操作比對(duì)反拱帶槽型爆破片使用壽命及更換周期的影響研究

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(1.大連理工大學(xué) 化工學(xué)院,遼寧大連 116024,2.大連理工度達(dá)安全工程有限公司，遼寧大連 116012;3.大連理工安全裝備有限公司，遼寧大連 116012)

0 引言

爆破片作為一種精密的壓力開關(guān)，已被廣泛應(yīng)用于壓力容器超壓泄放場合。盡管國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的制定，為科學(xué)、規(guī)范地設(shè)置爆破片安全裝置提供了相應(yīng)的依據(jù)，但是調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)長期運(yùn)行中的爆破片，是否需要更換以及何時(shí)更換，由于沒有明確規(guī)定和要求,已成為困擾爆破片設(shè)計(jì)、制造、使用人員以及監(jiān)督管理部門的難題。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)TSG ZF003《爆破片裝置安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]規(guī)定，爆破片裝置需要定期更換，但沒有明確更換周期確定的方法；吳全龍等[2]對(duì)爆破片使用更換周期問題進(jìn)行了探討，指出爆破片的使用更換周期可以根據(jù)制造廠家數(shù)據(jù)、用戶使用記錄和試驗(yàn)手段來獲得；GB 567.2—2012附錄D[3]中，給出了兩種確定爆破片更換周期的方法：一是由制造單位確定更換周期，二是由使用單位確定。但以上的一些研究和標(biāo)準(zhǔn)都基于制造和使用經(jīng)驗(yàn)，并未研究操作比與爆破片壽命之間的關(guān)系來獲得爆破片明確的更換周期公式。

分析認(rèn)為，爆破片更換周期問題，首先和爆破片壽命有關(guān)。而爆破片壽命，取決于靜載下的持久壽命和循環(huán)載荷下的疲勞壽命。但目前還未有爆破片壽命與各影響因素之間量化關(guān)系的研究成果；且現(xiàn)階段還沒有學(xué)者對(duì)不同材料爆破片壽命進(jìn)行對(duì)比的研究。

基于此，本文擬選取應(yīng)用量最大的反拱帶槽型爆破片為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)方法研究316L和Inconel 600兩種材料制成的反拱帶槽型爆破片持久壽命及疲勞壽命與操作比的定量關(guān)系，選取合適的安全系數(shù)，以得到適用于工程領(lǐng)域的壽命預(yù)測(cè)公式，從而為爆破片更換周期的制定提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及裝置

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

316L和Inconel 600是廣泛使用的制造爆破片的材料[4]，本文選擇這兩種材料作為爆破片材料。在眾多爆破片類型中，反拱帶槽型爆破片使用最為廣泛，因此，首先研究這種類型爆破片的壽命問題。選擇的試驗(yàn)對(duì)象及參數(shù)見表1。

表1 兩種爆破片產(chǎn)品參數(shù)

1.2 試驗(yàn)參數(shù)選擇

爆破片在承受靜態(tài)和疲勞載荷時(shí)，操作比定義略有不同。在承受靜載時(shí)，因?yàn)檩d荷壓力是恒定不變的，故可認(rèn)為操作比為操作壓力與爆破壓力之比[5]；而在承受疲勞載荷時(shí)，壓力是脈動(dòng)的，根據(jù)GB 150—2011《壓力容器》[6]中工作壓力的定義為：壓力容器正常工作的情況下，容器頂部的最大壓力。結(jié)合工作壓力的定義，以脈動(dòng)壓力中峰值壓力(如充裝容器的充裝壓力)為爆破片的工作壓力，故疲勞研究中的操作比為峰值壓力與爆破壓力之比。

文中以W=Pw/Pb為操作比，在靜載爆破試驗(yàn)中，Pw為工作壓力，Pb為爆破壓力；在疲勞爆破試驗(yàn)中，Pw為峰值壓力，Pb為爆破壓力。

爆破片壽命主要取決于兩種工況：承受靜載時(shí)的持久壽命，以及承受疲勞載荷時(shí)的疲勞壽命。其中持久壽命是指爆破片在承受恒定不變的載荷作用下，從加載開始到最終爆破片發(fā)生翻轉(zhuǎn)爆破的總時(shí)間；而疲勞壽命是指爆破片在承受循環(huán)變化的載荷作用下，從加載開始到最終爆破片發(fā)生翻轉(zhuǎn)爆破的總的疲勞循環(huán)次數(shù)。

