电力开关用爆破片的防护装置

李新东，苏贵宇，许文斌，吴昌巴妥，宋辰，肖飞，王羽佳

(大连理工安全装备有限公司，辽宁 大连 116620)

1 引言

爆破片作为紧急泄压的安全装置，由于尺寸不受限制，密封性能好，动态响应特性优异，适应急速及慢速物理超压、相变超压、气体及粉尘等化学爆燃超压的各种工况，广泛应用于石油、化工、能源、冶金、电力、消防及国防等行业，其中反拱带槽型爆破片及部分按特殊设计制造的正拱带槽型爆破片抗压力疲劳能力强，性能稳定，爆破无碎片，现已广泛应用于电力开关行业。

电力开关行业的SF6封闭电器对爆破片有着特殊的要求:能够承受冷热冲击作用、密封性能良好、动作准确及时、爆破压力稳定及要有很长的使用寿命。在爆破片泄压侧设置防护装置不但可以防止爆破片遭受太阳直射、环境腐蚀及异物进入，而且当爆破片爆破泄放时，防护装置可以将泄放介质导向安全区域，避免泄放介质对人员、公共设施及其他电力设备的冲击损伤。文中通过分析影响爆破片性能的因素、爆破片无防护装置可能出现的问题及爆破片防护装置的一般要求，结合爆破片的使用经验和电力开关行业对爆破片的特殊要求，提出了电力开关行业用爆破片的防护装置的结构设计及注意事项。

2 影响爆破片性能的因素

2.1 损伤

爆破片在储存、搬运、安装和使用过程中遭受损伤，爆破片的爆破压力或耐疲劳性能降低。

图1 爆破片损伤后的爆破试验

实例1:如图2爆破片夹持结构，在爆破片和下夹持器之间设计有一个O型圈密封结构，在上下夹持器周边设计另一个O型圈防尘结构。上下夹持器通过周边螺栓夹紧后，防尘O型圈分担了部分夹持力，导致爆破片实际夹持力不足，爆破片的爆破压力将会降低。不同扭矩下爆破片的爆破压力见表1(爆破片正常爆破压力为1.18MPa)。

实例:如图1所示反拱十字槽型爆破片，正常情况下爆破片的爆破压力为1.18MPa，遭受不同损伤的1#和2#爆破片的爆破压力分别为0.68MPa和0.94MPa，由于两个爆破片都是在低于正常爆破压力下爆破，所以爆破片的开裂状态不理想。

2.2 夹持力不足或不均匀

安装过程中，没有按照安装说明书要求对爆破片进行合理的夹紧固定，或者夹持结构无法保证提供足够的夹持力及均匀夹持，造成爆破片夹持边缘或部分夹持边缘处于非刚性约束状态，这对爆破片的爆破压力或耐疲劳性能有严重影响，会导致爆破压力和耐疲劳性能降低。

图2 爆破片夹持结构

表1 不同扭矩爆破试验

实例2:如图3(a)，反应釜顶端安装一套爆破片装置，该爆破片装置后端弯管并联安装两套爆破片装置排空。如图3(b)，和反应釜最近的爆破片装置因为后端管道长而重无法均匀夹持，造成爆破片夹持力不均匀而出现抽边爆破(如图3(c))。

2.3 操作比的影响

由于爆破片是温度、压力敏感元件，是按极限寿命设计与制造的，即达到爆破压力，爆破片就瞬间爆破。爆破片最小设计爆破压力与设备最大操作压力之比(即操作比)对爆破片使用寿命影响非常显著，比值越大，爆破片寿命越长。国际标准ISO4126《Safety devices for protection against excessive pressure-part 2:Bursting disc safety devices》和《Safety devices for protection against excessive pressure-part 6:Application，selection and installation of bursting disc safety devices》及国内爆破片相关标准GB150《压力容器》和GB567《爆破片与爆破片装置》均给出了不同类型爆破片的最大允许操作比，要使爆破片长久使用，设备最大工作压力不能超过允许压力，否则寿命会受到严重影响。

图3 爆破片夹持不均匀抽边爆破

实例:某电力开关企业委托我公司设计加工爆破片产品，产品充气压力0.58MPa(用户为防止泄漏预先将充气压力略微提高)，在环境温度和操作条件变化时，其最高工作压力可能达0.61MPa左右，当设计爆破压力为0.7MPa(最小设计爆破压力0.67MPa，操作比为1.10倍)时，该产品在夏季时，个别产品出现了提前爆破的情况，使用寿命约1～2年。经研究协商，将设计爆破压力提高到了1.0MPa(最小设计爆破压力0.9MPa)，同时将设备充气压力下降到0.55MPa，使实际操作比提高到1.5以上，该参数产品目前已在设备上安全运行15年。

