氣體絕緣開(kāi)關(guān)用反拱形爆破片損傷后性能變化試驗(yàn)研究

李 岳 于開(kāi)順 張興和 李 典 喻友良 朱永江 姜一昌

（1.大連理工大學(xué)化工機(jī)械與安全學(xué)院；2.大連度達(dá)理工安全系統(tǒng)有限公司）

氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備是一種內(nèi)置電氣開(kāi)關(guān)的壓力容器，容器內(nèi)充滿SF6氣體；當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，會(huì)釋放巨大電弧熱能，SF6氣體因吸熱而膨脹，設(shè)備內(nèi)的壓力會(huì)快速升高，如果壓力超過(guò)設(shè)備的允許壓力， 設(shè)備就可能因超壓而發(fā)生爆炸事故，所以該類設(shè)備必須安裝爆破片安全裝置以防止設(shè)備超壓， 爆破片安全裝置是一種壓力泄放裝置。當(dāng)爆破片兩側(cè)壓力差達(dá)到預(yù)定溫度下的預(yù)定值時(shí)，爆破片即刻破裂或脫落，泄放出壓力介質(zhì)。 爆破片主要用在氣相、液相和易爆粉塵的設(shè)備或封閉腔體上，凡是在封閉空間內(nèi)有可能出現(xiàn)超壓工況的，均應(yīng)設(shè)置爆破片或其他泄壓裝置，通過(guò)泄壓裝置動(dòng)作將封閉空間內(nèi)的超壓介質(zhì)泄放出去，使設(shè)備內(nèi)壓力降下來(lái)，保護(hù)設(shè)備或建筑物不受超壓破壞［1～3］。爆破片安全裝置的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確、可靠、無(wú)泄漏，適合急速超壓泄放；排放面積大小不限，適應(yīng)面廣（如高溫、高壓、真空及強(qiáng)腐蝕等）；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等。 缺點(diǎn)是：爆破片是一種非重閉型泄壓裝置， 爆破片超壓破裂后，再也無(wú)法重新關(guān)閉，介質(zhì)將完全損失。

對(duì)于爆破片安全裝置， 從外形上主要分為：正拱形爆破片（凹面受壓）、反拱形爆破片（凸面受壓）和平板形爆破片。 從受力破壞形式上分為：拉伸破壞型爆破片 （正拱形和平板形爆破片）和失穩(wěn)破壞型爆破片（反拱形爆破片）。

拉伸破壞型爆破片，膜片內(nèi)為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力達(dá)到膜片抗拉極限時(shí)，爆破片爆破；失穩(wěn)破壞型爆破片，膜片內(nèi)為壓縮應(yīng)力，當(dāng)膜片內(nèi)壓縮應(yīng)力達(dá)到失穩(wěn)臨界應(yīng)力時(shí)，爆破片失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)破壞［4～6］。

反拱形爆破片是壓縮失穩(wěn)破壞型爆破片，在各種爆破片類型中，其急速升壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)、耐疲勞性及使用壽命等性能是最好的，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。 盡管反拱形爆破片具有其他兩種類型爆破片不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但也有非常突出的缺點(diǎn)：夾緊部位的邊界約束強(qiáng)弱和拱形球面的完好性對(duì)壓縮失穩(wěn)壓力有非常大的影響，特別是拱形球面受到損傷后， 會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)壓力明顯降低，大幅縮短了爆破片的使用壽命［7～9］。 反拱形爆破片拱形結(jié)構(gòu)不同，其破壞特點(diǎn)也不同，常見(jiàn)類型有反拱帶刀（鱷齒）型爆破片、反拱十字槽型爆破片及反拱環(huán)槽型爆破片等，目前絕大多數(shù)電力開(kāi)關(guān)所用的爆破片形式為反拱十字槽型爆破片，它是一種靠翻轉(zhuǎn)慣性力自破裂的爆破片，不僅具有反拱形爆破片特點(diǎn)，還具有泄放口徑大、無(wú)碎片、流阻小、不需要外界輔助結(jié)構(gòu)使之破裂的特點(diǎn)［10，11］。 筆者試驗(yàn)研究了反拱十字槽型爆破片在拱面受到不同的損傷后的性能變化特點(diǎn)，為工程應(yīng)用提供警示和幫助。

1 試驗(yàn)用爆破片結(jié)構(gòu)形式

目前國(guó)內(nèi)電力開(kāi)關(guān)所用的反拱十字槽型爆破片結(jié)構(gòu)有兩種，一種是單片爆破片結(jié)構(gòu)，另一種是爆破片與夾持器焊接一體成套結(jié)構(gòu)。 在進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)，對(duì)于單片爆破片，電力開(kāi)關(guān)上加工有滿足反拱形爆破片夾持要求的結(jié)構(gòu)，爆破片安裝后采用法蘭、螺栓夾緊，爆破片和夾持結(jié)構(gòu)如圖1a 所示； 對(duì)于爆破片與夾持器焊接一體的成套結(jié)構(gòu)，在設(shè)備上的夾持結(jié)構(gòu)如圖1b 所示。 比較這兩種結(jié)構(gòu)爆破片，單片爆破片由于沒(méi)有外面的夾持器保護(hù)，在搬運(yùn)中更易受到損傷，并且對(duì)邊界夾緊要求更嚴(yán)，但成本低，價(jià)格便宜；而與夾持器焊接一體的爆破片，爆破片在夾持器中受到夾持器的保護(hù)，另外爆破片與夾持器邊緣是焊接約束，對(duì)法蘭螺栓夾持扭矩可以不做嚴(yán)格要求。 筆者分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)爆破片受到不同形式損傷時(shí)的性能變化進(jìn)行了研究，研究所用爆破片型號(hào)與結(jié)構(gòu)列于表1。

