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安全泄壓裝置設(shè)計中泄放系數(shù)的確定

文檔作者：王東宇王淑蘭丁信偉文檔來源：大連理工大學(xué)化工學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月28日
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安全泄壓裝置設(shè)計中泄放系數(shù)的確定
王東宇王淑蘭丁信偉
（大連理工大學(xué)化工學(xué)院遼寧!!"#!$）
摘要通過對安全泄壓裝置簡化模型進(jìn)行流體力學(xué)分析，研究了泄放系數(shù)的物理意義，推導(dǎo)出了泄放
系數(shù)的計算公式，為泄放系數(shù)的通用值!"%#&amp;amp;"$提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞物理超壓泄放泄放系數(shù)
! 引言
泄放面積的計算是安全泄壓裝置設(shè)計中的重要
組成部分，泄放系數(shù)是泄放面積計算過程中不可缺
少的重要參數(shù)。它的取值將關(guān)系到泄放計算的準(zhǔn)確
性和可靠性。因此，正確地選取泄放系數(shù)是關(guān)系到
安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。
目前，各國都制定了與安全裝置相關(guān)的設(shè)計標(biāo)
準(zhǔn)和規(guī)范，比如，美國機(jī)械工程師協(xié)會制定的’()*
標(biāo)準(zhǔn)，美國石油學(xué)會制定的’+,-$#標(biāo)準(zhǔn)，,(.組織
制定的,(."/!0以及我國制定的12-"/344等標(biāo)
準(zhǔn)。在各標(biāo)準(zhǔn)中的泄放面積設(shè)計公式里，都引入了
泄放系數(shù)!"
（各標(biāo)準(zhǔn)中的符號有所不同）這一參數(shù)，
但都很少談到它的取值依據(jù)。本文就此參數(shù)進(jìn)行推
導(dǎo)，以便為工程設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
" 泄放系數(shù)的推導(dǎo)
泄放系數(shù)!"
是考慮安全裝置阻力時，介質(zhì)在
單位時間內(nèi)的實際質(zhì)量排量與同一介質(zhì)在同一參數(shù)
和同一壓差下通過理想噴嘴時的理論排量之比，即
#$實%!"#$理。泄放系數(shù)取決于安全裝置的結(jié)構(gòu)、
流道部分的形狀和尺寸比例以及內(nèi)壁的粗糙程度。
這里，安全裝置的形狀和尺寸比例具有決定意義。
可以認(rèn)為，安全裝置的泄放系數(shù)與雷諾數(shù)無關(guān)，因而
也就與介質(zhì)的性質(zhì)和參數(shù)無關(guān)。這是因為經(jīng)過安全
裝置的流動通常是在大大高于臨界雷諾數(shù)的情況下
發(fā)生的，所以流道的幾何相似足可保證流動的相似
性〔!〕。
實際的質(zhì)量排量與理想噴嘴的排量之所以有差
別，主要有兩方面的原因。第一方面，是因為泄放管
的直徑小于容器的直徑，泄放管與容器直接相連，管
道突然收縮，流體的流道縮小，造成了流體質(zhì)點的流
動軌跡朝管道內(nèi)收縮。如圖!所示。
圖! 流道突然收縮造成的流動截面的收縮現(xiàn)象
由圖可見，由于管道突然收縮造成了流體與管
壁分離，導(dǎo)致流動的旋渦形成。流體與管壁的分離
必然導(dǎo)致流動橫截面積收縮。圖中，535截面是截
面發(fā)生收縮后的最小流動面積，稱為“收縮斷面”。
從此截面之后，流動面積逐漸擴(kuò)大直到下游管的整
個截面積為止。
下面對泄放管!3!截面到$3$截面之間進(jìn)行
能量分析。試驗證明〔$〕，大多數(shù)壓強(qiáng)損失（即能量
第!0卷 第6期 中國鍋爐壓力容器安全 ·$6·
損失）的發(fā)生是由于流動面積從收縮斷面開始擴(kuò)大
直到下游管的整個橫斷面所形成旋渦的結(jié)果，因此，
可用截面突然擴(kuò)大的研究方法來研究這種能量損
失。分別在泄放管內(nèi)選取截面!"!和收縮斷面#
"#為研究對象。由上面的論述可知，斷面$"$與
斷面!"!之間的壓強(qiáng)損失可用收縮斷面#"#與
斷面!"!之間的損失代替。
設(shè)收縮斷面#"#的面積為!"