影響爆破片持久壽命和疲勞壽命的因素很多，研究中考慮全部影響因素并不可行。分析發(fā)現(xiàn)，在眾多因素中，操作比是同時(shí)影響爆破片持久壽命和疲勞壽命的顯著且最為關(guān)鍵的因素[7-8]。操作比越大說明爆破片工作壓力越接近爆破壓力，爆破片越容易失效，其壽命也就越低。因此，本研究首先解決持久壽命和疲勞壽命與操作比的定量關(guān)系。

1.3 試驗(yàn)平臺(tái)

采用靜載爆破試驗(yàn)裝置和疲勞試驗(yàn)裝置開展爆破片持久壽命和疲勞壽命研究。

1.3.1 靜載爆破試驗(yàn)平臺(tái)

靜載爆破試驗(yàn)裝置流程如圖1所示，主要由法蘭、夾持器、空氣氣源、截止閥、減壓閥、壓力表、緩沖氣瓶、管路等構(gòu)成。

圖1 爆破片常溫靜載爆破試驗(yàn)平臺(tái)示意

試驗(yàn)過程為：關(guān)閉截止閥2，接入氣源，打開截止閥1，通過減壓閥1和減壓閥2二級(jí)減壓，確保進(jìn)入緩沖罐內(nèi)的氣體壓力穩(wěn)定可控，試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的壓力緩慢上升，利用壓力表(壓力傳感器)監(jiān)測(cè)顯示裝置內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力，此時(shí)顯示的壓力即為爆破片承受的壓力；繼續(xù)升壓至試驗(yàn)所需壓力，立即關(guān)閉截止閥1，保持系統(tǒng)內(nèi)壓力穩(wěn)定，并記錄開始時(shí)間，試驗(yàn)過程整個(gè)系統(tǒng)要求密封可靠，壓力保持恒定，此時(shí)恒定的壓力即為爆破片的工作壓力，當(dāng)爆破片翻轉(zhuǎn)失穩(wěn)爆破時(shí)，時(shí)間記錄結(jié)束，爆破片在此工作壓力下，從開始保壓到爆破所經(jīng)歷的時(shí)間即為持久壽命。

1.3.2 疲勞爆破試驗(yàn)平臺(tái)

疲勞試驗(yàn)裝置如圖2所示，主要由壓力傳感器、控制系統(tǒng)、法蘭、截止閥、減壓閥、夾持器、爆破片和管路構(gòu)成。

圖2 爆破片常溫疲勞試驗(yàn)平臺(tái)示意

試驗(yàn)過程為：接入氣源，打開截止閥，通過減壓閥進(jìn)行減壓，確保進(jìn)入緩沖罐內(nèi)的氣體壓力穩(wěn)定可控，試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)的壓力緩慢上升，利用壓力表(壓力傳感器)監(jiān)測(cè)顯示裝置內(nèi)的實(shí)時(shí)壓力，此時(shí)顯示的壓力即為爆破片承受的壓力；當(dāng)爆破片表面的壓力達(dá)到設(shè)定上限壓力后，將輸出管路的電磁閥門關(guān)閉，并保持壓力一段時(shí)間；隨后將泄放管路電磁閥門打開，向周圍環(huán)境輸送空氣降低壓力，達(dá)到設(shè)定下限壓力后，將泄放管路電磁閥門關(guān)閉，再保持壓力一段時(shí)間，至此完成一個(gè)疲勞周期。詳細(xì)的疲勞加載循環(huán)圖如圖3所示。

