喻健良，曾方馳，閆興清，宣洪烈，李 岳

(1.大連理工大學 化工學院，遼寧大連 116024；2.大連度達理工安全系統(tǒng)有限公司，遼寧大連 116012)

0 引言

爆破片作為一種精密的安全泄放元件，廣泛應(yīng)用于具有超壓風險的壓力容器及設(shè)備上[1]。國家有關(guān)規(guī)范、標準的制定，如GB 567—2012《爆破片安全裝置》[2]、TSG ZF003—2011《爆破片裝置安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[3]、GB 150—2011《壓力容器》[4]等，為科學、規(guī)范設(shè)置爆破片提供了依據(jù)[5]。對爆破片設(shè)計及使用人員來說，全面理解影響爆破片爆破壓力的因素，準確預(yù)測爆破片的爆破壓力，是安全使用爆破片、預(yù)防爆破片失效的關(guān)鍵[6-7]。

影響爆破片爆破壓力的因素較多[6-7]，如載荷比、操作溫度、疲勞等，而壓力上升的狀態(tài)(升壓速率)是影響爆破片爆破壓力的一個重要因素。然而，現(xiàn)有研究基本集中在爆破片承受靜態(tài)載荷工況，即升壓速率很小的場合，而對快速升壓的動態(tài)工況下爆破片的爆破壓力變化，仍缺少科學系統(tǒng)的研究?，F(xiàn)行爆破片標準GB 567—2012《爆破片安全裝置》[2]中提到：該標準不適合于在操作過程中壓力劇增或者反應(yīng)速度過快時的承壓設(shè)備。這說明研究人員已經(jīng)意識到靜、動態(tài)工況下爆破片的爆破性能存在不同，因此在相關(guān)標準[2-3]中通過限制升壓速率的方式將爆破片的爆破性能盡可能貼近靜態(tài)工況。李志義等[8]研究了升壓速率對拉伸型爆破片爆破特性的影響，認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[9-10]對急速升壓下的反拱帶槽爆破片爆破性能做了研究，認為爆破片的爆破壓力動態(tài)超壓規(guī)律應(yīng)當以升壓速率的大小分階段討論。現(xiàn)有研究成果還無法理解動態(tài)工況爆破壓力與靜態(tài)工況的區(qū)別。

基于此，本文通過采用爆炸超壓的試驗方法測量急速升壓工況下的爆破片爆破壓力，研究爆破片動態(tài)超壓爆破性能，以完善爆破片失效理論和爆破壓力預(yù)測的方法。由于爆破片種類繁多，本文首先以正拱開縫爆破片為研究對象，其他研究對象將后續(xù)展開研究。

1 試驗方案及裝置

1.1 試驗對象

在眾多類型的爆破片中，正拱開縫型(LF型)爆破片廣泛用于氣、液、粉塵3種介質(zhì)場合，特別適合在低壓或者超低壓工況使用[11-12]。正拱開縫型爆破片(LF型爆破片)是由拱型開縫的金屬膜片、密封膜、可承受一定背壓的背壓托架構(gòu)成的組合件，可以認為是一種由頂層的開縫金屬膜片與底層背壓托架膜片組成的雙片結(jié)構(gòu)，其爆破壓力由頂層金屬膜片拱面上的縫和孔構(gòu)成的減弱結(jié)構(gòu)控制[12-14]，如圖1，2所示。

圖1 雙片結(jié)構(gòu)正拱開縫型爆破片組件示意

背壓托架在設(shè)計上并不影響爆破片的爆破性能，但通過經(jīng)驗總結(jié)認為其存在阻礙壓力泄放的可能。為此，本研究設(shè)計了無背壓托架影響的單片結(jié)構(gòu)，即在保證支撐密封膜和金屬膜片緊密貼合的同時，將正拱爆破片的底層背壓托架膜片部分最大可能減少，形成圓環(huán)型背壓托架(如圖3所示)，與金屬膜片、密封膜組合后得到單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片，這樣可將背壓托架對爆破性能的影響降至最低。本研究中，將常用普通雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片與加工后的單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片作為爆破試驗的兩種試件。選擇316L奧氏體不銹鋼作為金屬膜片及托架材料[15]，密封膜為氟塑料薄膜，厚度為0.1 mm。考慮到使用的廣泛性與試驗操作便捷性，選擇100 mm泄放口徑。LF型爆破片實際多在低壓工況使用[11]，故試驗試件爆破壓力選擇控制在1 MPa以下。

