升压速率对反拱带槽型爆破片爆破压力影响的试验研究

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(1.大连理工大学 化工学院，辽宁大连 116023；2.大连理工度达安全工程有限公司，辽宁大连 116620；3.大连度达理工安全系统有限公司，辽宁大连 116620)

0 引言

在生产中很多用于完成反应、换热、分离和储存等工艺过程的设备都是承压设备。当设备内压力增加超过许用压力，就可能引起设备破坏或爆炸，造成严重伤亡事故。设备内压力可能是缓慢增加形成的超压，也可能是急速增加形成的超压，如爆炸容器的急速升压，升压速度不同引起的设备的变形及破坏也有较大差别，其设计方法目前普遍采用动力系数法或经验法进行容器设计[1-3]，并且国内主要以数值模拟研究内压爆炸容器为主[4-7]，对于试验研究的爆炸物大多为固体炸药、爆炸超压时间大多在微秒级[8-9]，而对石油化工中常见的气体、粉尘爆炸、爆炸超压时间在毫秒级，则很少通过试验研究容器在静态缓慢超压与急速动态超压时的破坏压力的关系，特别对外压壳体的破坏压力与升压速度的关系，相关研究报道较少。

根据引起设备的超压是否发生化学反应，将超压分为物理超压过程和化学超压过程。对于物理超压过程，通常引起设备内压力升高是来自于外部原因，如：(1)操作失误或阀门损坏导致高压介质进入低压容器内形成超压；(2)液体物料受外部热量蒸发汽化，导致容器内压力不断升高引起超压，常见锅炉超压；(3)对盛装液化气体容器，外界着火或环境温度升高引起的容器超压；(4)液体管道的“水锤”或蒸汽热力管道的液击“水锤”，引起的超压。对于化学超压过程，设备内压力升高是由内部介质发生化学反应导致，如：(1)可燃气体爆燃引起超压；(2)各种有机、无机可燃粉尘发生燃烧爆炸引起超压；(3)容器内气液介质，在液相发生分解、聚合等放热化学反应失控引起超压。上述这些超压过程，对于可燃气体、气雾、粉尘等发生爆燃性化学反应及液体、蒸汽管道内的“水锤”超压，其压力升高速率非常大，均属于急速超压过程；其他因素引起的设备内升压相对于爆燃升压往往升压速率较慢，可认为是静态超压过程。

为了消除超压造成的设备破坏或爆炸事故，传统方法是采用超压泄放装置，将设备内的超压及时泄放出去。根据泄放原理，常用的超压泄放装置有：安全阀类和爆破片类。普遍认为，对于缓慢超压过程适合采用安全阀类泄压装置，其特点是设备内压力达到其开启压力，能自动开启泄放压力介质，压力降至一定值又及时关闭，保证系统正常运行。而对于急速升压引起的超压则应采用爆破片类安全泄放装置，爆破片动作灵敏、准确、可靠、无泄漏，当设备内压力达到爆破片设定爆破压力，爆破片瞬间发生爆破，泄放通道打开，泄放超压，因此特别适合急速超压泄放,但一旦爆破，就再也无法关闭。

爆破片安全装置从外形上主要分为：正拱形爆破片(凹面受压)、反拱形爆破片(凸面受压)和平板形爆破片，如图1所示。

图1 爆破片类型

从受力破坏分：正拱形和平板形是拉伸破坏型爆破片；反拱形是失稳破坏型爆破片。拉伸破坏型爆破片，膜片内为拉应力，拉应力达到膜片抗拉极限，爆破片爆破；失稳破坏型爆破片，膜片内为压缩应力，当膜片内压缩应力达到失稳临界应力，爆破片失稳翻转破坏。

