受许多因素　影响，例如节流件形状、尺寸、取压位置、管道、安　装情况及流动状态等。ＡＳＭＥ　ＰＴＣ　２５－２００１　４．２．４　给出了孔板及流量喷嘴法流出系数　求解方　法　。ｊ，本文不再赘述。　２．２音速流量计流量计算　音速流量计可选用音速喷嘴流量计，测量时　记录Ｐ　、　，然后由下式求得其流量：　Ｑ　＝７．８５×１０　ａＣ　ｄ０　＿竺二　（Ｊ　２）　ｃ　为实际气体的临界流函数，可由经验公式　，　上　ｃ　＝【专（南）　‘］　计算求得。流出系数　是　雷诺数的函数，可以用实际方法标定取得，也可以　按ＩＳＯ９３００给出的经验公式计算，即　＝　一　ｂＲｅ～，式中口、ｂ和ｎ的数值按不同结构形式的喷　嘴和雷诺数范围，可由表２确定。　有了流量Ｑ　，则可以求出流体质量流速，进　而计算出马赫数。但为了推导爆破片装置流体阻　力系数，在利用图１装置进行试验时还需同时记　录测试系统容器压力Ｐ　、测试系统容器温度　、　维普资讯 http://www.cqvip.com ２１２　化工机械　２００６年　测压点Ｂ的压力Ｐ　、测压点Ａ与Ｂ之间的压差　卸帕、测压点　与ｃ之间的压差卸肼、测压点ｃ　与Ｄ之间的压差卸　。　３测试样本流体阻力系数推导过程　为了推导出　，可将安装有爆破片装置的直　管（本装置测压点曰、Ｄ之间）视为某一当量长度　的直管。首先根据测量记录的测压点以、Ｂ之间　数据计算出管子的摩擦因子；再根据测量记录的　曰、Ｄ之间数据计算出当量长度；由当量长度计算　出的流体阻力与管子实际长度计算出的流体阻力　之差即是因安装爆破片而引起的流体阻力。　３．１　流体测试系统的管路人口马赫数的推导　Ｊ　马赫数Ｍａ为当地流速（本装鼍测压点流速）　与当地音速（本装置测压点音速）之比，即Ｍａ＝　告。一般可用马赫数的大小来划分气体流动的速　度范围：　≤０，即ｕ≤Ｃ，不可压缩流动；Ｍａ＜　ｌ，即　＜Ｃ，亚音速流动；Ｍａ＝１，即　＝Ｃ，音速流　动；而且气体动力学中气体流动的各种关系式大　多表示为马赫数的函数。为此，需要先求得流体　测试系统的管路人口马赫数。　在当地音速只决定于流体的压力和密度间的　关系而与流体是否流动或者流动速度的大小无关　时，其实质上是相对于运动中流体质点而言的速　度。　前面已求得流体流量，由此可计算出质量流　速：　尚２（ｗ　）　　（３）　ｔ＝　去　×　（４）　－１＋　（５）　通过对式（４）与（５）进行迭代计算可求得测　ｐ　【　）　（６）　：　ｆ　１　（７）　导　］　　一ｄｘ２　ｆ（１－　Ｍａ２）　＿　一　１。　ｄＭａ（８）　１＋ｄｘ－　ｒ￣ｚ２Ｍａ２）ｄＭａ（９）　…，　ｆ（　１　＋台＝　１（　）＋　ｋ１－－２ｋ１ｎ［　］（１０，　图２　摩擦管流示意图　上式左边即长度为，Ｊ的管道间的流体阻力系　数，同样对于图１中每个测压点截面与管道人口　截面之间的流体阻力系数可由下式计算：　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３３卷第４期　化工机械　２ｌ　３　１１慨　一　一Ｋ．　＝　（Ｉ　２）　Ｊ×ｌ…“ｎ【　　×Ｍａ　。】Ｊ　（１３）　Ｇ一×　ｌ。　（１１）　（１４）　（１２）　：Ｔ　√　－　［１＋（　警］　（１５）　（ｋ－１）Ｍａ２１（－￣－）　：１＋　（１６）　可确认同一批次爆破片的　值，即测定的　Ｋ　只适用于确定了类型、尺寸和压力的爆破片装　３．４预０试样本流体阻力系数的推导‘　　】置。测定步骤如下：　安装在管路中配件的本流体阻力系数通常可　ａ．在同一批爆破片中取３片分别作爆破试　以依据下式表示为相同尺寸的某一当量管路长度　Ｃ　验，并测定其爆破压力、泄放量和流体阻力（Ｋ川、　的流体阻力：　＝　Ｐ　一ｌ　＝　ＫＲ２、ＫＲ３）；　苦）　）　ｂ．计算出平均流体阻力Ｋ　＝（Ｋ　。＋Ｋ　＋　一　～　ＫＲ３）／３；　由于　、Ｂ之间是一长度已知的直管，即　．　ｃ．取各单个流体阻力与平均流体阻力差值　＝３０Ｄ，因此测试管路的摩擦因子可通过测压点　之绝对值（ＩＫＲｌ—Ｋ　Ｉ，Ｉ　Ｋ２一ＫＲ　Ｉ，Ｉ　一ＫＲ　Ｉ），再　与Ｂ测试数据来进行计算，即：　取其绝对值之平均值即Ｋ＝（Ｉ　Ｋ　．一Ｋ　Ｉ＋Ｉ　—　／＝　Ｊ　４Ｌ　＝　１　２０　（１８）＼　／　　ＫＲ　Ｉ＋Ｉ　—ＫＲ　Ｉ＋…＋Ｉ　—Ｋ　Ｉ）／ｎ（ｎ为试验膜　．　爆破片安装在测压点Ｂ、Ｄ之间，３．３中已经　片数，当出现ｄ中情况时，ｎ＞３），然后用平均流　计算出Ｂ与Ｄ之间流体阻力系数，假设Ｂ、Ｄ之间　体阻力与±３Ｋ之差值确定一个范围，全部单个流　当量长度为Ｌ　，则依据式（１７）对于测压点Ｂ与　体阻力都应在此范围内，即（Ｋ　一３Ｋ）≤Ｋ　。