安全阀和爆破片

一、安全阀

1. 安全阀概述

1）基本结构

安全阀主要由密封结构（阀座和阀瓣）和加载机构（弹簧或重锤、导阀）组成，这是一种由进口侧流体介质推动阀瓣开启，泄压后自动关闭的特种阀门，属于重闭式泄压装置。阀座和座体可以是一个整体，也有组装在一起的，与容器连通；阀瓣通常连带有阀杆，紧扣在阀座上；阀瓣上加载机构的载荷大小是可以根据压力容器的规定工作压力来调节的。

2）工作原理及过程

安全阀的工作过程大致可分为四个阶段，即正常工作阶段、临界开启阶段、连续排放阶段和回座阶段，如图8−1所示。在正常工作阶段，容器内介质作用于阀瓣上的压力小于加载机构施加在它上面的力，两者之差构成阀瓣与阀座之间的密封力，使阀瓣紧压着阀座，容器内的气体无法通过安全阀排出；在临界开启阶段，压力容器内的压力超出了正常工作范围，并达到安全阀的开启压力，预调好的加载机构施加在阀瓣上的力小于内压作用于阀瓣上的压力，于是介质开始穿透阀瓣与阀座密封面，密封面形成微小的间隙，进而局部产生泄漏，并由断续地泄漏而逐步形成连续地泄漏；在连续排放阶段，随着介质压力的进一步升高，阀瓣即脱离阀座向上升起，继而排放；在回座阶段，如果容器的安全泄放量小于安全阀的排量，容器内压力逐渐下降，很快降回到正常工作压力，此时介质作用于阀瓣上的力又小于加载机构施加在它上面的力，阀瓣又压紧阀座，气体停止排出，容器保持正常的工作压力继续工作。安全阀通过作用在阀瓣上的两个力的不平衡作用，使其启闭，以达到自动控制压力容器超压的目的。要达到防止压力容器超压的目的，安全阀的排气量不得小于压力容器的安全泄放量。

图8−1 安全阀工作过程曲线

pz—开启压力；pd—排放压力；pr—回座压力；

pw—容器最大工作压力

3）基本要求

为了使压力容器正常安全运行，安全阀应满足以下基本要求：

（1） 安全阀必须是有质量保证的产品，即具有出厂随带的产品质量说明书，并且阀体外表面必须有装设牢固的金属铭牌。

（2） 安全阀应该动作灵敏可靠，当压力达到开启压力时，阀瓣即能自动迅速地开启，顺利地排出气体。当压力降低后，能及时关闭阀瓣。

（3） 在排放压力下，阀瓣应达到全开位置，并能排放出规定的气量。

（4） 安全阀应该具有良好的密封性能，即要求不但能在正常工作压力下保持不漏，而且在开启排气并降低压力后能及时关闭，关闭后继续保持密封良好。

（5） 安全阀应结构紧凑、调节方便且应确保动作准确可靠，即要求杠杆式安全阀应有防止重锤自由移动的装置和能限制杠杆越出的导架；弹簧式安全阀应有防止随便拧动调整螺钉的铅封装置；静重式安全阀应有防止重片飞脱的装置。

2. 安全阀的分类

1）按加载机构的类型分类

（1） 重锤杠杆式安全阀。重锤杠杆式安全阀是利用重锤和杠杆来平衡施加在阀瓣上的力，其结构如图8−2所示。根据杠杆原理，加载机构（重锤和杠杆等）作用在阀瓣上的力与重锤重力之比等于重锤至支点的距离与阀杆中心至支点的距离之比。所以它可以利用质量较小的重锤通过杠杆的增大作用获得较大的作用力，并通过移动重锤的位置（或改变重锤的质量）来调整安全阀的开启压力。

图8−2 重锤杠杆式安全阀

1—阀罩；2—支点；3—阀杆；4—力点；5—导架；6—阀芯；7—杠杆；

8—调整螺钉；9—固定螺钉；10—重锤；11—阀体

重锤杠杆式安全阀结构简单，调整容易，又比较准确。因加载机构无弹性元件，故在温度较高的情况下及阀瓣升高过程中，施加于阀瓣上的载荷不发生变化，因而较为适合在温度较高的场合下使用，多用于使用蒸汽系统的压力较低、温度较高的固定式压力容器。但这种安全阀也存在不少缺点，它的结构比较笨重，重锤与阀体的尺寸很不相称；加载机构比较容易振动，并会因振动而影响密封性能；杠杆与阀杆的接触也存在一些问题，当杠杆升起之后，它上面的“刀口”，即阀杆与杠杆的接触点就与阀座、阀杆不在一条中心线上，这样容易因阀杆受力不垂直而把阀瓣压偏，尤其在阀杆顶端的刀口被磨损时情况更严重；这类安全阀的回座压力一般都比较低，有的甚至要降到工作压力的70%以下才能保持密封。

