安全泄放裝置—爆破片優(yōu)化設(shè)計(jì)

汪錫鐸

（沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，沈陽(yáng) 110035）

1 引言

爆破片裝置是由壓差驅(qū)動(dòng)、非自動(dòng)關(guān)閉的緊急超壓泄放裝置，它由爆破片組件、夾持器組合而成。爆破片是裝置中的壓力敏感元件，夾持器是將爆破片固定的部件。爆破片（壓力敏感元件）在設(shè)定的爆破壓力下破裂，可達(dá)到安全泄放的目的。

近年來(lái)在石化等行業(yè)中爆破片裝置使用出現(xiàn)如下缺點(diǎn)：爆破壓力較低，不適用中、高壓承壓特種設(shè)備；難在壓力脈動(dòng)條件下使用，不能串聯(lián)在安全閥上組合使用；不能在全液態(tài)介質(zhì)工況使用；不能承受真空壓力；標(biāo)定爆破壓力準(zhǔn)確率較低（一般為80%）；抗疲勞性能較差；爆破后易產(chǎn)生碎片（易造成人員傷亡和設(shè)備損壞）。

針對(duì)上述問(wèn)題和市場(chǎng)需求，研制了一種新型爆破片裝置，即反拱環(huán)槽型爆破片裝置，從結(jié)構(gòu)上對(duì)爆破片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用反拱環(huán)槽壓痕方法解決了爆破片使用中產(chǎn)生的一些問(wèn)題，擴(kuò)大了爆破片使用范圍，提高了其使用性能。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主要從爆破片適用范圍、使用性能兩個(gè)方面考慮：（1）適用工況條件：如氣、液相介質(zhì)、脈沖壓力波動(dòng)、與安全閥串聯(lián)使用、承受真空壓力；（2）使用性能：如爆破后不產(chǎn)生碎片，具有抗疲勞性能，標(biāo)定爆破壓力準(zhǔn)確率較低。由原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定新型爆破片設(shè)計(jì)方案。

圖1

新型環(huán)槽型爆破片結(jié)構(gòu)為反拱環(huán)槽型，是在預(yù)拱爆破片的受壓面的一側(cè)，夾持口徑外周有馬蹄狀環(huán)形壓痕，環(huán)形壓痕開(kāi)口為60°的缺口。在出口側(cè)將加強(qiáng)環(huán)與預(yù)拱爆破片組裝在一起（如圖1）。

對(duì)該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在法蘭不與刀架焊接情況下按爆破片不同拱高進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果為：反轉(zhuǎn)后的拱高遠(yuǎn)大于原拱高；在爆破壓力高的區(qū)域發(fā)生剪裂，甚至全部剪斷飛出。

壓痕的位置，理論上越接近轉(zhuǎn)角R 越好，爆破片不被夾持面夾住，又不能破裂。

防護(hù)墊的設(shè)置，在膜片的爆破試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在爆破過(guò)程中有個(gè)別的膜片在爆破后反轉(zhuǎn)，仍有部分會(huì)沿壓痕處撕裂飛出，因此須增加防護(hù)墊環(huán)，形狀如圖1。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后使該爆破片裝置標(biāo)定爆破壓力提高到95%，也可降低爆破片的標(biāo)定爆破壓力。其抗疲勞性好，爆破后不易產(chǎn)生碎片，可承受真空壓力，可與安全閥串聯(lián)后使用，可適用液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)。

3 爆破計(jì)算

（1）對(duì)環(huán)槽型爆破片裝置結(jié)構(gòu)［1］

式中，PB為爆破壓力，MPa；E 為材料的彈性模量，MPa；δ為材料厚度，mm；R 為曲率半徑，mm。

式中，D 為夾持口徑，mm；H 為拱高，mm。

（2）系數(shù)K的修正

式（1）中，K 為與材料應(yīng)變硬化程度有關(guān)的系數(shù)。由于沿轉(zhuǎn)角R 處增加了壓痕工藝，使爆破片在夾持器夾持的狀態(tài)下爆破片轉(zhuǎn)角處的支撐力降低，致使在同一料厚、同一夾持口徑及同一拱高H的情況下，爆破壓力有所降低。這樣在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要考慮材料的修正系數(shù)K 值，修正值依靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得。

4 爆破試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)1

爆破片材料SUS316L［2］；設(shè)定爆破壓力PB=1.99MPa；爆破溫度20℃；泄放口徑D=150mm。H=D/6=25mm，E=195×103MPa。由式（2）計(jì)算，R＝125mm。由式（1）計(jì)算，δ=0.66mm，取爆破片材料厚度δ＝1mm。

表1 試驗(yàn)爆破壓力

4.2 試驗(yàn)2

爆破片材料SUS316L，設(shè)定爆破壓力PB=0.8MPa，設(shè)定爆破溫度20℃，夾持口徑D=250mm。H=D/6=41.7mm，E=195×103MPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，式（1）轉(zhuǎn)化為：

由式（2）計(jì)算得：R≈208.33。

由式（1）計(jì)算得：δ=0.70mm，取爆破片材料厚度1mm。

表2 爆破試驗(yàn)壓力

上述試驗(yàn)驗(yàn)證了以下結(jié)論：

（1）經(jīng)過(guò)數(shù)十次試驗(yàn)證明，反拱環(huán)槽型式爆破片的材料厚度與拱高成正比。一樣的材料厚度、拱高，用相同的加工工藝，爆破片的爆破壓力是穩(wěn)定的。

（2）試驗(yàn)表明，爆破片的開(kāi)啟完整，安全泄放量可以滿(mǎn)足夾持口徑要求。

（3）壓痕（開(kāi)槽）深度以試驗(yàn)調(diào)試過(guò)程能夠在翻轉(zhuǎn)后自動(dòng)破裂為準(zhǔn)，降低爆破片爆破壓力壓痕深取材料厚度的1/2 左右。提高爆破壓力的爆破片壓痕深度通常約為材料厚度的1/3。

（4）環(huán)槽型爆破片具備了反拱型爆破片的特點(diǎn)，其爆破反轉(zhuǎn)后能自動(dòng)破裂。

（5）環(huán)槽型爆破片在同一材料厚度下，可實(shí)現(xiàn)爆破壓力降低或升高，可調(diào)整壓痕在爆破片球缺邊緣的距離，利用模具破壞球缺的方法能得到爆破壓力更低或更高的爆破片，來(lái)降低或增加爆破片的抗失穩(wěn)能力。降低爆破片拱形球面成型時(shí)材料的減薄量，可進(jìn)一步增加爆破片的抗失穩(wěn)能力，一般可提高系統(tǒng)工作壓力達(dá)到標(biāo)定爆破壓力的95%。

5 結(jié)語(yǔ)

安全泄放裝置爆破片在石油化工、冶金、能源中的鍋爐、壓力容器、壓力管道及其工藝系統(tǒng)中作為特種設(shè)備安全保護(hù)裝置已廣泛使用，新型反拱環(huán)槽型爆破片擴(kuò)大了使用范圍，提高了爆破片產(chǎn)品的使用性能，使其在壓力脈動(dòng)、爆破壓力中、高承壓特種設(shè)備、串聯(lián)在安全閥上組合使用、在全液態(tài)介質(zhì)中使用、承受真空壓力等工況下使用成為可能。反拱環(huán)槽型爆破片滿(mǎn)足了化工、冶金、能源等行業(yè)生產(chǎn)工藝設(shè)備安全保護(hù)需求，具有推廣意義。

［1］導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)編寫(xiě)組.導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978.

［2］GB24511-2009，承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶［S］.

［3］GB150-1998，鋼制壓力容器［S］.