圖2 雙片結(jié)構(gòu)正拱開縫型爆破片結(jié)構(gòu)示意

圖3 單片結(jié)構(gòu)正拱開縫型爆破片中背壓托架結(jié)構(gòu)示意

1.2 試驗裝置

1.2.1 靜態(tài)爆破試驗裝置

靜態(tài)爆破試驗裝置如圖4所示，主要由操作基臺、壓力加載系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)等部分組成。試驗過程為：安裝爆破片于操作基臺上，利用油壓機將爆破片壓緊以防止抽邊現(xiàn)象；氣源經(jīng)過緩沖儲罐對爆破片施加載荷，按照GB 567—2012中規(guī)定的程序，控制升壓加載速率穩(wěn)定，按預(yù)設(shè)壓力緩慢加載；爆破片爆破后，讀取數(shù)據(jù)，完成卸壓。爆破壓力由壓力表記錄。

圖4 靜態(tài)爆破試驗裝置

1.2.2 動態(tài)爆破試驗裝置

如何實現(xiàn)不同升壓速率下的動態(tài)工況，以測量爆破片動態(tài)下的爆破壓力，是本研究的難點。經(jīng)過探索，決定以預(yù)混氣體燃爆的方式獲得不同動態(tài)升壓速率。搭建了動態(tài)爆破試驗裝置，如圖5所示，主要由10 L升壓罐與2.1 L爆燃罐主體、充配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、壓力采集系統(tǒng)等組成。爆破片安裝于爆燃罐上，通過改變罐內(nèi)初始壓力、空氣與可燃氣(甲烷、乙炔等)預(yù)混氣的不同配比，使用高壓點火電極點火，實現(xiàn)動態(tài)爆破過程中所預(yù)設(shè)的不同升壓速率。采用高頻壓力傳感器(量程0～6 MPa、精度0.5%、頻率1 MHz)采集爆破過程中的實時壓力數(shù)據(jù)。

動態(tài)爆破試驗流程如下。

(1)安裝爆破片與配套夾持器，法蘭均勻夾緊爆破片裝置。

(2)將壓縮空氣氣瓶接入進氣口，打開截止閥1,2，利用壓縮空氣對升壓罐及爆燃罐吹掃10 min，關(guān)閉截止閥2。

(3)利用配氣管路配比一定濃度的可燃氣與空氣預(yù)混氣體，通入預(yù)混氣瓶內(nèi)預(yù)混(30 min以上)。預(yù)混完成后，在升壓罐及連通的爆燃罐中緩慢通入充分靜置混合的氣體，達到預(yù)設(shè)的初壓值時，關(guān)閉截止閥1。

(4)點火的同時高頻壓力傳感器實時響應(yīng)，采集系統(tǒng)記錄爆炸過程壓力與時間曲線。

以圖6采集到的壓力-時間曲線為例，介紹試驗過程中升壓速率計算方法。

圖5 動態(tài)爆破試驗裝置

圖6 動態(tài)爆破升壓過程曲線

圖6中A點為點火瞬間的起始點；之后，壓力-時間曲線的斜率逐漸增大，并且增大到某一值后不再升高。圖6中B點至最大壓力C點之間曲線近似為直線，即升壓速率最大且保持不變的時間段。本研究中，將具有穩(wěn)定升壓速率的BC段作為動態(tài)升壓階段，C點為動態(tài)升壓階段的終點，C點壓力值即為爆破片在動態(tài)爆破試驗中的實際動態(tài)爆破壓力，記為PC。動態(tài)爆破的升壓速率采取下式計算：

(1)

試驗裝置容器足夠小，而泄放面積足夠大，滿足平衡泄放。通過觀察壓力-時間曲線，曲線在爆破點連續(xù)，且試驗過程中爆破后并未出現(xiàn)持續(xù)泄放聲音，可以認為爆破片在爆破后，容器內(nèi)壓力不再升高。故將壓力傳感器采集到的最大壓力值作為爆破片的爆破壓力[15-18]。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 靜態(tài)爆破性能

