電力開(kāi)關(guān)用爆破片的防護(hù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)異，適應(yīng)急速及慢速物理超壓、相變超壓、氣體及粉塵等化學(xué)爆燃超壓的各種工況，廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、冶金、電力、消防及國(guó)防等行業(yè)，其中反拱帶槽型爆破片及部分按特殊設(shè)計(jì)制造的正拱帶槽型爆破片抗壓力疲勞能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，爆破無(wú)碎片，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力開(kāi)關(guān)行業(yè)。

電力開(kāi)關(guān)行業(yè)的SF6封閉電器對(duì)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(dòng)作準(zhǔn)確及時(shí)、爆破壓力穩(wěn)定及要有很長(zhǎng)的使用壽命。在爆破片泄壓側(cè)設(shè)置防護(hù)裝置不但可以防止爆破片遭受太陽(yáng)直射、環(huán)境腐蝕及異物進(jìn)入，而且當(dāng)爆破片爆破泄放時(shí)，防護(hù)裝置可以將泄放介質(zhì)導(dǎo)向安全區(qū)域，避免泄放介質(zhì)對(duì)人員、公共設(shè)施及其他電力設(shè)備的沖擊損傷。文中通過(guò)分析影響爆破片性能的因素、爆破片無(wú)防護(hù)裝置可能出現(xiàn)的問(wèn)題及爆破片防護(hù)裝置的一般要求，結(jié)合爆破片的使用經(jīng)驗(yàn)和電力開(kāi)關(guān)行業(yè)對(duì)爆破片的特殊要求，提出了電力開(kāi)關(guān)行業(yè)用爆破片的防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)。

2 影響爆破片性能的因素

2.1 損傷

爆破片在儲(chǔ)存、搬運(yùn)、安裝和使用過(guò)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(yàn)

實(shí)例1:如圖2爆破片夾持結(jié)構(gòu)，在爆破片和下夾持器之間設(shè)計(jì)有一個(gè)O型圈密封結(jié)構(gòu)，在上下夾持器周邊設(shè)計(jì)另一個(gè)O型圈防塵結(jié)構(gòu)。上下夾持器通過(guò)周邊螺栓夾緊后，防塵O型圈分擔(dān)了部分夾持力，導(dǎo)致爆破片實(shí)際夾持力不足，爆破片的爆破壓力將會(huì)降低。不同扭矩下爆破片的爆破壓力見(jiàn)表1(爆破片正常爆破壓力為1.18MPa)。

實(shí)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(gè)爆破片都是在低于正常爆破壓力下爆破，所以爆破片的開(kāi)裂狀態(tài)不理想。

2.2 夾持力不足或不均勻

安裝過(guò)程中，沒(méi)有按照安裝說(shuō)明書(shū)要求對(duì)爆破片進(jìn)行合理的夾緊固定，或者夾持結(jié)構(gòu)無(wú)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(tài)，這對(duì)爆破片的爆破壓力或耐疲勞性能有嚴(yán)重影響，會(huì)導(dǎo)致爆破壓力和耐疲勞性能降低。

圖2 爆破片夾持結(jié)構(gòu)

表1 不同扭矩爆破試驗(yàn)

實(shí)例2:如圖3(a)，反應(yīng)釜頂端安裝一套爆破片裝置，該爆破片裝置后端彎管并聯(lián)安裝兩套爆破片裝置排空。如圖3(b)，和反應(yīng)釜最近的爆破片裝置因?yàn)楹蠖斯艿篱L(zhǎng)而重?zé)o法均勻夾持，造成爆破片夾持力不均勻而出現(xiàn)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(shè)計(jì)與制造的，即達(dá)到爆破壓力，爆破片就瞬間爆破。爆破片最小設(shè)計(jì)爆破壓力與設(shè)備最大操作壓力之比(即操作比)對(duì)爆破片使用壽命影響非常顯著，比值越大，爆破片壽命越長(zhǎng)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)爆破片相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)久使用，設(shè)備最大工作壓力不能超過(guò)允許壓力，否則壽命會(huì)受到嚴(yán)重影響。

圖3 爆破片夾持不均勻抽邊爆破

實(shí)例:某電力開(kāi)關(guān)企業(yè)委托我公司設(shè)計(jì)加工爆破片產(chǎn)品，產(chǎn)品充氣壓力0.58MPa(用戶為防止泄漏預(yù)先將充氣壓力略微提高)，在環(huán)境溫度和操作條件變化時(shí)，其最高工作壓力可能達(dá)0.61MPa左右，當(dāng)設(shè)計(jì)爆破壓力為0.7MPa(最小設(shè)計(jì)爆破壓力0.67MPa，操作比為1.10倍)時(shí)，該產(chǎn)品在夏季時(shí)，個(gè)別產(chǎn)品出現(xiàn)了提前爆破的情況，使用壽命約1～2年。經(jīng)研究協(xié)商，將設(shè)計(jì)爆破壓力提高到了1.0MPa(最小設(shè)計(jì)爆破壓力0.9MPa)，同時(shí)將設(shè)備充氣壓力下降到0.55MPa，使實(shí)際操作比提高到1.5以上，該參數(shù)產(chǎn)品目前已在設(shè)備上安全運(yùn)行15年。