（2） 弹簧式安全阀。弹簧式安全阀是利用压缩弹簧的弹力来平衡作用在阀瓣上的力，其结构如图8−3所示。螺旋圈形弹簧的压缩量可以通过转动它上面的调整螺母来调节，利用这种结构就可以根据需要校正安全阀的开启压力。

弹簧式安全阀的结构轻便紧凑，灵敏度也较高，安装位置不受严格限制，是压力容器最常选用的一种安全阀。另外，因对振动的敏感性差，也可用于移动式压力容器。这种安全阀的缺点是不能迅速开启至顺畅排放，排放泄压滞后性明显。主要原因是施加在阀瓣上的载荷会随着阀的开启而发生变化。因为随着阀瓣的升高，弹簧的压缩量增大，作用在阀瓣上的力也随之增加，所以必须通过内压的继续升高来抵消弹簧因压缩而增加的力，使安全阀有足够的开启高度来确保排气量。这就造成弹簧式安全阀的开启压力略小于排放压力。

图8−3 弹簧式安全阀

1—阀帽；2—调整螺钉；3—销子；4—弹簧压盖；5—弹簧；

6—阀杆；7—阀盖；8—阀芯；9—阀座；10—阀体；11—手柄

此外，弹簧还会因长期受高温的影响而导致弹力减小，故高温容器使用时，需考虑弹簧的隔热或散热问题。

图8−4 脉冲式安全阀

（a）主阀；（b）脉冲阀

（3） 脉冲式安全阀。脉冲式安全阀是一种非直接作用式安全阀，它由主阀和脉冲阀构成，如图8−4所示。脉冲阀为主阀提供驱动源，通过脉冲阀的作用带动主阀动作。脉冲阀具有一套弹簧式的加载机构，它通过管子与装接主阀的管路相通。当容器内的压力超过规定的工作压力时，脉冲阀就会像一般的安全阀一样，阀瓣开启，气体由脉冲阀排出后通过一根旁通管进入主阀下面的空室，并推动活塞。由于主阀的活塞与阀瓣是用阀杆连接的，且活塞的横截面积比阀瓣面积大，所以在相同的气体压力下，气体作用在活塞上的作用力大于作用在阀瓣上的力，于是活塞通过阀杆将主阀瓣顶开，大量的气体从主阀排出。当容器的内压降至工作压力时，脉冲阀上加载机构施加于阀瓣上的力大于气体作用在它上面的力，阀瓣即下降，脉冲阀关闭，使主阀活塞下面空室内的气体压力降低，作用在活塞上的力再也无法维持活塞通过阀杆将阀瓣继续顶开，因此主阀跟着关闭，容器继续运行。

由于脉冲式安全阀主阀压紧阀瓣的力可以比直接作用式安全阀大得多，故阀瓣与阀座之间可以获得较大的密封压力，其密封性能较好。同时也正因为主阀压紧阀瓣的力较大，且在同等条件下加载机构所承担的压紧力比直接作用式安全阀要小得多，相当于同等条件下可以大大地减少加载机构的尺寸，所以解决了重锤杠杆式安全阀和弹簧式安全阀不适用于安全泄放量较大的压力容器的问题。因为口径很大的安全阀如果用杠杆重锤式或弹簧式，要用质量很大的重锤或弹力很大的弹簧，而这两者一般都有一定的限制。为了操作方便，杠杆重锤式安全阀重锤的质量一般不宜超过60 kg，而弹簧式安全阀弹簧的弹力最大不应超过2×104N，过大、过硬的弹簧不能准确地工作。而脉冲式安全阀正好能弥补这些不足，用于泄放压力高、泄放量大的场合。但脉冲式安全阀的结构复杂，动作的可靠性不仅取决于主阀，也取决于脉冲阀和辅助控制系统，受影响的因素太多，容易出现失灵或泄压不准确等现象。因此，使用上有一定的局限性，目前只在大型电站锅炉或水库中应用。

在上述的三种安全阀中，用得最普遍的是弹簧式安全阀。特别是随着技术的进步，弹簧式安全阀得到不断的改进，如弹簧在长期高温作用下弹力减退的问题已基本解决，因此杠杆重锤式安全阀就逐步被弹簧式安全阀所取代。

2）按安全阀的开启高度分类

安全阀的开启高度是按照其阀瓣开启的最大高度与阀孔直径之比来划分的，按这种方法分类可分为全启式和微启式两种。

安全阀开启排气时，可将气体流经整个安全阀的流通面积分为两段，一段是由阀进口端到阀瓣与阀座密封面前流道的通道面积，由于该流道的通道面积由阀体的结构所决定，是阀体所固有、不可调的，故将其称作不变流通面积。另一段是可变流通面积，安全阀开启阀瓣离开阀座，气体从阀瓣与阀座的密封面之间的空隙排走，而这一空隙会随着开启高度的变化而变化，因此将气体流经此空隙的有效流通面积称为可变流通面积。