圖3 疲勞載荷加載循環(huán)圖

在疲勞試驗(yàn)中設(shè)有不同的峰值壓力Pw，相同的谷值壓力Pb(0.2 MPa)及加壓周期(40 s)，并記圖中A-B-C-D-E過程為一個(gè)疲勞周期。繼續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程整個(gè)系統(tǒng)要求密封可靠，當(dāng)爆破片翻轉(zhuǎn)失穩(wěn)爆破時(shí)，記錄下相應(yīng)的疲勞加載次數(shù)，至此完成一組試驗(yàn)。爆破片在此循環(huán)載荷作用下所能承受的循環(huán)次數(shù)即為該爆破片的疲勞壽命。

2 反拱帶槽型爆破片壽命預(yù)測(cè)方法

2.1 靜載持久壽命預(yù)測(cè)

將試驗(yàn)中得到的316L反拱帶槽型爆破片以及Inconel 600反拱帶槽型爆破片靜載持久壽命數(shù)據(jù)(見表2，3)繪入圖4。兩種材料爆破片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)近似分布相同，在對(duì)比多個(gè)簡單數(shù)學(xué)模型后，選取了最為合適的冪函數(shù)類數(shù)學(xué)模型，在圖中選取了一條能近似替代兩者的持久壽命曲線，使得試驗(yàn)所測(cè)值均勻地分布在擬合曲線兩側(cè)。

表2 316L反拱帶槽型爆破片常溫承載靜態(tài)壓力試驗(yàn)

表3 Inconel 600反拱帶槽型爆破片常溫承載

圖4 反拱帶槽型爆破片在靜態(tài)壓力下的壽命曲線

得到常溫工況下反拱帶槽型爆破片的持久壽命預(yù)測(cè)公式如下：

t=0.03718W-112.61

(1)

式中W——操作比，W=Pw/Pb；

t——持久壽命，min。

從圖4中可以看出，隨著操作比的降低，兩種材料制成的反拱帶槽型爆破片的保壓時(shí)間是不斷增加的。在高操作比時(shí)，操作比的變化對(duì)兩種爆破片的持久壽命影響不大；而在低操作比時(shí)，爆破片的持久壽命會(huì)隨著操作比的變化而發(fā)生急劇變化。

2.2 疲勞壽命預(yù)測(cè)

將試驗(yàn)中得到的316L反拱帶槽型爆破片以及Inconel 600反拱帶槽型爆破片疲勞壽命數(shù)據(jù)(見表4，5)繪入圖5。兩種材料爆破片的試驗(yàn)數(shù)據(jù)近似分布相同，目前的S-N曲線和P-S-N曲線主要采用Manson-Coffin、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)模型進(jìn)行修正而得出的[9-12]。本文在選取多個(gè)簡單數(shù)學(xué)模型經(jīng)Origin軟件擬合對(duì)比后，選取了最為合適的冪函數(shù)類數(shù)學(xué)模型，并在圖中選取了一條能近似替代兩者的疲勞壽命曲線，使得試驗(yàn)所測(cè)值均勻地分布在擬合曲線兩側(cè)。

表4 316L反拱帶槽型爆破片常溫疲勞試驗(yàn)

表5 Inconel 600反拱帶槽型爆破片常溫疲勞試驗(yàn)

圖5 反拱帶槽型爆破片在疲勞載荷下的疲勞壽命曲線

得到常溫工況下反拱帶槽型爆破片疲勞壽命預(yù)測(cè)公式如下：

N=1.1585W-127.34846

(2)

式中W——操作比，Pw/Pb；

N——疲勞次數(shù)，次。

從圖5可以看到，隨著操作比的降低，兩種材料制成的反拱帶槽型爆破片的耐疲勞性也是不斷增強(qiáng)的。在高操作比時(shí)，操作比的變化對(duì)兩種爆破片的疲勞壽命影響不大；而在低操作比時(shí)，爆破片的疲勞壽命會(huì)隨著操作比的變化而發(fā)生較為急劇變化。

2.3 爆破片失效原因分析

試驗(yàn)所用反拱帶槽型爆破片結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 反拱帶槽型爆破片結(jié)構(gòu)示意