2.4 夾持結(jié)構(gòu)或尺寸設(shè)計(jì)加工不當(dāng)

夾持結(jié)構(gòu)無(wú)法保證爆破片正確安裝及夾緊，泄壓側(cè)夾持法蘭口徑過(guò)小，影響爆破片破裂，防護(hù)裝置影響爆破片泄放要求，這些都會(huì)影響爆破片性能。

實(shí)例:如圖4反拱帶槽型爆破片，正常爆破片的爆破狀態(tài)如圖4(d)，如果泄壓側(cè)法蘭內(nèi)徑小于爆破片泄放口徑(如圖4(a))，爆破片達(dá)到爆破壓力翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中遇到泄壓側(cè)法蘭的阻擋，影響爆破片的開(kāi)裂狀態(tài)(如圖 4(b)、4(c))。

圖4 夾持結(jié)構(gòu)對(duì)爆破狀態(tài)的影響

2.5 無(wú)防護(hù)裝置或防護(hù)裝置設(shè)置不當(dāng)

爆破片安裝以后，在爆破片泄壓側(cè)沒(méi)有設(shè)置防護(hù)裝置或防護(hù)裝置設(shè)置不當(dāng)，爆破片可能遭受冰雹、飛石等損傷，而且爆破片的泄壓側(cè)可能積存雨雪，這不但影響爆破片的正常爆破，如果設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣(嚴(yán)重的環(huán)境腐蝕)，爆破片還會(huì)遭受腐蝕破壞，更有甚者隨著雨雪水的反復(fù)融化和冰凍，就會(huì)對(duì)爆破片產(chǎn)生膨脹力，導(dǎo)致爆破片形狀發(fā)生變化甚至沿槽破裂。

3 爆破片無(wú)防護(hù)裝置可能出現(xiàn)的問(wèn)題

3.1 環(huán)境腐蝕引起爆破片提前爆破

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

3.2 環(huán)境介質(zhì)直接擊打爆破片引起爆破片拱面損傷

在我國(guó)大部分地區(qū)都有冰雹霰子甚至在冬季出現(xiàn)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(jīng)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(huì)大幅度的下降，甚至?xí)霈F(xiàn)由于爆破片失穩(wěn)壓力過(guò)小而無(wú)法打開(kāi)的情況，失穩(wěn)而沒(méi)有打開(kāi)的爆破片如果沒(méi)有及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，一旦出現(xiàn)容器超壓工況，爆破片將不能正常動(dòng)作。

3.3 環(huán)境介質(zhì)積存引起爆破片失穩(wěn)后打不開(kāi)

如果反拱形爆破片泄壓側(cè)沒(méi)有保護(hù)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?xí)粍?dòng)物們建為巢穴。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，如果爆破片凹面的積存物達(dá)到一定量，爆破片即使能夠在額定壓力下失穩(wěn)，也很容易出現(xiàn)不能打開(kāi)的情況，這給被保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)很大的隱患。

3.4 環(huán)境介質(zhì)積存后冰凍直接破壞爆破片

在我國(guó)大部分地區(qū)，冬季都會(huì)出現(xiàn)冰凍天氣，如果爆破片泄壓側(cè)積水后結(jié)冰，由于容器內(nèi)溫度一般比較高，所以爆破片泄壓側(cè)積水便會(huì)沿上表面先結(jié)冰封凍，隨后當(dāng)內(nèi)部積水進(jìn)一步結(jié)冰時(shí)，就會(huì)產(chǎn)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(fā)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(shí)例:如圖6對(duì)反拱形爆破片泄壓側(cè)(凹面)進(jìn)行冰凍實(shí)驗(yàn)，第一次冰凍后，爆破片拱面沒(méi)有明顯變化，但經(jīng)仔細(xì)測(cè)量，爆破片拱面整體升高了0.3mm左右;經(jīng)過(guò)第二次冰凍試驗(yàn)后，爆破片拱面已經(jīng)有明顯的凸起出現(xiàn);多次對(duì)其冰凍后，爆破片拱面已經(jīng)嚴(yán)重變形。