（1） 全启式安全阀。开启时，阀瓣可以上升到足够高度以达到完全开启的程度，即可变流通面积大于或等于不变流通面积。有的全启式安全阀装有上、下调节圈，图8−5（a）所示为一种性能较好，带上、下调节圈的全启式安全阀。它有一个喷嘴式的阀座，以保证气体在阀座的窄断面处具有较高的流速。装在阀瓣外面的上调节圈和阀座上的下调节圈在气体出口处形成一个很窄的缝隙。当开启不大时，气流两次撞击阀瓣使它继续上升。开启高度增大后，上调节圈又使气流方向弯转向下，反作用力又使阀瓣进一步开启。这种安全阀的灵敏度较高，但对于两个调节圈的位置较难调节适当。近年来，发展了一种便于调整的简化结构，普遍将上调节圈改为反冲盘结构。反冲盘不能被上下调节，但与阀瓣活动连接，其结构如图8−5（b）所示。这一结构的缺点是灵敏度要比装有调节圈的全启式安全阀稍低一些。

（2） 微启式安全阀。开启高度较小，一般都不到孔径的1/20。但是它的结构简单，制造、维修和调试都比较方便，宜用于泄放量不大、压力不高的场合。公称直径在50 mm以上的微启式安全阀，为了增大阀瓣的开启高度，使它达到h≥do/20的要求，一般都在阀座上装设一个简单的调节圈，通过它的上、下调节，可调整气体对阀瓣的作用力，如图8−6所示。对同样的排气量，全启式安全阀较微启式安全阀的体积小得多，尽管它结构、调试、维修复杂，回座压力也较低，但目前仍被较多地使用。

图8−5 带调节圈的全启式安全阀

1—下调节圈；2—上调节圈；3—反冲盘

图8−6 微启式安全阀

3）按介质排放方式分类

安全阀的种类按照介质排放方式的不同，可分为全封闭式、半封闭式和开放式三种。

（1） 全封闭式。全封闭式安全阀排放时，气体全部通过排气管排放，介质不能向外泄漏，排气管排出的气被收集起来重新利用或做其他处理，因此，全封闭式安全阀主要用于有毒、易燃介质的容器。

（2） 半封闭式。半封闭式安全阀所排出的气体大部分经排气管排走，但仍有一部分从阀盖与阀杆之间的间隙中漏出，半封闭式安全阀多用于介质为不会污染环境的气体的容器。

（3） 开放式。开放式安全阀的阀盖是敞开的，使弹簧腔室或杠杆支点腔与大气相通，排放的气体直接进入周围的空间，主要适用于介质为蒸汽、压缩空气以及对大气不产生污染的高温气体的容器。

3. 安全阀额定泄放量的计算

每个合格的安全阀一般都会在其铭牌上标记该阀用于某种工作条件（压力、温度）下的额定泄放量，但实际使用条件往往与铭牌上的条件不完全相同，这就需要对安全阀的泄放量进行换算或重新计算。

1）介质为气体

为计算安全阀的额定泄放量，将安全阀启动排泄气体时气体的流速分为临界流速和亚临界流速。临界流速是指排气时气体由安全阀阀座喷口流出时所能达到的最大流速，相应地达到此流速的条件称作临界条件。大多数安全阀在排放气体时，气体流速都处于临界状态。