，截面$"$的
面積為!$
，截面!"!的面積為!!
。用連續(xù)方程來
表示#"#截面和!"!兩截面處的流量
!"!#"%!!!#!
（$）
式中，!#"
，!#!
分別代表泄放管兩個截面處的平均速
度。
在收縮斷面#"#和截面!"!之間應(yīng)用動量
方程即沿流動方向的合力%沿流動方向動量的變化
率，可導(dǎo)出下列關(guān)系式：
$"!"&amp;amp;$%（!!"!"
）"$!!!%!!!!#!
（!#!
"!#&amp;amp;
） （!）
式中，$"
和$!
分別為收縮斷面#"#和斷面!"!
處的壓強(qiáng)，$%是作用在斷面面積為（!!"!"
）的環(huán)
域上的壓強(qiáng)，它是由于流體從小流通截面向大流通
截面流動所產(chǎn)生的加速度而造成的，可假定$%%
$"
，這一結(jié)論已經(jīng)得到了實驗的驗證〔!〕。因此，式
（!）可簡化為：
$""$!%!!#!
（!#!"!#"
） （’）
在收縮斷面#"#和截面!"!上應(yīng)用伯努利方程，
用’ 代表由于分離所造成的能量損失，于是可導(dǎo)出
壓差（$""$!
）的表達(dá)式：
$"
!(&amp;amp;!#!
"
!(&amp;amp;)"%$!
!(&amp;amp;!#!!
!(&amp;amp;)!&amp;amp;’ （(）
忽略泄放管收縮斷面與出口之間的垂直距離，)!%
)"
，因而
’%
（$""$!
）
!( &amp;amp;!#!
""!#!!
!(
（)）
同時，以式（’）的$""$!
代入上式
’%!!#!
（!#!"!#"
）
!( &amp;amp;!#!
""!#!!
!( %$
!(
（!!#! !"!!#"!#!
&amp;amp;!#!
""!#!!
）
’%
（!#""!#!
）!
!(
（*）
由式（$）!#!%!#"
（!"
／!!
）
’%!#!
"
!( $"!"
!
（ ）
!
!
%!#!
"
!(
（$"""
）! （+）
式中""
為收縮系數(shù)，取決于不同的泄放管入口形
式，可由試驗確定。實際的泄放最小面積!"%
!!""
。對于任意給定的容器和泄放管的面積比
!!
／!$
，""
都有不同的值相對應(yīng)，表$列出了幾個
""
的試驗值。
表! 突然收縮的收縮系數(shù)〔"〕
!!
!$
,-$ ,-’ ,-) ,-+ $-,
"" ,-*$ ,-*’! ,-*+’ ,-+’ $-,
表中，!$
是截面$"$的面積，即垂直于泄放管
的容器截面積，!!
是截面!"!的面積，即泄放管的
橫截面積。由表可見，不同的面積比，收縮系數(shù)相差
很大。在實際應(yīng)用的泄放裝置中，面積比!!
!$
一般都
不會達(dá)到$-,，常用的都小于,-)。
第二方面原因，是因為在實際的流動中，必有能
量損失，所以流動速度!#"
要小于理論計算值：
收縮斷面的實際速度%"#.!#"
（/）
式中"#
為流速系數(shù)，必須由試驗確定，其值約為
,-0+〔!〕。
現(xiàn)在我們來計算實際的流量：
實際流量%收縮斷面的實際面積!".收縮斷
面的實際流速
根據(jù)以上分析，實際流量與理論流量之間的差
別的兩點原因：
收縮斷面的實際面積%"##!
收縮斷面的實際流速%""!!
