電力開關用爆破片的防護裝置

李新東，蘇貴宇，許文斌，吳昌巴妥，宋辰，肖飛，王羽佳

(大連理工安全裝備有限公司，遼寧 大連 116620)

1 引言

爆破片作為緊急泄壓的安全裝置，由于尺寸不受限制，密封性能好，動態響應特性優異，適應急速及慢速物理超壓、相變超壓、氣體及粉塵等化學爆燃超壓的各種工況，廣泛應用于石油、化工、能源、冶金、電力、消防及國防等行業，其中反拱帶槽型爆破片及部分按特殊設計制造的正拱帶槽型爆破片抗壓力疲勞能力強，性能穩定，爆破無碎片，現已廣泛應用于電力開關行業。

電力開關行業的SF6封閉電器對爆破片有著特殊的要求:能夠承受冷熱沖擊作用、密封性能良好、動作準確及時、爆破壓力穩定及要有很長的使用壽命。在爆破片泄壓側設置防護裝置不但可以防止爆破片遭受太陽直射、環境腐蝕及異物進入，而且當爆破片爆破泄放時，防護裝置可以將泄放介質導向安全區域，避免泄放介質對人員、公共設施及其他電力設備的沖擊損傷。文中通過分析影響爆破片性能的因素、爆破片無防護裝置可能出現的問題及爆破片防護裝置的一般要求，結合爆破片的使用經驗和電力開關行業對爆破片的特殊要求，提出了電力開關行業用爆破片的防護裝置的結構設計及注意事項。

2 影響爆破片性能的因素

2.1 損傷

爆破片在儲存、搬運、安裝和使用過程中遭受損傷，爆破片的爆破壓力或耐疲勞性能降低。

圖1 爆破片損傷后的爆破試驗

實例1:如圖2爆破片夾持結構，在爆破片和下夾持器之間設計有一個O型圈密封結構，在上下夾持器周邊設計另一個O型圈防塵結構。上下夾持器通過周邊螺栓夾緊后，防塵O型圈分擔了部分夾持力，導致爆破片實際夾持力不足，爆破片的爆破壓力將會降低。不同扭矩下爆破片的爆破壓力見表1(爆破片正常爆破壓力為1.18MPa)。

實例:如圖1所示反拱十字槽型爆破片，正常情況下爆破片的爆破壓力為1.18MPa，遭受不同損傷的1#和2#爆破片的爆破壓力分別為0.68MPa和0.94MPa，由于兩個爆破片都是在低于正常爆破壓力下爆破，所以爆破片的開裂狀態不理想。

2.2 夾持力不足或不均勻

安裝過程中，沒有按照安裝說明書要求對爆破片進行合理的夾緊固定，或者夾持結構無法保證提供足夠的夾持力及均勻夾持，造成爆破片夾持邊緣或部分夾持邊緣處于非剛性約束狀態，這對爆破片的爆破壓力或耐疲勞性能有嚴重影響，會導致爆破壓力和耐疲勞性能降低。

圖2 爆破片夾持結構

表1 不同扭矩爆破試驗

實例2:如圖3(a)，反應釜頂端安裝一套爆破片裝置，該爆破片裝置后端彎管并聯安裝兩套爆破片裝置排空。如圖3(b)，和反應釜最近的爆破片裝置因為后端管道長而重無法均勻夾持，造成爆破片夾持力不均勻而出現抽邊爆破(如圖3(c))。

2.3 操作比的影響

由于爆破片是溫度、壓力敏感元件，是按極限壽命設計與制造的，即達到爆破壓力，爆破片就瞬間爆破。爆破片最小設計爆破壓力與設備最大操作壓力之比(即操作比)對爆破片使用壽命影響非常顯著，比值越大，爆破片壽命越長。國際標準ISO4126《Safety devices for protection against excessive pressure-part 2:Bursting disc safety devices》和《Safety devices for protection against excessive pressure-part 6:Application，selection and installation of bursting disc safety devices》及國內爆破片相關標準GB150《壓力容器》和GB567《爆破片與爆破片裝置》均給出了不同類型爆破片的最大允許操作比，要使爆破片長久使用，設備最大工作壓力不能超過允許壓力，否則壽命會受到嚴重影響。

圖3 爆破片夾持不均勻抽邊爆破

實例:某電力開關企業委托我公司設計加工爆破片產品，產品充氣壓力0.58MPa(用戶為防止泄漏預先將充氣壓力略微提高)，在環境溫度和操作條件變化時，其最高工作壓力可能達0.61MPa左右，當設計爆破壓力為0.7MPa(最小設計爆破壓力0.67MPa，操作比為1.10倍)時，該產品在夏季時，個別產品出現了提前爆破的情況，使用壽命約1～2年。經研究協商，將設計爆破壓力提高到了1.0MPa(最小設計爆破壓力0.9MPa)，同時將設備充氣壓力下降到0.55MPa，使實際操作比提高到1.5以上，該參數產品目前已在設備上安全運行15年。