（1） 临界条件，即时，泄放能力按下式计算：

（2） 亚临界条件，即时，泄放能力按下式计算：

式中 W s——容器的安全泄放量，kg/h；

κ——气体等熵指数；

fp——安全阀的泄放压力（绝压），包括动作压力和超压限度两部分，MPa；

op——安全阀的出口侧压力，MPa；

A——安全阀或爆破片的泄放面积，m2；

C——气体特性系数；

K——安全阀的泄放系数，普通情况下取额定泄放系数（通常由安全阀制造厂提供）；对于液体介质，取值0.62或按有关安全技术规范的规定取值；

M——气体的摩尔质量，g/mol；

f T——安全阀的泄放温度，K；

Z——气体的压缩系数，对于空气，Z=1.0。

其中，气体特性系数C按下式求取：

2）介质为水蒸气（饱和与过热）

式中 C′——水蒸气特性系数，蒸汽压力小于11 MPa的饱和水蒸气，C′≈1；对于过热水蒸气，C′随过热温度的增加而减小。

3）介质为液体

式中 ρ——流体密度，kg/m3；

pΔ ——安全阀泄放时内、外侧的压力差，MPa；

ξ——液体黏度校正系数。

系数ξ的取值：当液体的黏度不大于20 ℃水的黏度时，取ξ=1.0；当液体的黏度大于20 ℃水的黏度时，液体阻力损失增大，此时ξ＜1.0，可根据雷诺数查出。

4. 安全阀的选用与安装

1）安全阀的选用

安全阀的选用应根据容器的工作压力、工作温度、介质特性（毒性、腐蚀性、黏性和清洁程度等）及容器有无振动等综合考虑。

（1） 阀型的选定。压力容器所用安全阀的类型，取决于压力容器的工艺条件及工作介质的特性，可根据安全阀的结构、排气方式等选取。

① 按安全阀的加载机构选用。一般压力容器宜用弹簧式安全阀，因其结构紧凑、轻便，也比较灵敏可靠；压力较低、温度较高且无振动的压力容器可采用重锤杠杆式安全阀。

② 按安全阀的排放方式选用。对有毒、易燃或如制冷剂等对大气造成污染和危害的工作介质的压力容器，应选用封闭式安全阀；对压缩空气、蒸汽或如氧气、氮气等不会污染环境的气体，采用开放式或半开放式安全阀。

③ 按安全阀的封闭机构选用。高压容器以及安全阀泄放量较大而壁厚又不太富裕的中、低压容器，最好采用全启式安全阀。对于安全泄放量较小或操作压力要求平稳的压力容器，宜采用微启式安全阀。在两者均可选取时，应首选全启式安全阀，因为同样的排量，全启式安全阀的直径比微启式的直径要小得多，故采用全启式安全阀可以减小容器的开孔尺寸。

（2） 规格的确定。

① 公称压力。安全阀是根据公称压力p N标准系列进行设计制造的。其型号有1.6 MPa、2.5 MPa、4.0 MPa、6.4 MPa、10 MPa、16 MPa和32 MPa。公称压力表示安全阀在常温状态下的最高许用压力，因此高温容器选用安全阀时还应考虑高温对材料许用应力的降低，即

式中 Np ——安全阀的公称压力，MPa；

p——容器的设计压力，MPa；

[ ]tσ——阀体材料在常温下的许用应力，MPa；

[ ]σ——阀体材料在工作温度下的许用应力，MPa。

安全阀的公称压力只表明安全阀阀体所能承受的强度，并不代表安全阀的排气压力，排气压力必须在公称压力范围内，不同的压力容器对安全阀的排气压力有不同的要求。因此，安全阀的设计在公称压力的范围内，还通过将弹簧分成适当的级别，以适应不同的排气压力（工作压力），不同级别配备不同刚度的弹簧。例如，公称压力 Np =1.6 MPa的安全阀，按压力大小配备有5种级别的弹簧，选用时应按压力容器的设计压力选定最接近的且稍大于排气压力的一种。

② 公称直径。安全阀的通径也是设定标准系列（公称直径）进行制造的。为了保证安全阀在容器超压并排放气体后，容器内的压力不再继续升高，要求安全阀的排量必须不小于容器的安全泄放量。在压力容器安全泄放量已知的情况下，就可以确定安全阀需要的泄放面积以及安全阀的流通直径dt，据计算得到的数值，取稍大或相近的标准系列直径，并按表8−1确定安全阀的公称直径DN。

表8−1 公称直径DN与流通直径dt

如果安全阀的铭牌上标注有排量，则可以选择排量略大于或等于容器安全泄放量的安全阀。但当容器的工作介质或设计压力、设计温度等与安全阀铭牌标注的条件不同时，则应该按铭牌上的排量换算成实际使用条件下的排量，并要求此排量不小于压力容器的安全泄放量。

2）安全阀的安装

为保证压力容器的安全运行，防止事故的发生，安装安全阀时需遵循以下几点要求：

（1） 在安装安全阀之前，应根据使用情况对安全阀进行调试校验后才允许安装使用；调试校验原则上应由有压力容器安装资质的安装队或送经当地质监部门认可的安全阀校验站调试校验，并出具校验证。

（2） 应垂直安装安全阀，并应将安全阀装设在压力容器液面以上的气相空间部分，或装设在与压力容器气相空间相连的管道上。

（3） 对于压力容器与安全阀之间的连接管和管件的通孔，其截面积不得小于安全阀的进口截面积，其接管应尽量短而直，以尽量减少阻力，避免使用急弯管、截面局部收缩等增加管路阻力甚至会引起污物积聚而发生堵塞等的配管结构。

（4） 压力容器的一个连接口上若装设两个或两个以上的安全阀，则该连接口入口的截面积应至少等于这些安全阀的进口截面积总和。

（5） 安全阀与压力容器之间一般不宜装设截止阀。为实现安全阀的在线校验，可以在安全阀与压力容器之间装设爆破片装置。对于盛装毒性程度为极度、高度、中度的危害介质，易燃介质，腐蚀、黏性介质或贵重介质的压力容器，为便于安全阀的清洗与更换，经使用单位主管压力容器安全的技术负责人批准，并制定可靠的防范措施，方可在安全阀（爆破片装置）与压力容器之间装设截止阀。压力容器安全运行期间截止阀必须保证全开并加铅封或锁定，截止阀的结构和通径应不妨碍安全阀的安全泄放。安全阀的装设位置，应便于日常检查、维护和检修；安装在室外露天的安全阀，应有防止气温低于0 ℃时阀内水分冻结，影响安全排放的可靠措施。