反拱形爆破片根据承压膜片的结构差别又分为反拱普通型爆破片(由刀架或鳄齿致破)、反拱带槽型爆破片及反拱开缝型爆破片。由于反拱形是压缩失稳破坏，在各种爆破片类型中，对急速升压动态响应性、耐疲劳性及允许较高的操作压力是最好的[10-13]，在工程中得到了广泛的应用。目前，人们普遍认为爆破片对急速升压响应性好，无滞后，并且也公认这三类爆破片中，反拱形爆破片是最优的，但目前未见反拱形爆破片对急速升压响应性研究，对爆炸急速升压下，反拱形爆破片的爆破压力相对缓慢升压的爆破压力如何变化，有无变化规律也未见相关报道。本文采用不同可燃介质、不同初始压力，试验研究不同升压速率下反拱带槽型爆破片的爆破压力变化，以获得爆破压力增加率与升压速率之间关系，可为爆破片在急速升压设备上的应用提供参考，同时为外压容器在急速升压工况的安全设计提供帮助。

1 试验装置及试验产品

1.1 试验装置

图2 DN200爆破片急速升压爆破试验装置及现场

对DN200爆破片的急速升压试验在图2所示的U型管式爆炸容器中进行，对DN150爆破片的急速升压在图3所示的小型试验容器中进行(DN150产品的急速升压爆破试验在早期进行)。

图3 DN150爆破片急速升压爆破试验装置及现场

急速升压爆破试验装置包括：爆炸容器、起爆箱和电脑数据采集。压力采集采用高频压力变送器，采集频率1 MHz/s，量程为6 MPa，另有火花塞点火头及用于配气的压力传感器。为了提高升压速度，在试验中采用双火花塞点火(如图3所示)。

1.2 试验产品

试验所用产品为反拱十字槽型爆破片，产品规格型号及参数见表1，产品照片见图4。

表1 试验所用爆破片型号及参数

(a)DN150反拱带槽型爆破片

(b)DN200反拱带槽型爆破片

图4 试验所用两种规格型号的爆破片

在静态缓慢升压下，对试验爆破片多次抽样爆破结果显示，爆破压力偏差小于1%，表1中爆破压力采用抽样获得的爆破压力平均值，爆破压力升压速度满足GB 567.1—2012《爆破片安全装置 第1部分：基本要求》中爆破片爆破试验的规定，称为静态爆破压力。本文所有压力均为表压。

1.3 试验介质

为了得到不同升压速率下爆破片的爆破压力，分别采用两种不同升压方法对爆破片加压爆破：一种是采用压缩空气在不同进气速率下加压爆破，升压速度较慢；另一种是采用可燃介质爆燃升压方法对爆破片加压爆破。本试验分别采用甲烷-空气和乙炔-空气的混合物在不同配比浓度、不同初始压力下点火爆燃，以获得不同的升压速率，这种加压方法可获得非常高的升压速率，且试验中采用高频压力传感器记录压力-时间曲线及爆破压力。

2 试验结果

采用压缩空气在较小爆破气腔内，采用不同进气速度实现升压爆破；在上述U型管爆炸装置中采用甲烷-空气、乙炔-空气混合点火爆炸，实现爆炸急速升压，获得了不同升压速率下爆破片的爆破压力。对于采用控制进气速度，用压缩空气进行爆破试验，由于受阀门进气量控制，升压速度总体较慢，未见爆破压力变化；对化学反应的爆炸升压，爆燃升压时间极短，从零点几毫秒到数十毫秒，试验显示爆破压力发生显著变化。

(a)

(b)

图5 静态爆破压力0.73 MPa下爆破片在甲烷-空气混合介质中的爆破压力-时间曲线(图2试验装置)

(a)

(b)

图6 静态爆破压力0.73 MPa下爆破片在乙炔-空气混合介质中的爆破压力-时间曲线(图2试验装置)

本文分别选取了DN200爆破片在图2试验装置下获得的2组甲烷-空气爆燃时间曲线和2组乙炔-空气的爆燃升压时间曲线如图5,6所示，还选取了DN150爆破片在图3试验装置上获得的甲烷-空气在不同初始压力下的爆燃升压时间曲线，如图7所示。

(a)

(b)

图7 静态爆破压力0.9 MPa下爆破片在甲烷-空气混合介质中的爆破压力-时间曲线(图3试验装置)

根据升压时间曲线，获得了升压速率X。本文压力升高速率(简称升压速率)取为压力-时间曲线斜率最大的直线段数值，升压速率计算公式如下：

(1)