≤（　Ｄ之间同样有：　＋３Ｋ），　、　应和　．满足同样的条件；　ｅ，ａｌｃ＝（　）　（－９）　ｄ．若有一个流体阻力超出上述范围，则应　另测２片代替该片，并计算出新的平均流体阻力　因爆破片装置的存在，则Ｌ　＞Ｌ　将测压　（此时　＞３）；　点　与Ｄ之间的当量长度　和实际长度　差　ｅ．最终确定的平均流体阻力即为爆破片装　值代入式（１７）可计算爆破片Ｋ　值，即：　置Ｋ　值，在计算额定泄放量时，爆破压力一项取　试验中的最小值。　Ｒ＝　（Ｌ　一Ｌ　。）　（２０）　ｆ．单一尺寸法确定的测试结果作为有效数　上式中测压点Ｂ与Ｄ之间的实际的长度Ｌ　据可以应用于４．２描述的三尺寸法中。　是４４Ｄ。　４．２三尺寸法　４爆破片装置流体阻力系数的确定　可确认相同型号不同规格、不同压力的爆破　按以上试验装置测试推导的仅仅是某一测试　片Ｋ　值，测定的　只与爆破片装置类型有关，而　样本的流体阻力系数。根据ＡＳＭＥ　Ｗ－ｌ　ＵＧ一１３１　不受尺寸和压力等的影响。测定步骤如下：　的规定，不同爆破片装置形式试验时，　的测定　ａ．取同型号３种不同规格的爆破片，每种规　方法主要有单一尺寸法和三尺寸法。　格取同一批次中的３片（共９片）分别作爆破试　４．１单一尺寸法　验，测定其爆破压力、泄放量和流动阻力；　维普资讯 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２１４　化工机械　２００６钽　ｂ．按与４．１中ｂ—ｅ相同的步骤确定每种规　６结束语　格爆破片装置　值，再取３种规格Ｋ　值的平均　随着爆破片使用推广的深入，特别是在现代　值即为该型号爆破片装置Ｋ　值。　大型化工中管道系统安装爆破片场合的增多，爆　５讨论　破片装置流体阻力系数将和爆破片爆破压力、爆　不带非受压元件（如密封垫、支撑环、真空托　破温度一样成为爆破片的一个重要性能指标。　架）测得的爆破片装置的流体阻力，可用于同样　ＡＳＭＥⅧ－１　ＵＧ－１２９中规定打“ＵＤ”标记的爆破片　带密封垫、支撑环和真空托架的爆破片装置设计。　装置，制造厂家在出厂的爆破片铭牌上必须标注　仅因爆破片材料或非受压元件，如密封垫、支撑　经专门机构验证的流体阻力Ｋ　，每一个爆破片装　环、真空托架的改变不认为是设计的改变，故不需　置的流体阻力应在ＡＳＭＥ认可的试验室按以上方　对爆破片装置的流体阻力重新进行测试。如果发　法进行测定，测试数据报告由制造商和授权监察　证机构已经对带有附加衬里、涂层或镀层的爆破　机构共同签发，并提交ＡＳＭＥ委派的机构备案以　片装置进行了验证测试，并为附加材料不影响爆　便审查和认可公布。我国相关标准增设这一内容　破片装置的开启性能提供资料，则附加衬里、涂层　只是个时间问题。　和镀层的爆破片装置可用以上Ｋ　进行泄放量计　算。　参考文献　测定了爆破片装置流体阻力系数Ｋ　值，在　１　ＡＳＭＥ　ＰＰＣ　２５＿２ｏｏ１．Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｒｅｌｉｅｆ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　管路系统泄放量计算过程中爆破片装置就能和管　Ｔｅｓｔ　Ｃｏｄｅ　道、弯头、三通、异径管和阀门一样同等考虑进去，　２童秉纲．气体动力学．北京：高等教育出版社，１９９５　考虑到实际管件配置和测试装置的不一致性，故　３　／ＳＯ　４１２６－６：２００３．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ。Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　额定流体阻力系数应将Ｋ　再乘以一个不大于　ｏｆ　Ｂｕｒｓｔｉｎｇ　Ｄｉｓｃ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　０．９的系数。　