爆破片的选型研究

谢 浩，于洪康

（中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201306）

0 引言

爆破片是一种在设定压力下爆破后不可再闭合的压力泄放元件，能在设定的爆破温度和压力下即刻动作并泄放压力。爆破片可以对急剧升高的压力迅速作出反应，具有泄放面积大、动作灵敏、精度高、密封性好、耐腐蚀和不易堵塞等优点。爆破片作为一种新型的安全泄压元件，已经被广泛应用在各行各业的压力设备和系统。

1 爆破片的工作原理和类型

1.1 工作原理

爆破片发生爆破泄压后不能恢复闭合，无法重复使用。爆破片处在一定的爆破温度环境中，当爆破膜片两侧的压力差值达到设定值时，就会即刻发生破裂或脱落并泄放出流体介质，发挥安全泄压保护的功能。爆破片需要安装在和其配套的夹持器中以组成一套完整的爆破片装置，并将整套爆破片装置安装到设备上设计好的密封泄压位置，实现对设备的密封和泄压保护。当设备内发生超压且其压力上升至爆破片设计的爆破压力时，爆破片发生破裂或脱落形成一条压力泄放通道，将超压介质安全泄放。发生动作后的爆破片无法再闭合，需要更换新的爆破片来恢复设备的密闭状态。

爆破片的结构比较简单，具有动作灵敏可靠、密封性好、泄放能力强、适用温度范围广和维护方便等特点，可以在腐蚀或粘稠的工艺环境下可靠地工作。根据爆破片的性能特点，它主要适用于：工作介质粘稠或易于聚合的场所；系统内的压力瞬间会急剧升高的场所；工作介质为贵重或毒性气体的场所；工作介质的腐蚀性很强的场所；需要与安全阀组合使用时；当操作温度过低影响安全阀正常工作时。爆破片不适合用于设备经常超压或温度波动过大的场合。当容器内的介质为液体时也不宜选用反拱型爆破片，因为超压液体的能量不足以使反拱型爆破片失稳翻转爆破。

1.2 类型

爆破片按照结构型式可以分为正拱形爆破片、反拱形爆破片和平板型爆破片三大类。

（1）正拱形爆破片的系统压力作用于爆破片的凹面，凸面均朝向泄压一侧，动作时爆破片发生拉伸破裂（图1）。它又可以细分为正拱普通型、正拱带槽型和正拱开缝型3 种形式，可用于气体或液体介质的泄放。

图1 正拱开缝型爆破片

（2）反拱形爆破片的系统压力作用于爆破片的凸面，凹面均朝向泄压一侧，动作时爆破片发生压缩失稳翻转，致使其破裂或脱落（图2）。反拱形爆破片不宜用在设计爆破压力较高的场合，压力太高会因爆破片厚度过大，导致失稳反转后难以立即致破。它又可以细分为反拱刀架型、反拱鳄齿型、反拱带槽型和反拱开缝型4 种形式，主要用于气相介质的泄放。

图2 反拱十字槽型爆破片

（3）平板型爆破片的系统压力作用于爆破片的平面，受力后逐渐变形起拱，达到额定压力拉伸破裂。它又可以细分为平板普通型、平板开缝型和平板带槽型3 种形式，可用于气体和液体介质的泄放。

按照材料，爆破片还可以分为金属爆破片、非金属爆破片和金属复合非金属爆破片三大类型。

2 爆破片的选型

爆破片的爆破压力受爆破温度影响较大，同时还受到工作介质状态、系统压力和工艺过程等因素的影响。因此在爆破片选用时，需要综合考虑多个影响因素，针对所保护的设备正确合理地选用。

首先需要确定爆破片的爆破温度和爆破压力，在确定了爆破温度和爆破压力参数后，接下来便可以根据介质状态、系统压力、工艺过程、爆破片的设置方式和泄放口径等因素，来选用合适的爆破片装置。

2.1 爆破温度

爆破温度是指爆破片达到爆破压力时爆破膜片的温度。通常爆破片的材料强度会随着温度的升高而降低，所以爆破片的爆破压力也会随着温度的升高而下降，因而爆破温度要根据爆破片安装处的准确温度来确定。爆破片的材料主要是根据爆破温度和其所接触的介质腐蚀性来选择。金属材料是应用最广泛的爆破片材料，但是不同金属材料所适用的工作温度范围差别较大，选用时需要确认金属材料的温度适用范围。石墨等非金属爆破片材料则主要应用在一些存在腐蚀性的场合（表1）。

表1 各种材料爆破片的最高使用温度 ℃

2.2 爆破压力

爆破压力是指爆破片打开瞬间的系统压差值，其与系统最大工作压力及爆破片制造范围和爆破温度相关（图3）。

图3 爆破压力与系统压力关系

爆破压力计算公式：

其中，Pb为设计爆破压力（确定爆破压力），Pbmin为最小爆破压力，Pbmax为最大爆破压力。

由于薄的爆破片金属材料对于蠕变较为敏感，在高应力状态下，如拉伸型爆破片，即使常温也会发生蠕变，长时间工作将使爆破压力下降。为了保证爆破压力稳定，必须控制蠕变速率，即限制爆破片的最大工作压力与最小爆破压力的比率。不同型式爆破片的最大工作压力（Pw）与最小爆破压力（Pbmin）的比率关系见表2。

表2 各种型式爆破片的最小爆破压力

爆破压力允差是指爆破片实际爆破压力与设计爆破压力之间的最大允许偏差，爆破片的实际爆破压力均应在爆破压力允差范围内（表3）。

表3 爆破片的爆破压力允差范围

2.3 爆破片型式选择

在开展爆破片选型时首先需要根据系统或设备的工作温度和压力范围，来确定爆破片的爆破温度和爆破压力参数，在这两个参数确定后再依据系统或设备是否存在真空或背压情况，来判断是否需要选用带真空支架的爆破片，最后再根据操作压力比、工作介质相态、是否会引起撞击火花和爆破时有无碎片等因素来确定爆破片的最终型式。

通过上述方法筛选出的爆破片有时可能还会有多种类型或规格，这时往往还需要从爆破片的经济性和抗疲劳性能方面进行综合比较，从中选出最为经济可靠的。通过比较各种类型爆破片的操作压力比，可以得知在3 种类型爆破片中反拱型爆破片的操作压力比最高。这意味着在相同的爆破压力设定值下，采用正拱型或平板型爆破片的设备的设计压力值需要设定的更高，进而导致设备投资成本增加。根据各种型式爆破片的操作压力比、抗疲劳性能和爆破性能等，可以列出爆破片选型参考表（表4）。

表4 爆破片选型参考表

3 结束语

爆破片作为一种特种设备安全泄压保护附件，其正确选型对设备的安全可靠运行至关重要。通过对爆破片结构形式、工作特点和主要性能参数的分析研究，明确了各种类型爆破片的适用环境和工作场合，并提出在安全可靠的前提下经济合理地选用爆破片的步骤和方法。