（6） 针对介质按要求装设排放导管的安全阀，排放导管的内径不得小于安全阀的公称直径，并有防止导管内积液的措施。两个以上的安全阀若共用一根排放导管，则导管的截面积不应小于所有安全阀出口截面积的总和。氧气和可燃性气体以及其他能相互产生化学反应的两种气体不能共用一根排放导管。

（7） 安装杠杆式安全阀时，必须使其阀杆严格保持在铅垂的位置。安全阀与它的连接管路上的连接螺栓必须均匀地上紧，以免阀体产生附加应力，妨碍安全阀的正常工作。

5. 安全阀的维护保养

要使安全阀经常处于良好的状态，保持灵敏可靠和密封性能良好，就必须在压力容器的运行过程中加强对它的维护和检查。

（1） 要经常保持安全阀清洁，防止阀体弹簧等被油垢脏物粘满或被锈蚀，防止安全阀排放管被油垢或其他异物堵塞。对设置在室外露天的安全阀，还要注意防冻。

（2） 经常检査安全阀的铅封是否完好。检查杠杆式安全阀的重锤是否有松动、被移动以及另挂重物的现象。

（3） 发现安全阀有泄漏迹象时，应及时修理或更换。禁止用增加载荷的方法（如加大弹簧的压缩量或移动重锤和加挂重物等）减除阀的泄漏。

（4） 对空气、水蒸气以及带有黏性物质而排气又不会造成危害的其他气体的安全阀，应定期做手提排气试验。手提排气试验的间隔期限可以根据气体的洁净程度来确定。

二、爆破片

爆破片是另一种常用的压力容器安全泄放装置，由爆破片本身和相应的夹持器组成，通常所说的爆破片包括夹持器等部件。爆破片是一种由压力差作用驱使膜片断裂而自动泄压的装置。与安全阀相比，它有两个特点：一是属于无机械动作元件，可以做到完全封闭；二是泄压时惯性小，反应迅速，爆破压力精度高。

爆破片装置结构简单，使用压力范围广，并可采用多种材料制作，因而耐腐蚀性强。但爆破片断裂泄压后不能继续工作，容器也只能停止运行，因而爆破片只是在不宜装设安全阀的压力容器中使用。由于爆破片装置是一种非自动关闭的动作灵敏的泄压装置，所以其爆破压力必须由对应的温度来确定。同时，爆破片的选用除根据不同的类型及材料以外，还与操作温度、系统压力和工作过程等诸多因素有关，因而爆破片的选型、安装及使用应比安全阀更严格和慎重。

1. 爆破片的分类

按破坏时的受力形式不同，爆破片可分为拉伸型、压缩型、剪切型和弯曲型。按爆破形式不同，爆破片可分为爆破型、触破型和脱落型。按爆破元件的材料不同，爆破片可分为金属爆破片和非金属爆破片。按产品外观不同，爆破片可分为正拱形、反拱形和平板形。

1）正拱形爆破片（拉伸型）

正拱形爆破片的压力敏感元件呈正拱形。安装后拱的凹面处于压力系统的高压侧，动作时该元件发生拉伸破裂。爆破片拱的成形压力为爆破压力的75%～92%，所以普通爆破片的允许工作压力不应超过其规定爆破压力的70%。当工作压力为脉动压力时，工作压力不应超过规定爆破压力的60%。因而在正常工作压力下，爆破片膜片的形状一般不会改变。通常较适用于系统压力过程比较稳定的场合。

正拱形爆破片又分为正拱普通型爆破片、正拱开缝型爆破片和正拱刻槽型爆破片。其尺寸与应用范围见表8−2。表8−2中的符号意义见表8−3和表8−4。

表8−2 正拱形爆破片的尺寸与应用范围

表8−3 爆破片符号

表8−4 爆破片夹持面与密封面符号

（1） 正拱普通型。正拱普通型爆破片为单层膜片，是由坯片直接成形的，爆破压力由爆破片的材料强度控制。当设备系统超压时，爆破片被双向拉伸，发生塑性变形，使壁厚减薄，以致最终破裂而泄放压力。正拱普通型爆破片装置是用塑性良好的不锈钢、镍、铜、铝等材料制成爆破片装在一副夹持器内构成。