可想而知，安裝在戶外沒(méi)有采取防護(hù)措施的爆破片在一個(gè)冬季里面會(huì)經(jīng)過(guò)多少次冰凍過(guò)程，這一次次的冰凍對(duì)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(yàn)裝置及冰凍破壞變形圖

3.5 太陽(yáng)直射致使爆破片溫度大幅度升高導(dǎo)致爆破片爆破壓力降低

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

4 爆破片防護(hù)裝置的一般要求

如果爆破片的泄壓側(cè)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(cè)或者泄放接管的尾端設(shè)置防護(hù)裝置。

4.1 泄放量

爆破片防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)及尺寸一定要保證爆破片的泄放量滿足要求。防護(hù)裝置不能影響爆破片的爆破狀態(tài)，同時(shí)要提供足夠的泄放面積。對(duì)于脫落型防護(hù)裝置，當(dāng)爆破片爆破時(shí)，防護(hù)裝置一定要及時(shí)脫落。另外，在計(jì)算爆破片泄放量時(shí)要全面考慮防護(hù)裝置對(duì)爆破片泄放量的影響。

4.2 材料、強(qiáng)度及連接

爆破片的防護(hù)裝置包括脫落型和非脫落型。

脫落型防護(hù)裝置對(duì)材料及強(qiáng)度沒(méi)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(hù)裝置和爆破片泄壓側(cè)的連接方式不受限制，只要不影響爆破片的正常爆破，當(dāng)爆破片爆破時(shí)防護(hù)裝置能夠及時(shí)脫落，并且脫落后的防護(hù)裝置不會(huì)對(duì)人員、公共設(shè)施及其他設(shè)備造成損害。如有必要，可以將脫落型防護(hù)裝置用鏈條或其他方式和設(shè)備連接，也可以在防護(hù)裝置飛行方向設(shè)置捕捉器。

非脫落型防護(hù)裝置一般采用金屬材料，在選擇結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)尺寸時(shí)要保證防護(hù)裝置具有足夠的強(qiáng)度抗擊爆破片爆破及介質(zhì)泄放的沖擊。非脫落型防護(hù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)

電力開(kāi)關(guān)行業(yè)的SF6封閉電器使用區(qū)域廣泛，各地條件均不相同，環(huán)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(hù)裝置。

爆破片的防護(hù)裝置根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分為脫落型和非脫落型。如果爆破片安裝在設(shè)備的頂部且設(shè)備安裝于室外，則只能選擇脫落型防護(hù)裝置。如果爆破片安裝在設(shè)備的側(cè)面或安裝在設(shè)備的頂部但用在室內(nèi)，則可根據(jù)具體要求選擇脫落型或非脫落型保護(hù)裝置。

5.1 脫落型防護(hù)裝置

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

圖7 脫落型防護(hù)裝置

5.2 非脫落型防護(hù)裝置

如圖8，如果爆破片安裝在設(shè)備的側(cè)面或安裝在設(shè)備的頂部但用在室內(nèi)，可以在爆破片泄壓側(cè)安裝非脫落型防護(hù)裝置。正常工作情況下，爆破片泄壓側(cè)處于開(kāi)放狀態(tài)，當(dāng)容器超壓爆破片爆破的時(shí)候，非脫落型防護(hù)裝置不會(huì)影響超壓介質(zhì)的正常泄放，同時(shí)還能引導(dǎo)泄放介質(zhì)向安全區(qū)域排放。

圖8 非脫落型防護(hù)裝置

5.3 注意事項(xiàng)

安裝在室內(nèi)的SF6封閉電器基本上不會(huì)遭受風(fēng)吹日曬、雨雪冰凍、介質(zhì)積存及環(huán)境腐蝕的影響，所以安裝防護(hù)裝置的主要目的是有效引導(dǎo)泄放介質(zhì)，減少超壓設(shè)備的安全泄放對(duì)周邊其他設(shè)備、公共設(shè)施及人員的損害。

安裝在室外的SF6封閉電器受各種環(huán)境因素的影響，對(duì)爆破片的防護(hù)裝置有較高的要求:防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)選擇要合理，不同的安裝位置選擇不同類型的防護(hù)裝置;防護(hù)裝置的安裝位置及方向確保雨雪雜物等不會(huì)在爆破片的泄壓側(cè)積存;防護(hù)裝置的材料要耐環(huán)境腐蝕，否則，則應(yīng)定期更;防護(hù)裝置的固定方式應(yīng)考慮材料老化松動(dòng)及狂風(fēng)暴雨的影響。

［1］ TSG ZF003－2011，爆破片裝置安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)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(kāi)關(guān)用爆破片的更換周期［J］.電氣開(kāi)關(guān)，2012，3:96 －97.