（收稿日期：２００６４３３－２０，修回日期：２００６４３６－２７）　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｌｏｗ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｒｕｐｔｕｒｅ　Ｄｉｓｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ｏｆ　ＡＳＭＥ　ＰＴＣ　２５　ＷＵ　Ｑｕａｎｌｏｎｇ，ＱＩ　Ｕ　Ｑｉｎｇｙｕ　（Ｅａｓｔ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００２３７，Ｃｈｉａｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ａｎｄ　ｈｙｄｒｏｋｉｎｅｔｉｃｓ，ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｕｐｔｕｒｅ　ｄｉｓｃ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｃｏｄｅｓ　ｏｆ　ＡＳＭＥ　ＰＴＣ　２５－２００１，ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａｅ　ｗｅｒｅ　ｇｉｖｅｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｆｌｏｗ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　Ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ，Ｒｕｐｔｕｒｅ　Ｄｉｓｃ　Ｄｅｖｉｃｅ，Ｆｌｏｗ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　（Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ　ｆｒｏｍ　Ｐａｇｅ　２５０）　（‘Ｎａｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１０００９，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉａｎ；　Ｊｉｎｔｉａｎ　Ｐａｎｇｕ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｄｎｕｓｔｒｙ　Ｃｏ　Ｌｔｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１３１４５，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉａｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｓｈａｐｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙ—　ｄｒｏｇｅｎａｔｉｏｎ　ｒｅａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＴＡ　ｐｌａｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅｉｒ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ｈｉ　ｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ａｌｋａｌｉ　ｅｎｖｉ－　ｏｒｎｍｅｎｔｓ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ａｎｄ　ＥＤＳ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｓｔｒｅｓｓ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＡＮＳＹＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｆｏｒｍｉｎｇ　ｌａｋａｌｉ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｕｔｕａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｗｅｒｅ　ｄｅ－　ｉｒｖｅｄ，ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ＰＴＡ　Ｐｌａｎｔ，Ｈｙｄｒｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｒｅａｃｔｏｒ，Ｃａｕｓｔｉｃ　Ｓｏｄａ，Ｓｔｒｅｓｓ　Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