（2） 正拱开缝型。正拱开缝型是在正拱普通型的基础上为解决箔材的厚度不适应各种需要的压力动作而研制的。它是由有缝（孔）的拱形片与密封膜组成的正拱形爆破片。由于有缝（孔）造成薄弱环节，其爆破压力由薄弱环节控制。当膜片承压后，爆破片被双向拉伸，在压力达到规定时，薄弱环节破裂。为了保持在正常工作压力下的密封和变形，在膜片凹侧贴有一层含氟塑料。

膜片可以按箔材的成品厚度规格制造，调整孔桥间的宽度或小孔直径，但一般是调整小孔中心圆的直径来调节膜片的爆破压力，以满足容器设计压力的需要。

（3） 正拱刻槽型。正拱刻槽型是在拱面上加工有槽的正拱形爆破片。开槽的作用与开缝相似。

2）反拱形爆破片（压缩型）

反拱形爆破片的压力敏感元件呈反拱形。安装后，拱的凸面处于压力系统高压侧，该系列爆破片的爆破压力是靠爆破片的弹性失稳控制的。当被保护系统超压时，爆破片被双向压缩发生弹性失稳，使预拱的爆破元件反向屈曲，快速翻转或被刀片切破，或沿爆破片上的槽裂开，打开排放截面泄放压力，起到保护系统的作用。

反拱形爆破片弥补了拉伸型爆破片靠拉伸强度控制爆破压力的缺陷。它利用爆破片材料的抗压强度来确定其爆破压力，系统压力作用在爆破片的凸面。这种爆破片几乎不会疲劳，不产生碎片，且系统的最高工作压力可在其爆破压力的90%或更高的条件下正常操作，比普通爆破片有更好的适应性和准确性。

反拱形膜片的制造材料与正拱形相同。根据泄放的方式不同，反拱形爆破片分为反拱刀架（或颚齿）型爆破片、反拱脱落型爆破片和反拱刻槽型爆破片，具体见表8−5。

表8−5 反拱形爆破片

（1） 反拱刀架（或颚齿）型爆破片。反拱刀架（或颚齿）型爆破片是压力敏感元件失稳翻转时因触及刀刃（或颚齿）而破裂的反拱形爆破片，被较早和普遍应用。在爆破片泄放侧法兰下面固定着一组经热处理变硬的、刃磨得非常锋利的不锈钢刀片（或颚齿）。爆破片快速翻转时被刀片（或颚齿）刺破，从而实现系统的压力泄放。

反拱刀架（或颚齿）型爆破片泄放能力较差，不适用于低压、液体泄压及易燃气体泄放的情况。因为在液压下爆破片的翻转速度慢，没有足够的能量切破爆破片。对于易燃气体，刀刃切割膜片可能产生高度静电积聚甚至直接产生火花，有引燃气体的危险。

（2） 反拱脱落型爆破片。反拱脱落型爆破片是指压力敏感元件失稳翻转时沿支承边缘破裂或脱落，并随高压介质冲出的反拱形爆破片。这种爆破片不宜在移动式压力容器、高温高压容器、可能出现负压工况的容器上选用，反拱脱落型爆破片是通过爆破片翻转时整体与夹持器分离来实现泄放的。振动、高温高压或负压的存在，均可能导致爆破片意外脱落。

（3） 反拱刻槽型爆破片。反拱刻槽型爆破片是在爆破片拱顶的凹面刻下十字交叉的减弱槽，爆破片翻转时沿减弱槽拉断，形成一个畅通的孔，而且没有碎片，但加工较困难。

3）平板形爆破片（弯曲型）

平板形爆破片的压力敏感元件呈平板形，是较早的一种形式，常用脆性材料制成，如铸铁、硬塑料和石墨等。平板形爆破片分为平板开缝型爆破片和平板带槽型爆破片。平板开缝型爆破片的压力敏感元件由带缝（孔）的平板形片与密封膜组成，平板带槽型爆破片的压力敏感元件平面上加工有槽。平板形爆破片是利用膜片在较高的压力载荷下产生的弯曲应力达到材料的抗弯强极限而碎裂排气的，爆破片同时受拉伸与剪切作用。常用的爆破片安装形式有夹紧式和自由嵌入式两种，如图8−7所示。

2. 爆破片的选用

1）类型

应根据压力容器介质的性质、工艺条件及载荷特性等来选用爆破片。

（1） 在介质性质方面，首先考虑介质在工作条件（如压力、温度等）下膜片有无腐蚀作用。对腐蚀性介质，宜采用正拱开缝型爆破片，或采用在介质的接触面上有金属或非金属保护膜的正拱形爆破片。如果介质是可燃气体，则不宜选用铸铁或碳钢等材料制造的膜片，以免膜片破裂时产生火花，在容器外引起可燃气体的燃烧爆炸。