2.4 夾持結構或尺寸設計加工不當

夾持結構無法保證爆破片正確安裝及夾緊，泄壓側夾持法蘭口徑過小，影響爆破片破裂，防護裝置影響爆破片泄放要求，這些都會影響爆破片性能。

實例:如圖4反拱帶槽型爆破片，正常爆破片的爆破狀態如圖4(d)，如果泄壓側法蘭內徑小于爆破片泄放口徑(如圖4(a))，爆破片達到爆破壓力翻轉的過程中遇到泄壓側法蘭的阻擋，影響爆破片的開裂狀態(如圖 4(b)、4(c))。

圖4 夾持結構對爆破狀態的影響

2.5 無防護裝置或防護裝置設置不當

爆破片安裝以后，在爆破片泄壓側沒有設置防護裝置或防護裝置設置不當，爆破片可能遭受冰雹、飛石等損傷，而且爆破片的泄壓側可能積存雨雪，這不但影響爆破片的正常爆破，如果設備運行環境惡劣(嚴重的環境腐蝕)，爆破片還會遭受腐蝕破壞，更有甚者隨著雨雪水的反復融化和冰凍，就會對爆破片產生膨脹力，導致爆破片形狀發生變化甚至沿槽破裂。

3 爆破片無防護裝置可能出現的問題

3.1 環境腐蝕引起爆破片提前爆破

由于我國的自然環境不斷惡化，有的地方存在著嚴重的酸雨酸氣等情況，特別是化工行業周圍，有強烈腐蝕的介質濃度比較大，如果這些有腐蝕性的介質隨著雨水落到爆破片的泄壓側，積存后再不斷蒸發濃縮，如此反復，有腐蝕介質的濃度隨之不斷增加，高濃度的有腐蝕性的介質就有可能會腐蝕爆破片，尤其在帶槽型爆破片的刀痕處更容易產生局部腐蝕，使爆破片的爆破壓力急劇下降。

3.2 環境介質直接擊打爆破片引起爆破片拱面損傷

在我國大部分地區都有冰雹霰子甚至在冬季出現天降冰粒的天氣。如果反拱形爆破片的拱面直接面向大氣，那么很難避免爆破片不受這些天降之物的直接擊打。如果爆破片拱面經擊打后變形(即便是極其微量的變形)，爆破片的爆破壓力將會大幅度的下降，甚至會出現由于爆破片失穩壓力過小而無法打開的情況，失穩而沒有打開的爆破片如果沒有及時被發現，一旦出現容器超壓工況，爆破片將不能正常動作。

3.3 環境介質積存引起爆破片失穩后打不開

如果反拱形爆破片泄壓側沒有保護措施，面向大氣的爆破片凹面極有可能被雨水、雪花、沙粒塵垢等填滿，甚至會被動物們建為巢穴。通過實驗，如果爆破片凹面的積存物達到一定量，爆破片即使能夠在額定壓力下失穩，也很容易出現不能打開的情況，這給被保護設備的安全運行帶來很大的隱患。

3.4 環境介質積存后冰凍直接破壞爆破片

在我國大部分地區，冬季都會出現冰凍天氣，如果爆破片泄壓側積水后結冰，由于容器內溫度一般比較高，所以爆破片泄壓側積水便會沿上表面先結冰封凍，隨后當內部積水進一步結冰時，就會產生向下的膨脹力。由于爆破片材料厚度較薄，而且部分爆破片拱面還有壓痕，所以爆破片拱面就極有可能發生變形，甚至爆破片被直接脹裂，從而遭受破壞，如圖5所示。

實例:如圖6對反拱形爆破片泄壓側(凹面)進行冰凍實驗，第一次冰凍后，爆破片拱面沒有明顯變化，但經仔細測量，爆破片拱面整體升高了0.3mm左右;經過第二次冰凍試驗后，爆破片拱面已經有明顯的凸起出現;多次對其冰凍后，爆破片拱面已經嚴重變形。

