安全泄放裝置—爆破片優化設計

汪錫鐸

（沈陽特種設備檢測研究院，沈陽 110035）

1 引言

爆破片裝置是由壓差驅動、非自動關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）在設定的爆破壓力下破裂，可達到安全泄放的目的。

近年來在石化等行業中爆破片裝置使用出現如下缺點：爆破壓力較低，不適用中、高壓承壓特種設備；難在壓力脈動條件下使用，不能串聯在安全閥上組合使用；不能在全液態介質工況使用；不能承受真空壓力；標定爆破壓力準確率較低（一般為80%）；抗疲勞性能較差；爆破后易產生碎片（易造成人員傷亡和設備損壞）。

針對上述問題和市場需求，研制了一種新型爆破片裝置，即反拱環槽型爆破片裝置，從結構上對爆破片進行了優化設計，采用反拱環槽壓痕方法解決了爆破片使用中產生的一些問題，擴大了爆破片使用范圍，提高了其使用性能。

2 結構設計

設計主要從爆破片適用范圍、使用性能兩個方面考慮：（1）適用工況條件：如氣、液相介質、脈沖壓力波動、與安全閥串聯使用、承受真空壓力；（2）使用性能：如爆破后不產生碎片，具有抗疲勞性能，標定爆破壓力準確率較低。由原產品結構來分析問題產生的原因，并進行優化設計，制定新型爆破片設計方案。

圖1

新型環槽型爆破片結構為反拱環槽型，是在預拱爆破片的受壓面的一側，夾持口徑外周有馬蹄狀環形壓痕，環形壓痕開口為60°的缺口。在出口側將加強環與預拱爆破片組裝在一起（如圖1）。

對該設計結構在法蘭不與刀架焊接情況下按爆破片不同拱高進行試驗，結果為：反轉后的拱高遠大于原拱高；在爆破壓力高的區域發生剪裂，甚至全部剪斷飛出。

壓痕的位置，理論上越接近轉角R 越好，爆破片不被夾持面夾住，又不能破裂。

防護墊的設置，在膜片的爆破試驗中，發現在爆破過程中有個別的膜片在爆破后反轉，仍有部分會沿壓痕處撕裂飛出，因此須增加防護墊環，形狀如圖1。

優化設計后使該爆破片裝置標定爆破壓力提高到95%，也可降低爆破片的標定爆破壓力。其抗疲勞性好，爆破后不易產生碎片，可承受真空壓力，可與安全閥串聯后使用，可適用液態或氣態介質。

3 爆破計算

（1）對環槽型爆破片裝置結構［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K的修正

式（1）中，K 為與材料應變硬化程度有關的系數。由于沿轉角R 處增加了壓痕工藝，使爆破片在夾持器夾持的狀態下爆破片轉角處的支撐力降低，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。這樣在設計計算時需要考慮材料的修正系數K 值，修正值依靠試驗數據獲得。

4 爆破試驗

4.1 試驗1

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

表1 試驗爆破壓力

4.2 試驗2

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

根據經驗，式（1）轉化為：

由式（2）計算得：R≈208.33。

由式（1）計算得：δ=0.70mm，取爆破片材料厚度1mm。

表2 爆破試驗壓力

上述試驗驗證了以下結論：

（1）經過數十次試驗證明，反拱環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定的。

（2）試驗表明，爆破片的開啟完整，安全泄放量可以滿足夾持口徑要求。

（3）壓痕（開槽）深度以試驗調試過程能夠在翻轉后自動破裂為準，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）環槽型爆破片具備了反拱型爆破片的特點，其爆破反轉后能自動破裂。

（5）環槽型爆破片在同一材料厚度下，可實現爆破壓力降低或升高，可調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，來降低或增加爆破片的抗失穩能力。降低爆破片拱形球面成型時材料的減薄量，可進一步增加爆破片的抗失穩能力，一般可提高系統工作壓力達到標定爆破壓力的95%。

5 結語

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中作為特種設備安全保護裝置已廣泛使用，新型反拱環槽型爆破片擴大了使用范圍，提高了爆破片產品的使用性能，使其在壓力脈動、爆破壓力中、高承壓特種設備、串聯在安全閥上組合使用、在全液態介質中使用、承受真空壓力等工況下使用成為可能。反拱環槽型爆破片滿足了化工、冶金、能源等行業生產工藝設備安全保護需求，具有推廣意義。

［1］導彈結構強度計算手冊編寫組.導彈結構強度計算手冊［M］.北京：國防工業出版社，1978.

［2］GB24511-2009，承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶［S］.

［3］GB150-1998，鋼制壓力容器［S］.