爆破片失效模式及使用壽命探討

， ，， ，， ， ， ， ，

(1.大連理工大學 化工機械與安全學院， 遼寧 大連 116024；2.大連理工安全技術與控制工程研究中心有限公司， 遼寧 大連 116012；3.大連理工安全裝備有限公司， 遼寧 大連 116012；4.大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院， 遼寧 大連 116013)

爆破片作為一種精準的壓力開關，已被廣泛應用于壓力容器超壓泄放場合[1]。國內相關法規(guī)及標準的施行[2-3]，為科學、合理地設計、制造以及使用爆破片提供了依據(jù)。隨著爆破片應用場合的不斷擴大，逐漸出現(xiàn)了新的問題。調研發(fā)現(xiàn)，某些工藝裝置(如超高壓聚乙烯裝置)中的爆破片，隨著裝置使用年限的增加，爆破片往往數(shù)年不動作。此類爆破片在經過長周期運行后是否需要更換以及何時更換，成為困擾各單位的問題[4]。使用單位若更換未動作的爆破片，除了要承擔較高費用外，還要承擔更換爆破片帶來的潛在風險。若不更換未動作的爆破片，其能否繼續(xù)保障裝置的安全穩(wěn)定運行，也是使用單位的顧慮。

目前，TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》[2]對爆破片更換周期未有明確規(guī)定。GB 567.2—2012《爆破片安全裝置 第2部分：應用、選擇與安裝》[3]提供的資料性附錄D中，提出了2種確定爆破片更換周期的方法，即由制造單位確定更換周期或由使用單位更換制造周期。但調研發(fā)現(xiàn)，制造單位以及使用單位均沒有確定更換周期的可行方法。TSG ZF 003—2011《爆破片裝置安全技術監(jiān)察規(guī)程》[5]規(guī)定，爆破片安全裝置應定期進行更換，一般情況下爆破片裝置更換周期為2～3 a。對于腐蝕性、毒性介質以及苛刻條件(高溫、高頻率壓力波動等惡性工況)下使用的爆破片裝置，更換周期依具體情況而縮短。該規(guī)程給出的更換周期很明確，較多廠家參考此規(guī)程將更換周期定為3 a。但對不同行業(yè)、不同類型設備、不同工況使用的爆破片，能否均適用此數(shù)值還有待研究。

爆破片使用及更換周期本質上屬于爆破片使用壽命預測問題。要預測爆破片使用壽命，必須全面理解爆破片的失效模式及爆破片失效的影響因素，采用科學方法量化使用壽命與各影響因素之間的規(guī)律。獲得爆破片使用壽命后，通過給定合理的安全裕量，即可確定爆破片的更換周期?；诖?，本文對爆破片失效模式進行探討，明確爆破片使用壽命的定義及影響因素，并提出進一步的研究方向，可為爆破片設計、制造、使用以及相關標準制定提供參考。

1 爆破片失效模式

失效是指產品喪失既定功能的行為[6]。爆破片裝置的既定功能是當爆破片膜片承受的壓力p介于標定爆破壓力下限psmin和標定爆破壓力上限psmax之間時，爆破片正常動作，且膜片開裂形貌滿足要求[7]。對正拱形和平板形爆破片，正常動作為拉伸破裂；對反拱形爆破片，正常動作為壓縮失穩(wěn)。

大量爆破片失效案例表明[8-9]，無論引起爆破片失效的原因如何，爆破片失效模式主要有3種(圖1)：①爆破片膜片承受的壓力p低于標定爆破壓力下限psmin時，爆破片動作。定義此種失效模式為爆破片提前失效模式。②爆破片膜片承受的壓力p超過標定爆破壓力上限psmax時，爆破片未動作。定義此種失效模式為爆破片延遲失效模式。③爆破片膜片承受的壓力p在標定爆破壓力下限psmin和標定爆破壓力上限psmax之間時，爆破片動作，但膜片破裂形貌不滿足要求，導致通道未能全部打開。定義此種失效模式為爆破片開度失效模式。

圖1 爆破片失效模式示圖

無論爆破片發(fā)生哪種失效，均會給正常運行的工藝設備帶來風險。例如，若爆破片具有提前失效的風險，則可能使正常運行的工藝設備出現(xiàn)物料泄放、緊急停機等異常運行風險[10-11]。而對存在延遲失效及開度失效模式的爆破片，當設備存在超壓時泄放通道可能無法打開或無法完全打開，使設備存在超壓破壞風險。