圖1 氣體絕緣開(kāi)關(guān)常見(jiàn)兩種爆破片安裝夾持結(jié)構(gòu)

表1 研究損傷對(duì)爆破片性能影響選用的爆破片規(guī)格型號(hào)

2 爆破片損傷后性能變化試驗(yàn)

爆破片是一種精密的超壓泄放元件，要求爆破片必須受到良好的保護(hù)， 特別是反拱形爆破片，拱面受到損傷將對(duì)其性能有顯著影響，嚴(yán)重?fù)p傷會(huì)使其爆破壓力下降50%以下，因此，不允許爆破片拱面受到人為的有意或無(wú)意損傷；當(dāng)爆破片安裝在戶外設(shè)備上時(shí)， 必須有良好的防護(hù)罩，防止雨、雪或冰雹落到爆破片表面，對(duì)爆破片造成冰凍損傷或撞擊損傷。 對(duì)于爆破片受到冰凍損傷，多發(fā)生在中原和南方的冬季；這些地區(qū)冬季白天溫度往往在0℃以上， 而夜晚溫度又經(jīng)常在0℃以下，發(fā)生冰凍。 如果爆破片防護(hù)不好，雨、雪會(huì)積聚在爆破片的凹面，白天冰雪融化，夜晚又會(huì)冰凍，而水冰凍時(shí)會(huì)發(fā)生膨脹，這樣反復(fù)冰凍、融化，爆破片凹面受到反復(fù)的膨脹力作用，數(shù)次之后爆破片拱形就會(huì)發(fā)生變形或沿槽破裂，導(dǎo)致爆破片承壓或爆破壓力顯著降低。 因此，筆者人工模擬單片爆破片和爆破片與夾持器焊接一體結(jié)構(gòu)的損傷，并對(duì)損傷后的爆破片進(jìn)行性能變化試驗(yàn)。

2.1 試樣制備

模擬單片爆破片（YC102-1.15-20）的兩種損傷方式（按每種損傷方式做2 片試樣）：

a. 模擬未拿住，爆破片從高約1.2m 位置掉落到硬物尖角上， 造成爆破片拱面損傷 （圖2a）；

b. 采用插口扳手敲擊爆破片拱形球面中間位置，使拱面形成凹坑狀損傷（圖2b）。

模擬爆破片與夾持器焊接一體結(jié)構(gòu)（YCH50-0.8-90）的兩種損傷方式：

a. 用重量為70g，長(zhǎng)為140mm，寬為36mm，厚度為1.8mm 的金屬板從一定高度H（30、55、75、75mm） 掉落到與夾持器焊接一體爆破片的凹面或凸面上，模擬對(duì)爆破片形成的損傷（圖3a）；

圖2 單片爆破片（YC102-1.15-20）的兩種損傷方式

b. 在爆破片凹面和夾持工裝內(nèi)裝入高度約30mm 的水，然后冰凍、融化反復(fù)5 次，模擬對(duì)爆 破片形成的損傷（圖3b）。

圖3 爆破片與夾持器焊接一體結(jié)構(gòu)（YCH50-0.8-90）的兩種損傷方式

2.2 加壓爆破試驗(yàn)

對(duì)試樣進(jìn)行加壓爆破試驗(yàn)以研究爆破片損傷后的性能變化。 圖4 為單片爆破片YC102-1.15-20 兩種損傷后的爆破開(kāi)裂形態(tài)。將不同方式損傷后單片爆破片爆破壓力和爆破壓力變化率列于表2。

圖4 單片爆破片不同損傷后的爆破開(kāi)裂形態(tài)

表2 單片爆破片在不同損傷方式和損傷程度下的性能變化

圖5 為爆破片與夾持器焊接一體結(jié)構(gòu)受到兩種損傷后的爆破開(kāi)裂形態(tài)。 圖5a 為金屬板從55mm 高度掉落損傷后爆破片的爆破開(kāi)裂形態(tài)（1/4 開(kāi)裂）。 金屬板從不同高度掉落，對(duì)爆破片損傷后的爆破壓力和下降率見(jiàn)表3。 爆破片冰凍損傷后，當(dāng)承壓達(dá)到額定爆破壓力的50%時(shí)，爆破片尖頂處發(fā)生明顯凹陷變形， 并沿槽出現(xiàn)裂縫，發(fā)生氣體泄漏，變形如圖5b 所示。

圖5 爆破片與夾持器焊接一體結(jié)構(gòu)損傷后的爆破開(kāi)裂形態(tài)

表3 與夾持器焊接一體爆破片掉落損傷后的性能變化

3 結(jié)論

3.1 反拱形爆破片拱面損傷會(huì)嚴(yán)重影響爆破片的性能，造成失穩(wěn)爆破壓力降低，損傷越嚴(yán)重壓力下降越厲害； 而爆破壓力的降低又會(huì)造成爆破片無(wú)法沿槽四瓣全開(kāi)， 大多數(shù)僅能開(kāi)裂一條縫。

3.2 反拱形爆破片拱面頂部受到的損傷對(duì)其性能的影響遠(yuǎn)大于拱面中下部受到的損傷，即反拱形爆破片拱面頂部的損傷會(huì)使爆破壓力降低程度遠(yuǎn)大于相同的損傷發(fā)生在拱面的中下部。

3.3 反復(fù)的冰凍與融化會(huì)使爆破片受到嚴(yán)重?fù)p傷，會(huì)明顯影響爆破片性能，爆破片必須受到嚴(yán)密防護(hù)，杜絕爆破片泄壓側(cè)積聚雨、雪、冰雹等。