升壓速率對反拱帶槽型爆破片爆破壓力影響的試驗研究

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(1.大連理工大學 化工學院，遼寧大連 116023；2.大連理工度達安全工程有限公司，遼寧大連 116620；3.大連度達理工安全系統(tǒng)有限公司，遼寧大連 116620)

0 引言

在生產(chǎn)中很多用于完成反應、換熱、分離和儲存等工藝過程的設備都是承壓設備。當設備內(nèi)壓力增加超過許用壓力，就可能引起設備破壞或爆炸，造成嚴重傷亡事故。設備內(nèi)壓力可能是緩慢增加形成的超壓，也可能是急速增加形成的超壓，如爆炸容器的急速升壓，升壓速度不同引起的設備的變形及破壞也有較大差別，其設計方法目前普遍采用動力系數(shù)法或經(jīng)驗法進行容器設計[1-3]，并且國內(nèi)主要以數(shù)值模擬研究內(nèi)壓爆炸容器為主[4-7]，對于試驗研究的爆炸物大多為固體炸藥、爆炸超壓時間大多在微秒級[8-9]，而對石油化工中常見的氣體、粉塵爆炸、爆炸超壓時間在毫秒級，則很少通過試驗研究容器在靜態(tài)緩慢超壓與急速動態(tài)超壓時的破壞壓力的關系，特別對外壓殼體的破壞壓力與升壓速度的關系，相關研究報道較少。

根據(jù)引起設備的超壓是否發(fā)生化學反應，將超壓分為物理超壓過程和化學超壓過程。對于物理超壓過程，通常引起設備內(nèi)壓力升高是來自于外部原因，如：(1)操作失誤或閥門損壞導致高壓介質(zhì)進入低壓容器內(nèi)形成超壓；(2)液體物料受外部熱量蒸發(fā)汽化，導致容器內(nèi)壓力不斷升高引起超壓，常見鍋爐超壓；(3)對盛裝液化氣體容器，外界著火或環(huán)境溫度升高引起的容器超壓；(4)液體管道的“水錘”或蒸汽熱力管道的液擊“水錘”，引起的超壓。對于化學超壓過程，設備內(nèi)壓力升高是由內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生化學反應導致，如：(1)可燃氣體爆燃引起超壓；(2)各種有機、無機可燃粉塵發(fā)生燃燒爆炸引起超壓；(3)容器內(nèi)氣液介質(zhì)，在液相發(fā)生分解、聚合等放熱化學反應失控引起超壓。上述這些超壓過程，對于可燃氣體、氣霧、粉塵等發(fā)生爆燃性化學反應及液體、蒸汽管道內(nèi)的“水錘”超壓，其壓力升高速率非常大，均屬于急速超壓過程；其他因素引起的設備內(nèi)升壓相對于爆燃升壓往往升壓速率較慢，可認為是靜態(tài)超壓過程。

為了消除超壓造成的設備破壞或爆炸事故，傳統(tǒng)方法是采用超壓泄放裝置，將設備內(nèi)的超壓及時泄放出去。根據(jù)泄放原理，常用的超壓泄放裝置有：安全閥類和爆破片類。普遍認為，對于緩慢超壓過程適合采用安全閥類泄壓裝置，其特點是設備內(nèi)壓力達到其開啟壓力，能自動開啟泄放壓力介質(zhì)，壓力降至一定值又及時關閉，保證系統(tǒng)正常運行。而對于急速升壓引起的超壓則應采用爆破片類安全泄放裝置，爆破片動作靈敏、準確、可靠、無泄漏，當設備內(nèi)壓力達到爆破片設定爆破壓力，爆破片瞬間發(fā)生爆破，泄放通道打開，泄放超壓，因此特別適合急速超壓泄放,但一旦爆破，就再也無法關閉。

爆破片安全裝置從外形上主要分為：正拱形爆破片(凹面受壓)、反拱形爆破片(凸面受壓)和平板形爆破片，如圖1所示。

圖1 爆破片類型

從受力破壞分：正拱形和平板形是拉伸破壞型爆破片；反拱形是失穩(wěn)破壞型爆破片。拉伸破壞型爆破片，膜片內(nèi)為拉應力，拉應力達到膜片抗拉極限，爆破片爆破；失穩(wěn)破壞型爆破片，膜片內(nèi)為壓縮應力，當膜片內(nèi)壓縮應力達到失穩(wěn)臨界應力，爆破片失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)破壞。

反拱形爆破片根據(jù)承壓膜片的結(jié)構(gòu)差別又分為反拱普通型爆破片(由刀架或鱷齒致破)、反拱帶槽型爆破片及反拱開縫型爆破片。由于反拱形是壓縮失穩(wěn)破壞，在各種爆破片類型中，對急速升壓動態(tài)響應性、耐疲勞性及允許較高的操作壓力是最好的[10-13]，在工程中得到了廣泛的應用。目前，人們普遍認為爆破片對急速升壓響應性好，無滯后，并且也公認這三類爆破片中，反拱形爆破片是最優(yōu)的，但目前未見反拱形爆破片對急速升壓響應性研究，對爆炸急速升壓下，反拱形爆破片的爆破壓力相對緩慢升壓的爆破壓力如何變化，有無變化規(guī)律也未見相關報道。本文采用不同可燃介質(zhì)、不同初始壓力，試驗研究不同升壓速率下反拱帶槽型爆破片的爆破壓力變化，以獲得爆破壓力增加率與升壓速率之間關系，可為爆破片在急速升壓設備上的應用提供參考，同時為外壓容器在急速升壓工況的安全設計提供幫助。