将上述不同的爆破试验工况获得的爆破片爆破压力及计算得出的升压速率列于表2。

表2 不同升压速率下反拱带槽型爆破片爆破压力变化值

由表2可以看出，采用U型管试验装置，在不同初始压力下，甲烷-空气点火爆燃的升压速率总体不大，从快速升压到爆破的时间一般十几毫秒到几十毫秒，最大升压速率一般不超过100 MPa/s，爆破片爆破压力升高增加倍数一般不超过1.4倍。但采用乙炔-空气在U型管内点火爆炸试验，当点火点离爆破片距离较远时，火花塞安装在U型管的高管上端，爆破片安装在低管端，点火后火焰传导到爆破片处，可燃气体受到明显预压缩作用，即开始升压速率不高，但在后来却发生急速增加，压力-时间曲线几乎是垂直的，此段升压速率极大，突变段的时间大约只有零点几毫秒，此时爆破片的爆破压力相对静态爆破压力也发生了极大变化，增加了数倍。图3所示容器容积较小，升压速率随初始压力的增加而明显增大。

将表2中数据处理成爆破压力增加倍数Y与升压速率X的关系曲线时发现，升压速率不高时对爆破压力的影响和极高升压速率对爆破压力的影响曲线明显不同，前者Y与X之间关系基本近似为乘幂关系，后者Y与X基本近似为线性关系，所以拟合的曲线应分段处理。当升压速率不高时，爆破压力的增加倍数Y与升压速率X之间关系曲线如图8所示；当升压速率极高时，爆破压力增加倍数Y与升压速率X之间的关系曲线如图9所示。

图8 较低升压速率X与急速升压下爆破片爆破压力增加倍数Y之间关系曲线

图9 极高升压速率X与急速升压下爆破片爆破压力增加倍数Y之间关系曲线

将图8,9曲线拟合成升压速率对爆破压力影响的关系式，如式(2)，(3)所示。

当升压速率不太高时，升压速率X与爆破压力增加倍数Y之间关系式为：

Y=1.01X0.067

(2)

当升压速率极高时，升压速率X与爆破压力增加倍数Y之间关系式为：

Y=3×10-4X+1.36

(3)

式中Y——反拱带槽型爆破片爆破压力增加倍数；

X——系统升压速率，MPa/s。

试验未能确定升压速率达到多少时，上述曲线由乘幂关系变为直线关系，但由上述两个关系式可以保守推测出：当升压速率不超过500 MPa/s时，升压速率对爆破压力的影响近似遵循乘幂关系，并且可以预测升压速率低于500 MPa/s时，爆破压力增加倍数一般不会超过1.5倍；当升压速率低于0.9 MPa/s时，可以不考虑升压速率对爆破压力的影响；当升压速率高于500 MPa/s，爆破压力增加倍数与升压速率近似成线性关系。

试验的压力-时间曲线表明，反拱带槽型爆破片对急速升压动态响应性非常好，可以达到毫秒级，即不管升压速率多高，爆破片会在毫秒时间内发生爆破泄压；尽管爆破片动态响应性很好，但爆破片依然遵循构件动态破坏压力会随升压速率增加而增大的规律，会高于静态破坏压力；对爆破片而言，急速升压的爆破压力会明显高于爆破片铭牌给出的静态爆破压力，所以当爆破片用于对爆破压力有限制的急速升压系统时，必须考虑升压速率对爆破压力的影响。

3 结论

本文研究了反拱带槽型爆破片对急速升压的动态响应性，以及不同升压速率对反拱带槽型爆破片爆破压力的影响，得到如下结论。

(1)反拱带槽型爆破片对各种升压速率动态响应性非常好，即使在极高升压速率下，爆破片响应时间在毫秒内而快速发生爆破泄压。

(2)升压速率对反拱带槽型爆破片爆破压力有明显影响，并且影响是分段的，即：

①当升压速率不高于0.9 MPa/s时，爆破压力不受升压速率影响，即缓慢静态升压下爆破压力保持恒定;

②当升压速率不高于500 MPa/s时，升压速率与爆破压力增加倍数基本成指数关系，可以预测此时爆破压力增加倍数不超过1.5倍;

③当升压速率超过500 MPa/s时，升压速率与爆破压力增加倍数基本成线性关系，爆破压力随着升压速率成线性增加，当升压速率极高时，爆破压力会增加数倍。