图8−7 平板形爆破装置

（a）夹紧式；（b）自由嵌入式

（2） 当容器内的介质为液体时，不宜选用反拱形。因为超压液体的能量不足以使反拱形爆破片失稳翻转。

（3） 在压力较高时，宜选用正拱形；压力较低时，宜选用开缝型和反拱形。

（4） 脉动载荷或压力大幅度频繁波动的容器，最好选用反拱形或弯曲型爆破片。因为其他类型的爆破片在工作压力下膜片都处于高应力状态，较易疲劳失效。

（5） 当容器内为易燃、易爆介质或爆破片与安全阀组合使用时，需选择无碎片的爆破片，如正、反拱刻槽型，也可选用开缝型或反拱刀（颚齿）架型。

（6） 对于在高温条件下产生蠕变的容器，应保证在操作温度下膜片材料的强度。常用膜片材料的许用温度极限见表8−6。

表8−6 常用膜片材料的许用温度极限

（7） 如系统有真空工况或承受背压，则爆破片需配置背压托架。

2）动作压力

为了确保压力容器不超压运行，爆破片的动作压力应不大于容器的设计压力。表8−7给出了不同结构形式爆破片的最低标定爆破压力与容器正常工作压力间的关系。对于装设爆破片的压力容器，在设计压力确定后，要由表8−7中给出的比值确定容器的操作压力；或者在一定的条件下，确定容器的设计压力。

表8−7 最低标定爆破压力

续表

3）泄放面积

为了保证爆破片爆裂时能及时泄放容器内的压力，防止容器继续升压操作，爆破片必须具有足够的泄放面积。根据GB 150—2011《压力容器》中的规定，爆破片泄放面积的计算方法如下。

（1） 气体。分两种情况：

临界条件，即时，爆破片的排放面积按下式计算，即：

亚临界条件，即时，爆破片的排放面积按下式计算，即

式中 A——安全阀或爆破片的泄放面积，mm2；

C——气体特性系数；

K——泄放装置的泄放系数；

M——气体的摩尔质量，kg/mol；

Tf——泄放装置的泄放温度，K；

Ws——容器的安全泄放量，kg/h；

Z——气体的压缩系数，对于空气，Z=1.0。

其中，对于爆破片中K的取值，当满足以下四个条件时，K是与爆破片装置入口管道形状有关的系数，如图8−8所示。

① 直接向大气排放。

② 爆破片安全装置离容器本体的距离不超过8倍管径。

③ 爆破片安全装置泄放管长度不超过5倍管径。

④ 爆破片安全装置上、下游接管的公称直径不小于爆破片安全装置的泄放口公称直径。

当入口管道形状不易确定或不满足上述四个条件时，可按实测值确定或取K=0.62。

（2） 水蒸气（饱和与过热）安全泄放面积按下式计算，即：

图8−8 K值与爆破片装置入口管道形状的关系

式中 A——安全阀或爆破片的泄放面积，mm2；

C′——水蒸气特性系数，蒸汽压力小于11 MPa的饱和水蒸气，C′≈1，对于过热水蒸气，随过热温度的增加而减小；

K——泄放装置的泄放系数；

Ws——容器的安全泄放量，kg/h。

液体安全泄放面积按下式计算，即

式中 A——安全阀或爆破片的泄放面积，mm2；

K——泄放装置的泄放系数；

pΔ ——泄放装置泄放时内、外侧的压力差，MPa；

Ws——容器的安全泄放量，g/h；

ρ——流体密度，kg/m3；

ζ——液体动力黏度校正系数。

其中，系数的取值：当液体的黏度不大于 20 ℃水的黏度时，取ζ=1.0；当液体的黏度大于20 ℃水的黏度时，液体阻力损失增大，此时ζ＜1.0，可根据雷诺数查出ζ值。

3. 爆破片的装设

爆破片的装设主要分为单独使用爆破片作为安全泄压装置，或爆破片与安全阀一起作为安全泄压装置，这主要根据压力容器的用途、介质的性质及设备运转条件来确定。

1）爆破片单独作为泄压装置

在压力快速增长，或者对密封有较高要求，或者容器内物料会导致安全阀失灵以及安全阀不能适用的情况下，必须采用爆破片装置。而对于有较高密封要求的情况，一般指物料毒性程度为高度或极度危害的容器，该类容器仅安装安全阀不能满足高密封要求。另外，当容器内物料的黏度较大或可能产生粉尘时，可能导致安全阀失灵。

爆破片单独作为泄压装置时，其安装如图8−9所示。爆破片的安装位置要靠近压力容器，泄放道要直并且泄放的管道要有足够的支撑，以免由于负荷过重而使爆破片受到损伤。当爆破压力较高时，还要考虑爆破时的反冲力与振动问题。通常在爆破片的进口处设置一个截止阀，截止阀的泄放能力要大于爆破片的泄放能力，它的作用是更换爆破片时切断气流，在正常工作时，它总是处于全开状态并固定。爆破片的尺寸应尽量大，必要时可装两个或多个爆破片。