1 試驗裝置及試驗產(chǎn)品

1.1 試驗裝置

圖2 DN200爆破片急速升壓爆破試驗裝置及現(xiàn)場

對DN200爆破片的急速升壓試驗在圖2所示的U型管式爆炸容器中進行，對DN150爆破片的急速升壓在圖3所示的小型試驗容器中進行(DN150產(chǎn)品的急速升壓爆破試驗在早期進行)。

圖3 DN150爆破片急速升壓爆破試驗裝置及現(xiàn)場

急速升壓爆破試驗裝置包括：爆炸容器、起爆箱和電腦數(shù)據(jù)采集。壓力采集采用高頻壓力變送器，采集頻率1 MHz/s，量程為6 MPa，另有火花塞點火頭及用于配氣的壓力傳感器。為了提高升壓速度，在試驗中采用雙火花塞點火(如圖3所示)。

1.2 試驗產(chǎn)品

試驗所用產(chǎn)品為反拱十字槽型爆破片，產(chǎn)品規(guī)格型號及參數(shù)見表1，產(chǎn)品照片見圖4。

表1 試驗所用爆破片型號及參數(shù)

(a)DN150反拱帶槽型爆破片

(b)DN200反拱帶槽型爆破片

圖4 試驗所用兩種規(guī)格型號的爆破片

在靜態(tài)緩慢升壓下，對試驗爆破片多次抽樣爆破結(jié)果顯示，爆破壓力偏差小于1%，表1中爆破壓力采用抽樣獲得的爆破壓力平均值，爆破壓力升壓速度滿足GB 567.1—2012《爆破片安全裝置 第1部分：基本要求》中爆破片爆破試驗的規(guī)定，稱為靜態(tài)爆破壓力。本文所有壓力均為表壓。

1.3 試驗介質(zhì)

為了得到不同升壓速率下爆破片的爆破壓力，分別采用兩種不同升壓方法對爆破片加壓爆破：一種是采用壓縮空氣在不同進氣速率下加壓爆破，升壓速度較慢；另一種是采用可燃介質(zhì)爆燃升壓方法對爆破片加壓爆破。本試驗分別采用甲烷-空氣和乙炔-空氣的混合物在不同配比濃度、不同初始壓力下點火爆燃，以獲得不同的升壓速率，這種加壓方法可獲得非常高的升壓速率，且試驗中采用高頻壓力傳感器記錄壓力-時間曲線及爆破壓力。

2 試驗結(jié)果

采用壓縮空氣在較小爆破氣腔內(nèi)，采用不同進氣速度實現(xiàn)升壓爆破；在上述U型管爆炸裝置中采用甲烷-空氣、乙炔-空氣混合點火爆炸，實現(xiàn)爆炸急速升壓，獲得了不同升壓速率下爆破片的爆破壓力。對于采用控制進氣速度，用壓縮空氣進行爆破試驗，由于受閥門進氣量控制，升壓速度總體較慢，未見爆破壓力變化；對化學反應的爆炸升壓，爆燃升壓時間極短，從零點幾毫秒到數(shù)十毫秒，試驗顯示爆破壓力發(fā)生顯著變化。

(a)

(b)

圖5 靜態(tài)爆破壓力0.73 MPa下爆破片在甲烷-空氣混合介質(zhì)中的爆破壓力-時間曲線(圖2試驗裝置)

(a)

(b)

圖6 靜態(tài)爆破壓力0.73 MPa下爆破片在乙炔-空氣混合介質(zhì)中的爆破壓力-時間曲線(圖2試驗裝置)

本文分別選取了DN200爆破片在圖2試驗裝置下獲得的2組甲烷-空氣爆燃時間曲線和2組乙炔-空氣的爆燃升壓時間曲線如圖5,6所示，還選取了DN150爆破片在圖3試驗裝置上獲得的甲烷-空氣在不同初始壓力下的爆燃升壓時間曲線，如圖7所示。

(a)

(b)

圖7 靜態(tài)爆破壓力0.9 MPa下爆破片在甲烷-空氣混合介質(zhì)中的爆破壓力-時間曲線(圖3試驗裝置)

根據(jù)升壓時間曲線，獲得了升壓速率X。本文壓力升高速率(簡稱升壓速率)取為壓力-時間曲線斜率最大的直線段數(shù)值，升壓速率計算公式如下：

(1)