圖7 靜態(tài)爆破試驗中單片結(jié)構(gòu)與雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片對比

由圖7可以看出，在相同設(shè)計爆破壓力下，單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片的靜態(tài)標定爆破壓力略小于雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片靜態(tài)標定爆破壓力；隨著爆破壓力等級增大，單片結(jié)構(gòu)的靜態(tài)標定爆破壓力逐漸接近雙片結(jié)構(gòu)的靜態(tài)標定爆破壓力。但總體上兩種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)標定爆破壓力相差極小。

根據(jù)相關(guān)標準[2-3]中對爆破壓力允差的規(guī)定：標定爆破壓力0.1～0.3 MPa時，爆破壓力允差為±0.015 MPa；標定爆破壓力0.3～100 MPa時，爆破壓力允差為±5%。本試驗中，單片結(jié)構(gòu)爆破片爆破壓力最大允差分別為0.011 MPa(標定爆破壓力為0.1～0.3 MPa)、4.6%(標定爆破壓力為0.3～100 MPa)。因此認為，在靜態(tài)工況下，單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片與雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片爆破壓力一致。

2.2 動態(tài)爆破性能

為了定量評估爆破片動態(tài)爆破壓力與靜態(tài)標定爆破壓力的差異，定義超壓倍數(shù)G0為兩種結(jié)構(gòu)爆破片的動態(tài)爆破壓力PC與靜態(tài)標定爆破壓力P0的比值。當PC與P0相等時，超壓倍數(shù)G0=1，此時表明爆破片在動態(tài)超壓工況下的爆破性能與靜態(tài)相同；當G0>1時，表明動態(tài)超壓下爆破片將延遲爆破，G0越大，爆破片延遲爆破越嚴重，對使用設(shè)備的影響也更大[6-7]。

2.2.1 雙片結(jié)構(gòu)動態(tài)爆破試驗結(jié)果分析

李志義等[8]提出：對于奧氏體不銹鋼材料拉伸型爆破片，若從爆破時間角度考慮，可以認為爆破時間大于0.6 s時，此時爆破片爆破壓力應(yīng)無變化。結(jié)合本文數(shù)據(jù)擬合得到動態(tài)爆破試驗中雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片超壓倍數(shù)與升壓速率之間的關(guān)系曲線，如圖8所示。可以看出，雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片在動態(tài)工況下的實際爆破壓力明顯高于其標定靜態(tài)爆破壓力，且超壓倍數(shù)隨著升壓速率的增加而增大。

分析發(fā)現(xiàn)，超壓倍數(shù)G0的與升壓速率的關(guān)系符合冪函數(shù)模型，擬合得到量化關(guān)系為：

(2)

根據(jù)擬合方程，可以得到區(qū)分靜態(tài)與動態(tài)工況的升壓速率門檻值。令G0=1，可得dP/dt≈0.153 MPa/s。故對雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片，只有當升壓速率不超過0.153 MPa/s時，才可視作靜態(tài)工況；當dP/dt>0.153 MPa/s時，應(yīng)視為動態(tài)工況。該式可為LF型爆破片的動靜態(tài)工況判定依據(jù)提供一定參考。結(jié)果表明，常用雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片不適用于動態(tài)工況，存在延遲爆破危險。為保護設(shè)備與相關(guān)人員安全，建議其只在靜態(tài)工況下使用。

圖8 動態(tài)爆破試驗中雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片超壓倍數(shù)G0

2.2.2 單片結(jié)構(gòu)動態(tài)爆破試驗結(jié)果分析

由圖9可以看出，在動態(tài)工況下，單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片的實際爆破壓力仍大于其靜態(tài)標定爆破壓力，超壓倍數(shù)G0隨著升壓速率的增加而增大。與雙片結(jié)構(gòu)曲線對比(如圖10所示)，曲線上升趨勢平緩，即超壓倍數(shù)隨著升壓速率的增加而緩慢增大。

圖9 動態(tài)爆破試驗中單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片超壓

仍用冪函數(shù)數(shù)學模型擬合得到超壓倍數(shù)與升壓速率之間的量化關(guān)系：

(3)