反拱帶槽型爆破片在承受靜載或疲勞載荷時(shí)，刻槽處相較于其他位置應(yīng)力更為集中，此位置處將會(huì)更容易產(chǎn)生微小的塑性變形[13-16]。隨著時(shí)間的不斷累積，刻槽處的微小變形將不斷積累，又因?yàn)榉垂氨破峭箓?cè)受力，因此可以認(rèn)為爆破片的拱高H在受力過程中是不斷減小的，且爆破片口徑D可以認(rèn)為近似不變，再根據(jù)反拱爆破片爆破壓力P∝(H/D)[17]可知，反拱爆破片在加載過程中，它的爆破壓力是不斷減小的，即該爆破片會(huì)在低于標(biāo)定爆破壓力下產(chǎn)生失效現(xiàn)象。

隨著操作比的不斷增大，爆破片的變形累積速度將逐漸加快。高操作比下爆破片拱高的減小速度將更快，槽附近的變形積累將使爆破片更快失穩(wěn)爆破，宏觀上將表現(xiàn)出在高操作比下爆破片的壽命要明顯小于低操作比下的壽命。

此外，本試驗(yàn)所用的316L材料屬于奧氏體不銹鋼的一種；Inconel 600的成形性能類似于穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼，因此兩種材料的爆破片在承受載荷時(shí)，產(chǎn)生的變形近似相同，在相同載荷下表現(xiàn)出達(dá)到發(fā)生翻轉(zhuǎn)爆破時(shí)所用的時(shí)間也相近，所以兩者的壽命擬合曲線相似。

3 安全系數(shù)的提出及壽命預(yù)測(cè)案例

3.1 安全系數(shù)

由于爆破片夾持條件與試驗(yàn)條件不同且操作條件也存在波動(dòng)，再加上產(chǎn)品自身的制造偏差，導(dǎo)致試驗(yàn)條件下得到的壽命經(jīng)驗(yàn)公式難以直接應(yīng)用到實(shí)際工程中。因此為了預(yù)測(cè)工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)的產(chǎn)品壽命，必須確定爆破片壽命安全系數(shù)。

爆破片壽命安全系數(shù)的確定還沒有相關(guān)研究報(bào)道，考慮到實(shí)際應(yīng)用中爆破片的操作工況、介質(zhì)環(huán)境、安裝條件也不盡相同，本文安全系數(shù)的選取方法參照壓力容器試驗(yàn)安全系數(shù)的選取方法，將實(shí)驗(yàn)室條件下得到的壽命預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)化成可以應(yīng)用到實(shí)際工程中的更換周期經(jīng)驗(yàn)公式。

根據(jù)JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn)版)[18]，一般考慮因素如下：

(1)數(shù)據(jù)分散程度為2.0；

(2)尺寸因素影響為2.5；

(3)表面粗糙度與環(huán)境因素影響為4.0。

將3種因素相乘得到影響因素為20，另外也對(duì)不做疲勞分析的壓力波動(dòng)大小進(jìn)行了規(guī)定：如果設(shè)備內(nèi)操作壓力波動(dòng)不大于±20%，就不必考慮疲勞對(duì)設(shè)備的危害。參照壓力容器的疲勞分析安全系數(shù)，并結(jié)合某公司提供的爆破片相關(guān)工程數(shù)據(jù)與工程經(jīng)驗(yàn)，給出持久壽命安全系數(shù)取值方法如下。

(1)現(xiàn)場實(shí)際爆破片夾持條件與實(shí)驗(yàn)室理想條件下可能存在的差別的影響系數(shù)為2.2;

(2)試驗(yàn)產(chǎn)品爆破壓力偏差引起的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散影響系數(shù)為1.5；

(3)爆破片結(jié)構(gòu)尺寸(爆破片減弱槽剩余厚度偏差及拱高偏差)影響系數(shù)為4.0；

(4)實(shí)際工況下平均操作壓力不超過爆破片實(shí)際爆破壓力80%時(shí)，壓力波動(dòng)不超過±10%，認(rèn)為壓力波動(dòng)對(duì)持久壽命影響為1.5。

