升壓速率對正拱形爆破片爆破壓力影響的試驗(yàn)研究

徐 鋒，劉應(yīng)華，楊 超

(1.清華大學(xué) 航天航空學(xué)院，北京 100084；2.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引言

爆破片裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、動作響應(yīng)迅速、密封可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于壓力容器、壓力管道等承壓設(shè)備領(lǐng)域，是防止承壓設(shè)備主體過度超壓發(fā)生事故的主要安全保護(hù)裝置之一[1]。

爆破片裝置主要由爆破片和夾持裝置組成，是一種由進(jìn)出口介質(zhì)壓差作用驅(qū)使爆破片破裂而自動泄壓的裝置，屬于非重閉式泄壓裝置。爆破片裝置在設(shè)定的爆破壓力下動作迅速、及時(shí)泄放壓力介質(zhì)是其作為安全保護(hù)裝置的最基本的功能要求。因此，準(zhǔn)確計(jì)算和設(shè)定爆破壓力，是安全應(yīng)用爆破片裝置、確保被保護(hù)的承壓設(shè)備安全的關(guān)鍵核心技術(shù)。影響爆破片爆破壓力大小的因素很多，既有爆破片的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸等內(nèi)在因素；也有加工工藝、應(yīng)用環(huán)境(例如介質(zhì)、溫度、壓力變化)等外部因素。其中，外部影響因素中，介質(zhì)升壓速率是影響爆破片爆破壓力的一個重要因素。

但是，在現(xiàn)有的爆破片設(shè)計(jì)、制造和使用過程中，介質(zhì)升壓速率對爆破壓力的影響往往被忽略了，或者僅是定性的規(guī)定。GB 567.1—2012《爆破片安全裝置 第1部分：基本要求》[2]中8.1.11規(guī)定：爆破試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將試驗(yàn)裝置入口壓力升壓到最小爆破壓力的90%，保壓時(shí)間不少于5 s，隨后穩(wěn)定連續(xù)地增加壓力，且每秒升壓速率不小于爆破壓力的0.1%，直至爆破片爆破，此過程不應(yīng)超過120 s；ISO 4126-2[3]中也提出了同樣的要求。但是，如按此規(guī)定，對于具有不同爆破壓力的爆破片，例如爆破片A的爆破壓力為100 MPa，爆破片B的爆破壓力為10 MPa，兩者的升壓速率可以不同，但都是符合標(biāo)準(zhǔn)的，如爆破片A升壓速率為0.1 MPa/s，爆破片B升壓速率為0.01 MPa/s，可能相差10倍。因此，目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對于爆破片標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)升壓速率的規(guī)定是過于寬泛的，實(shí)際大多數(shù)爆破片制造廠標(biāo)定爆破片爆破壓力時(shí)所采用的升壓速率也各不相同。

在工程實(shí)際中，安裝爆破片的承壓設(shè)備，爆破片破裂時(shí)的升壓速率各不相同。趙寶頔等[4]對充裝20 MPa氮?dú)獾拈L管拖車用氣瓶進(jìn)行了火燒試驗(yàn)，其升壓速率約為0.02 MPa/s。古晉斌等[5-6]對輪胎火災(zāi)下承裝不同介質(zhì)的長管拖車大容積氣瓶進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明，氣瓶的升壓速率約在0.02～0.03 MPa/s；而突然關(guān)閉承壓設(shè)備的泄放閥門，承壓設(shè)備的瞬時(shí)升壓速率可達(dá)約2.5 MPa/s。另外，GB 567.1—2012中還提出此標(biāo)準(zhǔn)不適合操作壓力劇增或反應(yīng)速度過快的承壓設(shè)備，說明相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)研究和制訂者已經(jīng)認(rèn)識到升壓速率對爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力有所影響，但具體有何影響，尚未提出具體的技術(shù)指標(biāo)及要求。李志義等[7]利用塑性動力學(xué)理論，研究了密閉容器內(nèi)發(fā)生化學(xué)爆炸時(shí)的升壓速率對爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，認(rèn)為在一定條件下升壓速率與爆破壓力呈簡單的線性關(guān)系；李岳等[8]試驗(yàn)研究了反拱帶槽型爆破片在爆炸爆破壓力控制在1.0 MPa前提下的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)了爆破壓力與升壓速率大小的關(guān)系，認(rèn)為爆破片的爆破壓力動態(tài)超壓規(guī)律應(yīng)當(dāng)以升壓速率的大小分階段討論；喻健良等[9]以正拱開縫型爆破片為對象，在爆破壓力控制在1.0 MPa前提下，研究了動態(tài)工況下不同升壓速率對正拱開縫型爆破片爆破壓力的影響；GONG等[10]分析了緊急情況下爆破片參數(shù)對高壓氫氣釋放的影響。上述研究雖均發(fā)現(xiàn)升壓速率對爆破片的爆破壓力有影響，但升壓速率較低的靜態(tài)工況與升壓速率較高的動態(tài)工況對爆破壓力的影響規(guī)律是否相同，以及如何界定靜態(tài)工況與動態(tài)工況尚無定論。