圖10 動態(tài)爆破試驗單、雙片結(jié)構(gòu)LF爆破片對比

令G0=1，可得dP/dt≈1.92 MPa/s。故對單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片，當升壓速率不超過1.92 MPa/s時，可視作靜態(tài)工況；當dP/dt>1.92 MPa/s時，應(yīng)視為動態(tài)工況?？梢园l(fā)現(xiàn)，單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片在升壓速率較高的工況下同樣具有延遲爆破危險,但其在相同升壓速率等級下的超壓倍數(shù)明顯小于雙片結(jié)構(gòu)(見圖10)，單片結(jié)構(gòu)對于快速升壓工況有一定的抵抗能力，動態(tài)爆破性能相對較好，建議相關(guān)單位在靜態(tài)工況或者在可預(yù)見升壓速率較低的動態(tài)工況下對其酌情使用。

2.3 分析與討論

事實上，對于不同爆破壓力范圍(包括其他型式)的爆破片，動靜工況的劃分需要考慮爆破壓力范圍更為合適，而這部分內(nèi)容仍有待研究。考慮到LF型結(jié)構(gòu)爆破片爆破壓力一般都很低，壓力低于1.0 MPa。該試驗可以認為覆蓋了LF型爆破片的一般使用條件。而在試驗覆蓋的爆破壓力為0.11～0.924 MPa范圍內(nèi)，以上結(jié)論應(yīng)具有更高的可靠性。

利用可燃預(yù)混氣點火燃爆升壓的試驗方法具有便于控制、升壓速度范圍廣、操作安全等特點，本研究以此方式模擬工業(yè)生產(chǎn)中可能發(fā)生的動態(tài)工況。而由于爆破片對于物理超壓和化學超壓的反應(yīng)一致，兩者的升壓特性非常相似[8]。因此認為，本研究的試驗結(jié)果可推廣用于化學超壓與物理超壓兩種動態(tài)工況。

正拱開縫型爆破片中背壓托架結(jié)構(gòu)，設(shè)計上并不影響爆破片的爆破性能。分析認為，由于其破裂需要一定的時間，盡管時間很短，仍會阻礙壓力的及時泄放。在靜態(tài)工況下，升壓速率緩慢，其破裂時間對爆破性能影響非常小，且隨著加載至爆破的時間增大，其影響逐漸變小，可以忽略不計；而在高升壓速率的動態(tài)工況下，其影響變得非常明顯。本研究中所加工的單片結(jié)構(gòu)正拱開縫型爆破片削弱了背壓托架的影響，使其具備了一定的抵抗快速升壓的能力?？蔀樵O(shè)計單位設(shè)計能夠適用極端工況的新型正拱開縫型爆破片提供參考。

現(xiàn)階段開展的其他試驗中，如普通平板型爆破片、反拱帶槽爆破片等，在快速升壓下其超壓規(guī)律各有不同。在動態(tài)工況下，是否有其他重要影響因素(如試件材料動態(tài)本構(gòu)關(guān)系的改變、反拱膜片翻轉(zhuǎn)時間等)，還需進一步展開研究[19-21]。

3 結(jié)論

(1)在靜態(tài)工況下，單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片的靜態(tài)標定爆破壓力與雙片結(jié)構(gòu)的差值在爆破片允差范圍內(nèi)，可以認為爆破性能一致。

(2)在動態(tài)工況下，雙片結(jié)構(gòu)LF型爆破片超壓倍數(shù)與升壓速率呈冪函數(shù)形式(見式(2))。當升壓速率不超過0.153 MPa/s時，可視作靜態(tài)工況；反之，則需視為動態(tài)工況。雙片結(jié)構(gòu)在動態(tài)工況下存在超壓爆破風險，只適合在靜態(tài)工況下使用。

(3)在動態(tài)工況下，單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片超壓倍數(shù)與升壓速率呈冪函數(shù)形式(見式(3))。當升壓速率不超過1.92 MPa/s時，可視作靜態(tài)工況；反之，則需視為動態(tài)工況。相比雙片結(jié)構(gòu)，單片結(jié)構(gòu)在相同升壓速率等級下超壓倍數(shù)較小，對快速升壓有一定的抵抗能力。建議在靜態(tài)工況、升壓速率較低的動態(tài)工況下對單片結(jié)構(gòu)酌情使用。

(4)單片結(jié)構(gòu)LF型爆破片的設(shè)計削弱了背壓托架對其動態(tài)爆破性能的影響。