安全泄放装置—爆破片优化设计

汪锡铎

（沈阳特种设备检测研究院，沈阳 110035）

1 引言

爆破片装置是由压差驱动、非自动关闭的紧急超压泄放装置，它由爆破片组件、夹持器组合而成。爆破片是装置中的压力敏感元件，夹持器是将爆破片固定的部件。爆破片（压力敏感元件）在设定的爆破压力下破裂，可达到安全泄放的目的。

近年来在石化等行业中爆破片装置使用出现如下缺点：爆破压力较低，不适用中、高压承压特种设备；难在压力脉动条件下使用，不能串联在安全阀上组合使用；不能在全液态介质工况使用；不能承受真空压力；标定爆破压力准确率较低（一般为80%）；抗疲劳性能较差；爆破后易产生碎片（易造成人员伤亡和设备损坏）。

针对上述问题和市场需求，研制了一种新型爆破片装置，即反拱环槽型爆破片装置，从结构上对爆破片进行了优化设计，采用反拱环槽压痕方法解决了爆破片使用中产生的一些问题，扩大了爆破片使用范围，提高了其使用性能。

2 结构设计

设计主要从爆破片适用范围、使用性能两个方面考虑：（1）适用工况条件：如气、液相介质、脉冲压力波动、与安全阀串联使用、承受真空压力；（2）使用性能：如爆破后不产生碎片，具有抗疲劳性能，标定爆破压力准确率较低。由原产品结构来分析问题产生的原因，并进行优化设计，制定新型爆破片设计方案。

图1

新型环槽型爆破片结构为反拱环槽型，是在预拱爆破片的受压面的一侧，夹持口径外周有马蹄状环形压痕，环形压痕开口为60°的缺口。在出口侧将加强环与预拱爆破片组装在一起（如图1）。

对该设计结构在法兰不与刀架焊接情况下按爆破片不同拱高进行试验，结果为：反转后的拱高远大于原拱高；在爆破压力高的区域发生剪裂，甚至全部剪断飞出。

压痕的位置，理论上越接近转角R 越好，爆破片不被夹持面夹住，又不能破裂。

防护垫的设置，在膜片的爆破试验中，发现在爆破过程中有个别的膜片在爆破后反转，仍有部分会沿压痕处撕裂飞出，因此须增加防护垫环，形状如图1。

优化设计后使该爆破片装置标定爆破压力提高到95%，也可降低爆破片的标定爆破压力。其抗疲劳性好，爆破后不易产生碎片，可承受真空压力，可与安全阀串联后使用，可适用液态或气态介质。

3 爆破计算

（1）对环槽型爆破片装置结构［1］

式中，PB为爆破压力，MPa；E 为材料的弹性模量，MPa；δ为材料厚度，mm；R 为曲率半径，mm。

式中，D 为夹持口径，mm；H 为拱高，mm。

（2）系数K的修正

式（1）中，K 为与材料应变硬化程度有关的系数。由于沿转角R 处增加了压痕工艺，使爆破片在夹持器夹持的状态下爆破片转角处的支撑力降低，致使在同一料厚、同一夹持口径及同一拱高H的情况下，爆破压力有所降低。这样在设计计算时需要考虑材料的修正系数K 值，修正值依靠试验数据获得。

4 爆破试验

4.1 试验1

爆破片材料SUS316L［2］；设定爆破压力PB=1.99MPa；爆破温度20℃；泄放口径D=150mm。H=D/6=25mm，E=195×103MPa。由式（2）计算，R＝125mm。由式（1）计算，δ=0.66mm，取爆破片材料厚度δ＝1mm。

表1 试验爆破压力

4.2 试验2

爆破片材料SUS316L，设定爆破压力PB=0.8MPa，设定爆破温度20℃，夹持口径D=250mm。H=D/6=41.7mm，E=195×103MPa。

根据经验，式（1）转化为：

由式（2）计算得：R≈208.33。

由式（1）计算得：δ=0.70mm，取爆破片材料厚度1mm。

表2 爆破试验压力

上述试验验证了以下结论：

（1）经过数十次试验证明，反拱环槽型式爆破片的材料厚度与拱高成正比。一样的材料厚度、拱高，用相同的加工工艺，爆破片的爆破压力是稳定的。

（2）试验表明，爆破片的开启完整，安全泄放量可以满足夹持口径要求。

（3）压痕（开槽）深度以试验调试过程能够在翻转后自动破裂为准，降低爆破片爆破压力压痕深取材料厚度的1/2 左右。提高爆破压力的爆破片压痕深度通常约为材料厚度的1/3。

（4）环槽型爆破片具备了反拱型爆破片的特点，其爆破反转后能自动破裂。

（5）环槽型爆破片在同一材料厚度下，可实现爆破压力降低或升高，可调整压痕在爆破片球缺边缘的距离，利用模具破坏球缺的方法能得到爆破压力更低或更高的爆破片，来降低或增加爆破片的抗失稳能力。降低爆破片拱形球面成型时材料的减薄量，可进一步增加爆破片的抗失稳能力，一般可提高系统工作压力达到标定爆破压力的95%。

5 结语

安全泄放装置爆破片在石油化工、冶金、能源中的锅炉、压力容器、压力管道及其工艺系统中作为特种设备安全保护装置已广泛使用，新型反拱环槽型爆破片扩大了使用范围，提高了爆破片产品的使用性能，使其在压力脉动、爆破压力中、高承压特种设备、串联在安全阀上组合使用、在全液态介质中使用、承受真空压力等工况下使用成为可能。反拱环槽型爆破片满足了化工、冶金、能源等行业生产工艺设备安全保护需求，具有推广意义。

［1］导弹结构强度计算手册编写组.导弹结构强度计算手册［M］.北京：国防工业出版社，1978.

［2］GB24511-2009，承压设备用不锈钢钢板及钢带［S］.

［3］GB150-1998，钢制压力容器［S］.