綜上所述，升壓速率對爆破片爆破壓力的響應(yīng)規(guī)律研究還不充分?？紤]當(dāng)前儲運(yùn)容器實(shí)際使用工況下的升壓速率，結(jié)合目前大多數(shù)爆破片制造廠標(biāo)定爆破片爆破壓力時(shí)所采用試驗(yàn)裝置的升壓速率范圍，本文以結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛的普通正拱型爆破片為研究對象，利用液壓爆破試驗(yàn)方法，在0～5 MPa/s升壓速率范圍內(nèi)，對爆破片爆破壓力隨升壓速率變化規(guī)律進(jìn)行探究。

1 試驗(yàn)試樣及裝置

1.1 試樣

普通正拱型爆破片(LP)的壓力作用方向與拱出方向一致，使用時(shí)的受力情況如圖1所示。普通正拱型爆破片是利用材料的抗拉強(qiáng)度控制爆破壓力。

圖1 正拱形爆破片受力情況

1.1.1 材料選取

試驗(yàn)爆破片材料選用316L不銹鋼。316L材料性能穩(wěn)定，具有良好的耐晶間腐蝕性能、韌性和耐酸性，其化學(xué)成分如表1所示。同時(shí)，316L具有良好的工藝性能和力學(xué)性能，常溫下彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。

表1 316L不銹鋼化學(xué)成分

1.1.2 結(jié)構(gòu)尺寸確定

普通正拱型爆破片的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中D0為爆破片名義直徑，D為夾持直徑，S為初始厚度，R為壓環(huán)圓角半徑。爆破片的具體結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

圖2 普通正拱型爆破片結(jié)構(gòu)示意

表2 普通正拱型爆破片試樣尺寸及基本數(shù)據(jù)

1.2 預(yù)拱成型

試驗(yàn)用爆破片采用準(zhǔn)靜態(tài)加載方式增壓成型，升壓速率均不超過0.009 MPa/s，通過壓力傳感器監(jiān)測成型壓力的變化。不同尺寸的爆破片設(shè)定不同的成型壓力，具體見表2。成型后的爆破片如圖3所示。

圖3 預(yù)拱成型后的爆破片

1.3 夾持裝置

本文設(shè)計(jì)一種可重復(fù)拆裝爆破片的試驗(yàn)夾持器，主體材料為316L奧氏體不銹鋼，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。試驗(yàn)用夾持裝置要求具有良好的密封性能，提供足夠的壓緊力，避免爆破片抽邊，便于拆裝。試驗(yàn)夾持器主要由上夾持器、下夾持器和壓環(huán)等組成。下夾持器通過錐面連接頭與試驗(yàn)臺連接，使密封面積減小，密封比壓大，連接密封效果更好。下夾持器與爆破片之間采用O形橡膠密封圈密封。O形圈利用自密封的原理，隨著系統(tǒng)壓力的提高，其密封能力增強(qiáng)，最高可達(dá)到200 MPa。夾持器采用線徑為3 mm的O形丁晴橡膠密封圈，經(jīng)測試密封效果良好。爆破片夾持裝置實(shí)物如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)夾持裝置結(jié)構(gòu)示意