進一步調研發(fā)現(xiàn)，失效案例中超過90%的爆破片均發(fā)生提前失效模式，且發(fā)生此模式爆破片的失效原因有規(guī)律可循。而對極少數(shù)發(fā)生開度失效或延遲失效的爆破片，其失效原因多為偶然因素。因此，研究爆破片裝置可能發(fā)生的提前失效模式，從本質上理解爆破片壓力低于標定爆破壓力下限時的失效原因，是開展爆破片壽命預測、確定更換周期的途徑。

2 爆破片使用壽命定義

2.1 類比工業(yè)產品

對工業(yè)產品來說，其使用壽命一般定義為產品從投入使用開始到不能再用為止所持續(xù)的時間。但當將此定義應用到爆破片裝置時，會產生一些問題。

爆破片裝置是一種正常動作后就不能再重復使用、必須更換的產品。若不考慮可能存在的失效問題，依據(jù)工業(yè)產品使用壽命的定義，可以將爆破片裝置的使用壽命定義為從安裝后的初始承壓時刻開始，至爆破片正常動作(破裂或失穩(wěn))不能再使用為止。然而，若采用此定義，爆破片裝置將不存在使用壽命的預測問題，因為爆破片何時能夠正常動作取決于工藝流程中壓力何時達到爆破片裝置的標定爆破壓力范圍，而這是無法預測的。因此，從爆破片裝置使用壽命預測以及確定更換周期的角度考慮，這種借鑒工業(yè)產品使用壽命來定義爆破片裝置使用壽命的方法并不合理。

2.2 基于提前失效模式

理想情況下，具有超壓風險的容器及設備安裝爆破片裝置后，只要爆破片功能正常(動作壓力在標定爆破壓力范圍內、開度合格)，就可以在其動作前一直使用，無需更換。然而，實際情況與上述理想情況完全不同。出廠時檢定合格的爆破片，在某些外在影響因素下，隨著膜片承載時間t的增加，膜片的承載性能將下降，導致其實際動作壓力p逐漸降低。當p降低至設備正常操作壓力pw時，膜片即動作，出現(xiàn)提前失效。

爆破片提前失效在3種失效模式中最為廣泛，若基于爆破片提前失效模式定義爆破片使用壽命，然后明確影響爆破片提前失效的因素，并量化各因素對爆破片使用壽命的影響規(guī)律，即可開展爆破片使用壽命預測并確定更換周期。

本文將爆破片使用壽命定義為，出廠檢定合格的爆破片，從安裝后的初始承壓開始至爆破片出現(xiàn)提前失效不能再使用為止的時間周期。爆破片提前失效及使用壽命示意見圖2。不同工況下，隨著使用時間的增加，爆破片膜片的實際動作壓力會降低，但降低速率與各實際工況有關。對于工況1，實際動作壓力降低速率較大，其使用壽命對應tf1(可能以年計)。對于工況3，實際動作壓力降低速率極慢，理論上可能對應無限壽命。工況2介于工況1和工況3之間。根據(jù)各工況的使用壽命tf，適當考慮各工況的安全裕量ni，從理論上可以定義出更換周期tc=tf/ni，如圖2中的tc1、tc2。

圖2 爆破片提前失效及使用壽命示圖

3 爆破片使用壽命影響因素

3.1 疲勞因素導致的爆破片疲勞壽命

疲勞因素是影響疲勞壽命的常見因素。爆破片膜片工作時是一個承載的金屬薄殼，在疲勞載荷作用下，隨著疲勞次數(shù)的增加，其承載能力將下降，直至發(fā)生疲勞失效。疲勞載荷對爆破片使用壽命的影響與很多參數(shù)有關，如爆破片結構形式、材料、操作壓力、操作溫度、升降壓速率及單次循環(huán)周期等。目前爆破片疲勞方面的研究已基本獲得了不同類型爆破片的抗疲勞性能數(shù)據(jù)和規(guī)律[12-17]。

影響疲勞性能最重要的參數(shù)是載荷比，即ISO 4126-2—2013《Safety Devices for Protection Against Excessive Pressure》[15]中定義的操作比。載荷比定義為操作壓力pw與爆破片最小爆破壓力pbmin的比值，表征操作壓力距離設計爆破壓力的幅度。在爆破壓力0.71 MPa下，實驗測量得到的不同操作比下DN200 mm的316L反拱帶槽爆破片疲勞失效循環(huán)次數(shù)見圖3。由圖3可見，當操作比為97.2%時，雖然操作壓力低于爆破片最小爆破壓力，但僅需17次循環(huán)爆破片即發(fā)生疲勞失效。當操作比先后降低為95.8%、94.4%、93%時，爆破片提前失效的循環(huán)次數(shù)分別為260次、1 880次、13 000次。這表明，隨著操作比的降低，爆破片因疲勞導致提前失效的周期顯著增大，使用壽命明顯延長。