將上述不同的爆破試驗工況獲得的爆破片爆破壓力及計算得出的升壓速率列于表2。

表2 不同升壓速率下反拱帶槽型爆破片爆破壓力變化值

由表2可以看出，采用U型管試驗裝置，在不同初始壓力下，甲烷-空氣點火爆燃的升壓速率總體不大，從快速升壓到爆破的時間一般十幾毫秒到幾十毫秒，最大升壓速率一般不超過100 MPa/s，爆破片爆破壓力升高增加倍數(shù)一般不超過1.4倍。但采用乙炔-空氣在U型管內(nèi)點火爆炸試驗，當點火點離爆破片距離較遠時，火花塞安裝在U型管的高管上端，爆破片安裝在低管端，點火后火焰?zhèn)鲗У奖破?，可燃氣體受到明顯預壓縮作用，即開始升壓速率不高，但在后來卻發(fā)生急速增加，壓力-時間曲線幾乎是垂直的，此段升壓速率極大，突變段的時間大約只有零點幾毫秒，此時爆破片的爆破壓力相對靜態(tài)爆破壓力也發(fā)生了極大變化，增加了數(shù)倍。圖3所示容器容積較小，升壓速率隨初始壓力的增加而明顯增大。

將表2中數(shù)據(jù)處理成爆破壓力增加倍數(shù)Y與升壓速率X的關系曲線時發(fā)現(xiàn)，升壓速率不高時對爆破壓力的影響和極高升壓速率對爆破壓力的影響曲線明顯不同，前者Y與X之間關系基本近似為乘冪關系，后者Y與X基本近似為線性關系，所以擬合的曲線應分段處理。當升壓速率不高時，爆破壓力的增加倍數(shù)Y與升壓速率X之間關系曲線如圖8所示；當升壓速率極高時，爆破壓力增加倍數(shù)Y與升壓速率X之間的關系曲線如圖9所示。

圖8 較低升壓速率X與急速升壓下爆破片爆破壓力增加倍數(shù)Y之間關系曲線

圖9 極高升壓速率X與急速升壓下爆破片爆破壓力增加倍數(shù)Y之間關系曲線

將圖8,9曲線擬合成升壓速率對爆破壓力影響的關系式，如式(2)，(3)所示。

當升壓速率不太高時，升壓速率X與爆破壓力增加倍數(shù)Y之間關系式為：

Y=1.01X0.067

(2)

當升壓速率極高時，升壓速率X與爆破壓力增加倍數(shù)Y之間關系式為：

Y=3×10-4X+1.36

(3)

式中Y——反拱帶槽型爆破片爆破壓力增加倍數(shù)；

X——系統(tǒng)升壓速率，MPa/s。

試驗未能確定升壓速率達到多少時，上述曲線由乘冪關系變?yōu)橹本€關系，但由上述兩個關系式可以保守推測出：當升壓速率不超過500 MPa/s時，升壓速率對爆破壓力的影響近似遵循乘冪關系，并且可以預測升壓速率低于500 MPa/s時，爆破壓力增加倍數(shù)一般不會超過1.5倍；當升壓速率低于0.9 MPa/s時，可以不考慮升壓速率對爆破壓力的影響；當升壓速率高于500 MPa/s，爆破壓力增加倍數(shù)與升壓速率近似成線性關系。

試驗的壓力-時間曲線表明，反拱帶槽型爆破片對急速升壓動態(tài)響應性非常好，可以達到毫秒級，即不管升壓速率多高，爆破片會在毫秒時間內(nèi)發(fā)生爆破泄壓；盡管爆破片動態(tài)響應性很好，但爆破片依然遵循構(gòu)件動態(tài)破壞壓力會隨升壓速率增加而增大的規(guī)律，會高于靜態(tài)破壞壓力；對爆破片而言，急速升壓的爆破壓力會明顯高于爆破片銘牌給出的靜態(tài)爆破壓力，所以當爆破片用于對爆破壓力有限制的急速升壓系統(tǒng)時，必須考慮升壓速率對爆破壓力的影響。

3 結(jié)論

本文研究了反拱帶槽型爆破片對急速升壓的動態(tài)響應性，以及不同升壓速率對反拱帶槽型爆破片爆破壓力的影響，得到如下結(jié)論。

(1)反拱帶槽型爆破片對各種升壓速率動態(tài)響應性非常好，即使在極高升壓速率下，爆破片響應時間在毫秒內(nèi)而快速發(fā)生爆破泄壓。

(2)升壓速率對反拱帶槽型爆破片爆破壓力有明顯影響，并且影響是分段的，即：

①當升壓速率不高于0.9 MPa/s時，爆破壓力不受升壓速率影響，即緩慢靜態(tài)升壓下爆破壓力保持恒定;

②當升壓速率不高于500 MPa/s時，升壓速率與爆破壓力增加倍數(shù)基本成指數(shù)關系，可以預測此時爆破壓力增加倍數(shù)不超過1.5倍;

③當升壓速率超過500 MPa/s時，升壓速率與爆破壓力增加倍數(shù)基本成線性關系，爆破壓力隨著升壓速率成線性增加，當升壓速率極高時，爆破壓力會增加數(shù)倍。