可想而知，安裝在戶外沒有采取防護措施的爆破片在一個冬季里面會經過多少次冰凍過程，這一次次的冰凍對爆破片的損害是致命的。

圖5 爆破片遭受冰凍破壞

圖6 爆破片冰凍試驗裝置及冰凍破壞變形圖

3.5 太陽直射致使爆破片溫度大幅度升高導致爆破片爆破壓力降低

夏季高溫天氣的時候，特別是在南方，爆破片在太陽的直射下表面溫度可以達到80℃，這時爆破片的爆破壓力就會下降。如果容器的工作壓力比較接近爆破片的爆破壓力，當爆破片的溫度升高時，容器正常工作下爆破片就有可能發生爆破，造成不必要的損失。

4 爆破片防護裝置的一般要求

如果爆破片的泄壓側直接排空(包括連接泄放接管排空)，則需要在爆破片的泄壓側或者泄放接管的尾端設置防護裝置。

4.1 泄放量

爆破片防護裝置的結構及尺寸一定要保證爆破片的泄放量滿足要求。防護裝置不能影響爆破片的爆破狀態，同時要提供足夠的泄放面積。對于脫落型防護裝置，當爆破片爆破時，防護裝置一定要及時脫落。另外，在計算爆破片泄放量時要全面考慮防護裝置對爆破片泄放量的影響。

4.2 材料、強度及連接

爆破片的防護裝置包括脫落型和非脫落型。

脫落型防護裝置對材料及強度沒有特殊要求，一般采用塑料、橡膠或者鋁箔等材料加工而成。脫落型防護裝置和爆破片泄壓側的連接方式不受限制，只要不影響爆破片的正常爆破，當爆破片爆破時防護裝置能夠及時脫落，并且脫落后的防護裝置不會對人員、公共設施及其他設備造成損害。如有必要，可以將脫落型防護裝置用鏈條或其他方式和設備連接，也可以在防護裝置飛行方向設置捕捉器。

非脫落型防護裝置一般采用金屬材料，在選擇結構及設計尺寸時要保證防護裝置具有足夠的強度抗擊爆破片爆破及介質泄放的沖擊。非脫落型防護裝置和爆破片的夾持法蘭或泄放接管之間一般采用焊接或螺栓連接。

5 結構設計及注意事項

電力開關行業的SF6封閉電器使用區域廣泛，各地條件均不相同，環境溫差相差懸殊，為了保證安裝在SF6封閉電器上的爆破片裝置在各種工況下都能正常工作，必須在爆破片裝置上安裝防護裝置。

爆破片的防護裝置根據結構型式分為脫落型和非脫落型。如果爆破片安裝在設備的頂部且設備安裝于室外，則只能選擇脫落型防護裝置。如果爆破片安裝在設備的側面或安裝在設備的頂部但用在室內，則可根據具體要求選擇脫落型或非脫落型保護裝置。

5.1 脫落型防護裝置

如圖7，脫落型防護裝置材料一般為塑料、橡膠或者鋁箔，防護裝置周邊某點可用鉚釘固定，防止大風吹落。正常工作情況下，爆破片泄壓側處于密閉狀態，不會受到外界任何因素的影響，但是當容器超壓爆破片爆破時，防護裝置因受壓而迅速打開或者脫落。

圖7 脫落型防護裝置

5.2 非脫落型防護裝置

如圖8，如果爆破片安裝在設備的側面或安裝在設備的頂部但用在室內，可以在爆破片泄壓側安裝非脫落型防護裝置。正常工作情況下，爆破片泄壓側處于開放狀態，當容器超壓爆破片爆破的時候，非脫落型防護裝置不會影響超壓介質的正常泄放，同時還能引導泄放介質向安全區域排放。

圖8 非脫落型防護裝置

5.3 注意事項

安裝在室內的SF6封閉電器基本上不會遭受風吹日曬、雨雪冰凍、介質積存及環境腐蝕的影響，所以安裝防護裝置的主要目的是有效引導泄放介質，減少超壓設備的安全泄放對周邊其他設備、公共設施及人員的損害。

安裝在室外的SF6封閉電器受各種環境因素的影響，對爆破片的防護裝置有較高的要求:防護裝置的結構選擇要合理，不同的安裝位置選擇不同類型的防護裝置;防護裝置的安裝位置及方向確保雨雪雜物等不會在爆破片的泄壓側積存;防護裝置的材料要耐環境腐蝕，否則，則應定期更;防護裝置的固定方式應考慮材料老化松動及狂風暴雨的影響。

［1］ TSG ZF003－2011，爆破片裝置安全技術監察規程［S］.

［2］ ISO4126 －2003，Safety devices for protection against excessive pressure［S］.

［3］ GB150－2011，壓力容器［S］.

［4］ GB567－1999，爆破片與爆破片裝置［S］.

［5］ 李新東，喻建良，李岳，等.電力開關用爆破片的更換周期［J］.電氣開關，2012，3:96 －97.