圖3 DN200 mm的316L反拱帶槽爆破片疲勞失效循環(huán)次數(shù)

3.2 高溫蠕變因素導致的爆破片蠕變壽命

蠕變是材料塑性變形在高溫恒定載荷下隨時間而增長的現(xiàn)象。工作在高溫環(huán)境下的爆破片膜片，在蠕變因素影響下，應變將不斷變化，其承載能力隨之降低。對高溫操作的正拱拉伸形爆破片，蠕變因素不容易被忽略。目前，針對高溫爆破片蠕變的研究文獻并不多[16]，但可以借鑒關于金屬材料蠕變的研究資料。

3.3 常溫靜載因素導致的爆破片持久壽命

常溫靜載是容易被忽略的因素，但其對爆破片持久壽命有顯著影響。爆破片常溫靜載持久壽命是在常溫下，膜片在承受低于爆破片標定爆破壓力下限載荷時，隨著時間增加，其承載能力持續(xù)下降，直至爆破片提前失效的時間。影響常溫靜載的主要參數(shù)是操作比。爆破壓力0.73 MPa下，316L和Inconel材料的DN200 mm反拱帶槽爆破片在不同操作比下承受常溫靜載時的失效時間(持久壽命)見圖4。由圖4可以看到，隨著操作比增加，失效時間急劇縮短，即很快提前失效。當操作比降低至一定幅度后，可認為具有長久持久壽命。

圖4 承受常溫靜載時DN200 mm反拱帶槽爆破片失效時間

3.4 腐蝕、受損等因素

除了疲勞、高溫蠕變和常溫靜載外，還有一些能夠影響爆破片使用壽命的因素，如腐蝕、受損等[18]。這些因素較難量化，屬于在爆破片使用中需要避免的因素。文中不再重點討論。

4 標準相關規(guī)定及后續(xù)研究方向

雖然目前疲勞、高溫蠕變和常溫靜載等因素影響爆破片使用壽命的量化規(guī)律還未被完全了解，但已經能夠確認操作比是影響這3個因素的關鍵參數(shù)之一。操作比能夠顯著影響爆破片裝置的抗疲勞及蠕變性能，繼而影響爆破片的使用壽命。

從圖3、圖4看，當操作比降低至一定程度后，疲勞、高溫蠕變及常溫靜載等因素對爆破片使用壽命的影響基本可以忽略，理論上爆破片具有長久壽命。因此，GB 567—2012《爆破片安全裝置》[3]中對操作比的取值做出了嚴格規(guī)定(表1)，其目的是盡量使工作壓力遠離爆破片最小爆破壓力，使爆破片不會出現(xiàn)疲勞、蠕變等情況，從而避免提前失效，延長使用壽命。

表1 GB 567—2012中規(guī)定的操作比數(shù)值

然而，由于生產工藝的特殊性，工藝波動造成的壓力變化是不可避免的，因此即使是在設計階段嚴格按照表1要求設計的爆破片，在實際使用過程中，操作壓力也可能面臨短時或頻繁超出表1規(guī)定，但卻未達到爆破片最小爆破壓力的情況。因此，實際使用的絕大多數(shù)爆破片無法具有長久壽命，需對爆破片使用壽命進行預測。

開展爆破片使用壽命預測并確定更換周期時，需對以下內容進行重點關注：①各影響因素對不同類型爆破片使用壽命影響規(guī)律的量化。應分別構建爆破片使用壽命與各影響因素之間的函數(shù)關系，量化各參數(shù)的影響。從目前的研究看，至少要能夠量化操作比與疲勞壽命、高溫蠕變壽命、常溫靜載持久壽命之間的關系。②基于使用壽命確定更換周期安全裕量。確定了爆破片的使用壽命數(shù)值后，需要確定合適的安全裕量數(shù)值，以確定爆破片的更換周期。安全裕量的確定方法與很多因素有關，如防護設備重要性、超壓防護失效后的災害程度等。

5 結語

眾多爆破片失效案例表明，爆破片具有提前失效、延遲失效以及開度失效3種失效模式，提前失效模式在失效案例中占絕大多數(shù)。將爆破片使用壽命定義為從安裝后的初始承壓開始，至爆破片出現(xiàn)提前失效不能再使用為止的時間周期。影響爆破片使用壽命的因素有疲勞、高溫蠕變、常溫靜載及腐蝕等，后續(xù)研究應重點關注各影響因素對不同類型爆破片使用壽命影響規(guī)律的量化，以及基于使用壽命確定更換周期安全裕量的確定方法。