2.4 夹持结构或尺寸设计加工不当

夹持结构无法保证爆破片正确安装及夹紧，泄压侧夹持法兰口径过小，影响爆破片破裂，防护装置影响爆破片泄放要求，这些都会影响爆破片性能。

实例:如图4反拱带槽型爆破片，正常爆破片的爆破状态如图4(d)，如果泄压侧法兰内径小于爆破片泄放口径(如图4(a))，爆破片达到爆破压力翻转的过程中遇到泄压侧法兰的阻挡，影响爆破片的开裂状态(如图 4(b)、4(c))。

图4 夹持结构对爆破状态的影响

2.5 无防护装置或防护装置设置不当

爆破片安装以后，在爆破片泄压侧没有设置防护装置或防护装置设置不当，爆破片可能遭受冰雹、飞石等损伤，而且爆破片的泄压侧可能积存雨雪，这不但影响爆破片的正常爆破，如果设备运行环境恶劣(严重的环境腐蚀)，爆破片还会遭受腐蚀破坏，更有甚者随着雨雪水的反复融化和冰冻，就会对爆破片产生膨胀力，导致爆破片形状发生变化甚至沿槽破裂。

3 爆破片无防护装置可能出现的问题

3.1 环境腐蚀引起爆破片提前爆破

由于我国的自然环境不断恶化，有的地方存在着严重的酸雨酸气等情况，特别是化工行业周围，有强烈腐蚀的介质浓度比较大，如果这些有腐蚀性的介质随着雨水落到爆破片的泄压侧，积存后再不断蒸发浓缩，如此反复，有腐蚀介质的浓度随之不断增加，高浓度的有腐蚀性的介质就有可能会腐蚀爆破片，尤其在带槽型爆破片的刀痕处更容易产生局部腐蚀，使爆破片的爆破压力急剧下降。

3.2 环境介质直接击打爆破片引起爆破片拱面损伤

在我国大部分地区都有冰雹霰子甚至在冬季出现天降冰粒的天气。如果反拱形爆破片的拱面直接面向大气，那么很难避免爆破片不受这些天降之物的直接击打。如果爆破片拱面经击打后变形(即便是极其微量的变形)，爆破片的爆破压力将会大幅度的下降，甚至会出现由于爆破片失稳压力过小而无法打开的情况，失稳而没有打开的爆破片如果没有及时被发现，一旦出现容器超压工况，爆破片将不能正常动作。

3.3 环境介质积存引起爆破片失稳后打不开

如果反拱形爆破片泄压侧没有保护措施，面向大气的爆破片凹面极有可能被雨水、雪花、沙粒尘垢等填满，甚至会被动物们建为巢穴。通过实验，如果爆破片凹面的积存物达到一定量，爆破片即使能够在额定压力下失稳，也很容易出现不能打开的情况，这给被保护设备的安全运行带来很大的隐患。

3.4 环境介质积存后冰冻直接破坏爆破片

在我国大部分地区，冬季都会出现冰冻天气，如果爆破片泄压侧积水后结冰，由于容器内温度一般比较高，所以爆破片泄压侧积水便会沿上表面先结冰封冻，随后当内部积水进一步结冰时，就会产生向下的膨胀力。由于爆破片材料厚度较薄，而且部分爆破片拱面还有压痕，所以爆破片拱面就极有可能发生变形，甚至爆破片被直接胀裂，从而遭受破坏，如图5所示。

实例:如图6对反拱形爆破片泄压侧(凹面)进行冰冻实验，第一次冰冻后，爆破片拱面没有明显变化，但经仔细测量，爆破片拱面整体升高了0.3mm左右;经过第二次冰冻试验后，爆破片拱面已经有明显的凸起出现;多次对其冰冻后，爆破片拱面已经严重变形。