在使用两个或两个以上爆破片时，根据需要可以串联安装，也可以并联安装，如图8−10所示。因为爆破片是利用两侧的压力差达到某个预定值时才爆破的，因此，在串联时必须在两个爆破片之间安装压力表和放气阀，分别用以观察前级爆破片有无泄漏及排放两爆破片之间可能积聚起来的压力。

图8−9 爆破片单独作为泄压装置

1—爆破片；2—截止阀

图8−10 两个或多个爆破片的结构

（a）串联安装；（b）并联安装

2）爆破片与安全阀串联使用

当容器安装于某种可能损害安全阀动作性能的环境中，如该环境可能产生粉尘团、纤维团、飞溅碎物和腐蚀性气体等，而这些有害物质又可能从安全阀出口进入阀体，导致弹簧卡塞、元件腐蚀时，应采用爆破片与安全阀串联组合成安全泄放装置。

常见的串联组合型安全泄放装置为弹簧式安全阀和爆破片的组合使用，爆破片可设在安全阀入口侧，也可设在出口侧，其安装情况如图8−11所示。

图8−11 爆破片与安全阀串联使用

（a）爆破片装在安全阀进口侧；（b）爆破片装在安全阀出口侧

1—爆破片；2—截止阀；3—压力表；4—安全阀

图8−11（a）所示为将爆破片装在安全阀进口处的串联组合安全泄放装置，它利用爆破片将安全阀与介质隔开，防止安全阀受腐蚀或被气体中的污物堵塞或黏结，以保证安全阀的正常使用。当容器内部压力超过爆破片的爆破压力时，爆破片动作，安全阀自行开启和关闭，容器可继续运行。这种连接方式使两者的优点都能得到很好的发挥，爆破片后面的安全阀可不采用昂贵的耐蚀材料，介质损耗也少。这种布局还便于在现场校验安全阀，校验时不必拆下安全阀，可直接向安全阀与爆破片之间充压，系统内压力仍可以保持，但需要在爆破片下设置真空托架。

爆破片与安全阀串联使用时需要注意的是：选用的爆破片在破裂后，其碎片不能妨碍安全阀的工作，其出口通道面积不得小于安全阀的进口截面积。爆破片与安全阀之间要装压力表、旋塞、放空管或报警装置，用以指示和排放积聚的压力介质，及时发现爆破片的泄漏或破裂。

图 8−11（b）所示为将爆破片设置在安全阀的出口处，对于介质是比较洁净的昂贵气体或剧毒气体和有公共泄放管道的情况，普遍采用这种装置。这种安装方式可使爆破片避免受介质压力及温度的长期作用而产生疲劳，而爆破片则用以防止安全阀的泄漏，还可以将安全阀与可能存在于公共泄放管道中的腐蚀介质隔开，防止对安全阀弹簧和阀杆的腐蚀，并可使安全阀的开启不受公共泄放管内背压的影响。为防止阀门背压累积，使安全阀在容器超压时能及时开启排气，在安全阀和爆破片之间应设置放压口，将由安全阀泄漏出的气体及时、安全地排出或回收，或采用先导式、波纹管式安全阀结构。

这种安装方式，要求安全阀即使是在背压的情况下，必须采用在正常开启压力下仍然能动作的结构。在工作温度下爆破片应在不超过容器设计压力时爆破，且爆破片爆破时应有足够大的开口，其碎片不能妨碍安全阀的工作。爆破片在对应设计温度下的额定爆破压力和安全阀与爆破片之间连接管道压力之和不得超过容器的最大允许压力或安全阀的开启压力。

3）爆破片与安全阀并联使用

爆破片与安全阀并联使用如图8−12所示。对于因物理过程瞬时的超压仅由安全阀泄放，而剧烈的化学反应过程持续较长，严重的超压由爆破片和安全阀共同泄放。在这种情况下，安全阀作为主要的泄压装置（一级泄压装置），爆破片则作为在意外情况下的辅助泄压装置（二级泄压装置）。

这种并联方式，爆破片是一个附加的安全设施。爆破片的爆破压力稍高于安全阀的开启压力。其中安全阀的动作压力应不大于容器的设计压力，爆破片的动作压力不大于1.04倍的设计压力。爆破片与安全阀泄放能力之和应大于容器所需的安全泄放量。

4）爆破片与安全阀串联、并联组合使用

这种布局如图8−13所示，这是上述两种情况的组合。并联的爆破压力应稍高，当系统超压时，串联的爆破片爆破，起泄放作用。如果压力继续升高，则并联的爆破片爆破，使系统泄压。

图8−12 爆破片与安全阀并联使用

1—截止阀；2—爆破片；3—安全阀

图8−13 爆破片与安全阀串联、并联组合使用

1—爆破片；2—安全阀；3—压力表；4—截止阀