爆破片的選型研究

謝 浩，于洪康

（中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

0 引言

爆破片是一種在設(shè)定壓力下爆破后不可再閉合的壓力泄放元件，能在設(shè)定的爆破溫度和壓力下即刻動(dòng)作并泄放壓力。爆破片可以對(duì)急劇升高的壓力迅速作出反應(yīng)，具有泄放面積大、動(dòng)作靈敏、精度高、密封性好、耐腐蝕和不易堵塞等優(yōu)點(diǎn)。爆破片作為一種新型的安全泄壓元件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)的壓力設(shè)備和系統(tǒng)。

1 爆破片的工作原理和類型

1.1 工作原理

爆破片發(fā)生爆破泄壓后不能恢復(fù)閉合，無(wú)法重復(fù)使用。爆破片處在一定的爆破溫度環(huán)境中，當(dāng)爆破膜片兩側(cè)的壓力差值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就會(huì)即刻發(fā)生破裂或脫落并泄放出流體介質(zhì)，發(fā)揮安全泄壓保護(hù)的功能。爆破片需要安裝在和其配套的夾持器中以組成一套完整的爆破片裝置，并將整套爆破片裝置安裝到設(shè)備上設(shè)計(jì)好的密封泄壓位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的密封和泄壓保護(hù)。當(dāng)設(shè)備內(nèi)發(fā)生超壓且其壓力上升至爆破片設(shè)計(jì)的爆破壓力時(shí)，爆破片發(fā)生破裂或脫落形成一條壓力泄放通道，將超壓介質(zhì)安全泄放。發(fā)生動(dòng)作后的爆破片無(wú)法再閉合，需要更換新的爆破片來(lái)恢復(fù)設(shè)備的密閉狀態(tài)。

爆破片的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈敏可靠、密封性好、泄放能力強(qiáng)、適用溫度范圍廣和維護(hù)方便等特點(diǎn)，可以在腐蝕或粘稠的工藝環(huán)境下可靠地工作。根據(jù)爆破片的性能特點(diǎn)，它主要適用于：工作介質(zhì)粘稠或易于聚合的場(chǎng)所；系統(tǒng)內(nèi)的壓力瞬間會(huì)急劇升高的場(chǎng)所；工作介質(zhì)為貴重或毒性氣體的場(chǎng)所；工作介質(zhì)的腐蝕性很強(qiáng)的場(chǎng)所；需要與安全閥組合使用時(shí)；當(dāng)操作溫度過(guò)低影響安全閥正常工作時(shí)。爆破片不適合用于設(shè)備經(jīng)常超壓或溫度波動(dòng)過(guò)大的場(chǎng)合。當(dāng)容器內(nèi)的介質(zhì)為液體時(shí)也不宜選用反拱型爆破片，因?yàn)槌瑝阂后w的能量不足以使反拱型爆破片失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)爆破。

1.2 類型

爆破片按照結(jié)構(gòu)型式可以分為正拱形爆破片、反拱形爆破片和平板型爆破片三大類。

（1）正拱形爆破片的系統(tǒng)壓力作用于爆破片的凹面，凸面均朝向泄壓一側(cè)，動(dòng)作時(shí)爆破片發(fā)生拉伸破裂（圖1）。它又可以細(xì)分為正拱普通型、正拱帶槽型和正拱開(kāi)縫型3 種形式，可用于氣體或液體介質(zhì)的泄放。

圖1 正拱開(kāi)縫型爆破片

（2）反拱形爆破片的系統(tǒng)壓力作用于爆破片的凸面，凹面均朝向泄壓一側(cè)，動(dòng)作時(shí)爆破片發(fā)生壓縮失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)，致使其破裂或脫落（圖2）。反拱形爆破片不宜用在設(shè)計(jì)爆破壓力較高的場(chǎng)合，壓力太高會(huì)因爆破片厚度過(guò)大，導(dǎo)致失穩(wěn)反轉(zhuǎn)后難以立即致破。它又可以細(xì)分為反拱刀架型、反拱鱷齒型、反拱帶槽型和反拱開(kāi)縫型4 種形式，主要用于氣相介質(zhì)的泄放。

圖2 反拱十字槽型爆破片

（3）平板型爆破片的系統(tǒng)壓力作用于爆破片的平面，受力后逐漸變形起拱，達(dá)到額定壓力拉伸破裂。它又可以細(xì)分為平板普通型、平板開(kāi)縫型和平板帶槽型3 種形式，可用于氣體和液體介質(zhì)的泄放。

按照材料，爆破片還可以分為金屬爆破片、非金屬爆破片和金屬?gòu)?fù)合非金屬爆破片三大類型。

2 爆破片的選型

爆破片的爆破壓力受爆破溫度影響較大，同時(shí)還受到工作介質(zhì)狀態(tài)、系統(tǒng)壓力和工藝過(guò)程等因素的影響。因此在爆破片選用時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)影響因素，針對(duì)所保護(hù)的設(shè)備正確合理地選用。