圖5 試驗(yàn)夾持裝置實(shí)物圖

1.4 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為新型高壓爆破試驗(yàn)臺，是一種高性能、高可靠度的液壓爆破測試臺，其工作原理如圖6所示。

圖6 安全泄放裝置爆破試驗(yàn)臺工作原理

系統(tǒng)通過壓力泵使得水增壓，通過緩沖罐，使得壓力能平穩(wěn)上升。控制軟件能通過變頻器合理控制壓力泵的進(jìn)液速度，從而有效改變升壓速率。在靠近爆破片的管路上設(shè)有壓力傳感器及流量傳感器，實(shí)時(shí)記錄容器的壓力及進(jìn)液量的變化，壓力、流量信號通過數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，通過自編的測量及控制軟件將采集到的壓力、流量等數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并實(shí)時(shí)顯示壓力-進(jìn)液量曲線、時(shí)間-壓力曲線和升壓速率，從而有效實(shí)現(xiàn)不同升壓速率下的爆破壓力的測試。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)

選擇同一合格批次的正拱型爆破片若干，通過緩沖罐減緩增壓速率，在不同的增壓速率下進(jìn)行爆破片爆破試驗(yàn)。爆破片的破裂位置一般都發(fā)生在極頂處附近位置，如圖7所示。具體試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖7 爆破片的破裂形態(tài)

表3 爆破片試驗(yàn)數(shù)據(jù)(初始厚度0.3 mm)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對不同爆破口徑的爆破片爆破壓力隨升壓速率的變化趨勢進(jìn)行分析，如圖8所示。

對比各組整體數(shù)據(jù)，在本文所研究的升壓速率范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)升壓速率越大，爆破壓力越低，4組數(shù)據(jù)中的最低爆破壓力與最高爆破壓力之間的壓力差在4%～20%左右。GB/T 150—2011《壓力容器》[11]中規(guī)定，對于同一批爆破片的制造范圍，如設(shè)計(jì)爆破壓力大于3.5 MPa的正拱形爆破片，全范圍的制造允差為-3%～6%，1/2范圍制造允差為-1.5%～3%，1/4范圍制造允差為-0.8%～1.5%。由此可見，由于升壓速率所導(dǎo)致的爆破片爆破壓力的改變，變化范圍甚至超過了標(biāo)準(zhǔn)中制造允差的范圍區(qū)間。因此，由升壓速率導(dǎo)致的爆破片爆破壓力的改變，必須引起重視。

(a)爆破口徑15 mm

(b)爆破口徑20 mm

(c)爆破口徑25 mm

(d)爆破口徑30 mm

3 結(jié)語

本文針對316L奧氏體不銹鋼制普通正拱型爆破片，開展了成型及爆破試驗(yàn)研究，研究了不同升壓速率下爆破片的爆破壓力變化趨勢，主要結(jié)論及展望如下。

(1)升壓速率對爆破片的爆破壓力是有影響的，在本文所研究的低升壓速率范圍(0～ 5 MPa/s)內(nèi)，發(fā)現(xiàn)升壓速率越大，爆破壓力越低。

(2)所開展的4組普通正拱型爆破片爆破壓力的試驗(yàn)表明，普通正拱型爆破壓力的誤差值約為4%～20%，超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中爆破片制造允差的范圍區(qū)間，升壓速率對爆破片爆破壓力的影響應(yīng)引起重視。

(3)關(guān)于更大范圍升壓速率對不同規(guī)格爆破片爆破壓力的影響以及產(chǎn)生這些影響的機(jī)理，需要進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究工作，包括從材料組織變化等方面進(jìn)行深入的探索，筆者將在后續(xù)工作中開展相關(guān)研究。