以上4種影響因素系數(shù)之乘積為19.8，與壓力容器疲勞安全系數(shù)取20相近，故綜上所述，反拱帶槽型爆破片的持久壽命和疲勞壽命安全系數(shù)均取20。

反拱帶槽型爆破片在工程應(yīng)用中的壽命預(yù)測(cè)公式如下。

持久壽命預(yù)測(cè)公式：

t1=1.859×10-3W-112.61(s)

(3)

假設(shè)實(shí)際工程領(lǐng)域中一天等效施加疲勞循環(huán)載荷次數(shù)為N1。

疲勞壽命預(yù)測(cè)公式：

(4)

3.2 工程壽命預(yù)測(cè)案例

試驗(yàn)所采用的爆破片與實(shí)際工程所用爆破片結(jié)構(gòu)型式完全相同時(shí)，可不考慮爆破片尺寸大小對(duì)壽命影響，另外結(jié)合某公司以前其他尺寸所獲得的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與本次試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果高度一致，所以對(duì)相同結(jié)構(gòu)型式爆破片，認(rèn)為公稱直徑大小對(duì)爆破片壽命沒有影響。采用由該公司提供的工程實(shí)例以驗(yàn)證反拱帶槽型爆破片工程壽命預(yù)測(cè)普適性以及安全系數(shù)取值的可靠性。

(1)示例1：天津某公司所用該尺寸的爆破片抽樣爆破壓力5.2 MPa，調(diào)研發(fā)現(xiàn)操作壓力為4.55 MPa，爆破片安裝使用后5天即爆破。

爆破片操作壓力比W為:

將操作比W代入式(3)中得到:

t=1.859×10-3W-112.61=6305 min≈4.4 day

(2)示例2：某電氣開關(guān)用該尺寸的爆破片，爆破片抽樣爆破壓力0.80 MPa，調(diào)研發(fā)現(xiàn)夏天最高工作壓力為0.68 MPa，爆破片安裝使用后3個(gè)月即爆破。

爆破片操作壓力比W為:

將操作比W代入公式(3)中得到:

t=1.859×10-3W-112.61=164 973 min≈114 day

對(duì)上面兩個(gè)工程應(yīng)用示例按工程壽命預(yù)測(cè)公式計(jì)算，所得預(yù)測(cè)壽命基本與實(shí)際壽命相吻合，所以持久壽命安全系數(shù)取20左右具有可靠性，預(yù)測(cè)公式所得短期預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際比較吻合。故筆者認(rèn)為預(yù)測(cè)壽命公式具備普適性，安全系數(shù)取值可靠。

4 更換周期制定

根據(jù)以上所得出的壽命預(yù)測(cè)公式可以間接地為爆破片更換周期的制定提供相應(yīng)參考依據(jù)。但由于實(shí)際工程領(lǐng)域中爆破片需要在破壞失效之前進(jìn)行更換，因此實(shí)際制定的更換周期要比適用于實(shí)際工程領(lǐng)域的壽命預(yù)測(cè)公式所計(jì)算的值要小。因此，需要將所得到的爆破片壽命預(yù)測(cè)公式除以一個(gè)大于1的系數(shù)，通常這個(gè)系數(shù)根據(jù)爆破片實(shí)際所處的環(huán)境不同而有所不同。

5 結(jié)論

(1)靜載作用下，在高操作比時(shí)，操作比的變化對(duì)316L爆破片的壽命影響不大；而在低操作比時(shí)，其壽命會(huì)隨著操作比的變化而發(fā)生急劇變化。Inconel 600與316L具有相似的壽命規(guī)律，兩者可以用近似相同的表達(dá)式t=0.03718W-112.61表示。

(2)疲勞載荷作用下，在高操作比時(shí)，操作比的變化對(duì)316L爆破片的壽命影響不大；而在低操作比時(shí)，其壽命會(huì)隨著操作比的變化而發(fā)生急劇變化。Inconel 600與316L具有相似的壽命規(guī)律，兩者可以用近似相同的表達(dá)式N=1.1585W-127.34846表示。