首先需要確定爆破片的爆破溫度和爆破壓力，在確定了爆破溫度和爆破壓力參數(shù)后，接下來(lái)便可以根據(jù)介質(zhì)狀態(tài)、系統(tǒng)壓力、工藝過(guò)程、爆破片的設(shè)置方式和泄放口徑等因素，來(lái)選用合適的爆破片裝置。

2.1 爆破溫度

爆破溫度是指爆破片達(dá)到爆破壓力時(shí)爆破膜片的溫度。通常爆破片的材料強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的升高而降低，所以爆破片的爆破壓力也會(huì)隨著溫度的升高而下降，因而爆破溫度要根據(jù)爆破片安裝處的準(zhǔn)確溫度來(lái)確定。爆破片的材料主要是根據(jù)爆破溫度和其所接觸的介質(zhì)腐蝕性來(lái)選擇。金屬材料是應(yīng)用最廣泛的爆破片材料，但是不同金屬材料所適用的工作溫度范圍差別較大，選用時(shí)需要確認(rèn)金屬材料的溫度適用范圍。石墨等非金屬爆破片材料則主要應(yīng)用在一些存在腐蝕性的場(chǎng)合（表1）。

表1 各種材料爆破片的最高使用溫度 ℃

2.2 爆破壓力

爆破壓力是指爆破片打開(kāi)瞬間的系統(tǒng)壓差值，其與系統(tǒng)最大工作壓力及爆破片制造范圍和爆破溫度相關(guān)（圖3）。

圖3 爆破壓力與系統(tǒng)壓力關(guān)系

爆破壓力計(jì)算公式：

其中，Pb為設(shè)計(jì)爆破壓力（確定爆破壓力），Pbmin為最小爆破壓力，Pbmax為最大爆破壓力。

由于薄的爆破片金屬材料對(duì)于蠕變較為敏感，在高應(yīng)力狀態(tài)下，如拉伸型爆破片，即使常溫也會(huì)發(fā)生蠕變，長(zhǎng)時(shí)間工作將使爆破壓力下降。為了保證爆破壓力穩(wěn)定，必須控制蠕變速率，即限制爆破片的最大工作壓力與最小爆破壓力的比率。不同型式爆破片的最大工作壓力（Pw）與最小爆破壓力（Pbmin）的比率關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 各種型式爆破片的最小爆破壓力

爆破壓力允差是指爆破片實(shí)際爆破壓力與設(shè)計(jì)爆破壓力之間的最大允許偏差，爆破片的實(shí)際爆破壓力均應(yīng)在爆破壓力允差范圍內(nèi)（表3）。

表3 爆破片的爆破壓力允差范圍

2.3 爆破片型式選擇

在開(kāi)展爆破片選型時(shí)首先需要根據(jù)系統(tǒng)或設(shè)備的工作溫度和壓力范圍，來(lái)確定爆破片的爆破溫度和爆破壓力參數(shù)，在這兩個(gè)參數(shù)確定后再依據(jù)系統(tǒng)或設(shè)備是否存在真空或背壓情況，來(lái)判斷是否需要選用帶真空支架的爆破片，最后再根據(jù)操作壓力比、工作介質(zhì)相態(tài)、是否會(huì)引起撞擊火花和爆破時(shí)有無(wú)碎片等因素來(lái)確定爆破片的最終型式。

通過(guò)上述方法篩選出的爆破片有時(shí)可能還會(huì)有多種類型或規(guī)格，這時(shí)往往還需要從爆破片的經(jīng)濟(jì)性和抗疲勞性能方面進(jìn)行綜合比較，從中選出最為經(jīng)濟(jì)可靠的。通過(guò)比較各種類型爆破片的操作壓力比，可以得知在3 種類型爆破片中反拱型爆破片的操作壓力比最高。這意味著在相同的爆破壓力設(shè)定值下，采用正拱型或平板型爆破片的設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力值需要設(shè)定的更高，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備投資成本增加。根據(jù)各種型式爆破片的操作壓力比、抗疲勞性能和爆破性能等，可以列出爆破片選型參考表（表4）。

表4 爆破片選型參考表

3 結(jié)束語(yǔ)

爆破片作為一種特種設(shè)備安全泄壓保護(hù)附件，其正確選型對(duì)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)爆破片結(jié)構(gòu)形式、工作特點(diǎn)和主要性能參數(shù)的分析研究，明確了各種類型爆破片的適用環(huán)境和工作場(chǎng)合，并提出在安全可靠的前提下經(jīng)濟(jì)合理地選用爆破片的步驟和方法。