實際流量%""!!."##!%"""#.!!#!%
"""#.理論流量
由此可見，泄放系數(shù)"*
等于速度系數(shù)"#
與收
縮系數(shù)""
的乘積。"#
和""
值均由試驗確定。
為了準(zhǔn)確的計算泄放管的面積應(yīng)該采用試差法
計算收縮系數(shù)。但是工程上為了方便計算，對于液
體泄放， （下轉(zhuǎn)第’’頁）
·!(· 中國鍋爐壓力容器安全 第$/卷 第’期
（!）對于脹口上的腐蝕與磨損，不允許堆焊，其他
堆焊受熱面應(yīng)距脹口腐蝕、磨損處在"##$$以外。
（%）堆焊時應(yīng)采用直徑!&amp;amp;’("!’&amp;amp;$$焊條，且
與母材相適應(yīng)，施焊電流要小，平穩(wěn)，一般為)#"
"#(*，盡量采用直流焊機(jī)施焊。
（(）鋼材腐蝕較深，需多層熔焊時，每層厚度不
要超過!$$，上下兩層焊道方向互相垂直，或成
+#,，上層每格的劃分比下層每格的劃分增大或縮
小，不要在分界處產(chǎn)生過深的凹坑。最上一層焊縫
高度比母材板面高出&amp;amp;$$左右（圖!）。
圖! 焊縫高出金屬板面圖% 焊道與板面，焊道與
焊道的關(guān)系
（+）焊條在鋼板上熔成的焊道與板面的交角應(yīng)
大于)#,，以便清除熔渣，每個焊道應(yīng)遮蓋前一道焊
道寬的"／!""／&amp;amp;（圖%）。
（-）堆焊后應(yīng)清除焊縫表面的氧化皮和毛刺，焊
縫表面應(yīng)是均勻的細(xì)鱗狀，表面上不許有弧坑，夾渣
氣孔，裂縫；咬邊的深度不得超過#’($$。
（.）堆焊結(jié)束后，可用手提砂輪機(jī)或磨光機(jī)將堆
焊面高出鋼板部分適當(dāng)修磨，使邊緣與鋼板平滑過
渡，以減少應(yīng)力集中。若發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，必須嚴(yán)格清
除，然后補(bǔ)焊。對于特別重要的部位，堆焊后進(jìn)行滲
透探傷或磁粉探傷，以確保修理質(zhì)量。
以上是鍋爐維修中運用堆焊技術(shù)所需注意的技
術(shù)環(huán)節(jié)，其實效性已被實踐證明，不可忽視。盡管堆
焊可以修復(fù)部件，但堆焊時的熱量會使熱影響區(qū)金
屬組織粗大，性能惡化，故不宜重復(fù)多次進(jìn)行，操作
者必須技術(shù)嫻熟，力爭一次堆焊成功，避免返修。當(dāng)
然，工程實踐中碰到的情況是多種多樣的，各單位的
修理條件也不盡相同，故使用堆焊技術(shù)時必須具體
問題具體對待，制定出既不違反技術(shù)法規(guī)，又能獲得
預(yù)期效果的最佳方案來實施。
參考文獻(xiàn)
" 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局’鍋爐定期檢驗規(guī)則（附解釋）’
")))年
&amp;amp; 勞動部’在用鍋爐定期檢驗規(guī)則’")..年
! 陸緒常’工業(yè)鍋爐損壞和維修’北京：勞動部鍋爐壓力
容器安全雜志社，"))&amp;amp;
（收稿日期#"/#./#+
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
）
（上接第&amp;amp;%頁） 選取最危險的情況下的數(shù)值并適
當(dāng)?shù)仄诒Ｊ貋碜鳛樵O(shè)計使用的泄放系數(shù)，美國的
0120公司采用#’+&amp;amp;作為泄放系數(shù)〔!〕，這一數(shù)值被
廣泛采用；對于氣體泄放，不同的入口形式，泄放系
數(shù)不同（見314+-".中表*’"）。
! 泄放系數(shù)取"#$%的原因
對于一般情況下的泄放系數(shù)取#’+&amp;amp;是按如下
考慮得來的：
泄放管的入口形式如圖&amp;amp;中*所示，此時的收
縮系數(shù)!!
值約為#’+%〔&amp;amp;〕（該值是表"所列的常用
的面積比的平均值（#’+"5#’+!&amp;amp;5#’+-!）／!"
#’+%）。又由于速度系數(shù)!"
約為#’)-，這樣，
!#6!!!"6#’+%7#’)-6#’+.
對于圖&amp;amp;中$，! 兩種形式的泄放管接口，泄放系數(shù)
如果取#’+&amp;amp;，將產(chǎn)生較大的計算誤差。此時的泄放
圖&amp;amp; 泄放管接口示意圖
系數(shù)應(yīng)重新考慮。
參考文獻(xiàn)
" 89#’康德拉契娃’安全閥’上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版
社，")."
&amp;amp; :9;9<=>?@AB，:9C9DABE=FGH，:9*91IAJJEG@K著’湯全明譯
’流體力學(xué)’北京：高等教育出版社，"))&amp;amp;
! L’L’路德維希’化工裝置的工藝設(shè)計’北京：化學(xué)工業(yè)
出版社，")-)
（收稿日期#"/""/#)）
第".卷 第!期 中國鍋爐壓力容器安全 ·!!·

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