可想而知，安装在户外没有采取防护措施的爆破片在一个冬季里面会经过多少次冰冻过程，这一次次的冰冻对爆破片的损害是致命的。

图5 爆破片遭受冰冻破坏

图6 爆破片冰冻试验装置及冰冻破坏变形图

3.5 太阳直射致使爆破片温度大幅度升高导致爆破片爆破压力降低

夏季高温天气的时候，特别是在南方，爆破片在太阳的直射下表面温度可以达到80℃，这时爆破片的爆破压力就会下降。如果容器的工作压力比较接近爆破片的爆破压力，当爆破片的温度升高时，容器正常工作下爆破片就有可能发生爆破，造成不必要的损失。

4 爆破片防护装置的一般要求

如果爆破片的泄压侧直接排空(包括连接泄放接管排空)，则需要在爆破片的泄压侧或者泄放接管的尾端设置防护装置。

4.1 泄放量

爆破片防护装置的结构及尺寸一定要保证爆破片的泄放量满足要求。防护装置不能影响爆破片的爆破状态，同时要提供足够的泄放面积。对于脱落型防护装置，当爆破片爆破时，防护装置一定要及时脱落。另外，在计算爆破片泄放量时要全面考虑防护装置对爆破片泄放量的影响。

4.2 材料、强度及连接

爆破片的防护装置包括脱落型和非脱落型。

脱落型防护装置对材料及强度没有特殊要求，一般采用塑料、橡胶或者铝箔等材料加工而成。脱落型防护装置和爆破片泄压侧的连接方式不受限制，只要不影响爆破片的正常爆破，当爆破片爆破时防护装置能够及时脱落，并且脱落后的防护装置不会对人员、公共设施及其他设备造成损害。如有必要，可以将脱落型防护装置用链条或其他方式和设备连接，也可以在防护装置飞行方向设置捕捉器。

非脱落型防护装置一般采用金属材料，在选择结构及设计尺寸时要保证防护装置具有足够的强度抗击爆破片爆破及介质泄放的冲击。非脱落型防护装置和爆破片的夹持法兰或泄放接管之间一般采用焊接或螺栓连接。

5 结构设计及注意事项

电力开关行业的SF6封闭电器使用区域广泛，各地条件均不相同，环境温差相差悬殊，为了保证安装在SF6封闭电器上的爆破片装置在各种工况下都能正常工作，必须在爆破片装置上安装防护装置。

爆破片的防护装置根据结构型式分为脱落型和非脱落型。如果爆破片安装在设备的顶部且设备安装于室外，则只能选择脱落型防护装置。如果爆破片安装在设备的侧面或安装在设备的顶部但用在室内，则可根据具体要求选择脱落型或非脱落型保护装置。

5.1 脱落型防护装置

如图7，脱落型防护装置材料一般为塑料、橡胶或者铝箔，防护装置周边某点可用铆钉固定，防止大风吹落。正常工作情况下，爆破片泄压侧处于密闭状态，不会受到外界任何因素的影响，但是当容器超压爆破片爆破时，防护装置因受压而迅速打开或者脱落。

图7 脱落型防护装置

5.2 非脱落型防护装置

如图8，如果爆破片安装在设备的侧面或安装在设备的顶部但用在室内，可以在爆破片泄压侧安装非脱落型防护装置。正常工作情况下，爆破片泄压侧处于开放状态，当容器超压爆破片爆破的时候，非脱落型防护装置不会影响超压介质的正常泄放，同时还能引导泄放介质向安全区域排放。

图8 非脱落型防护装置

5.3 注意事项

安装在室内的SF6封闭电器基本上不会遭受风吹日晒、雨雪冰冻、介质积存及环境腐蚀的影响，所以安装防护装置的主要目的是有效引导泄放介质，减少超压设备的安全泄放对周边其他设备、公共设施及人员的损害。

安装在室外的SF6封闭电器受各种环境因素的影响，对爆破片的防护装置有较高的要求:防护装置的结构选择要合理，不同的安装位置选择不同类型的防护装置;防护装置的安装位置及方向确保雨雪杂物等不会在爆破片的泄压侧积存;防护装置的材料要耐环境腐蚀，否则，则应定期更;防护装置的固定方式应考虑材料老化松动及狂风暴雨的影响。

［1］ TSG ZF003－2011，爆破片装置安全技术监察规程［S］.

［2］ ISO4126 －2003，Safety devices for protection against excessive pressure［S］.

［3］ GB150－2011，压力容器［S］.

［4］ GB567－1999，爆破片与爆破片装置［S］.

［5］ 李新东，喻建良，李岳，等.电力开关用爆破片的更换周期［J］.电气开关，2012，3:96 －97.