操作比对反拱带槽型爆破片使用寿命及更换周期的影响研究

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(1.大连理工大学 化工学院,辽宁大连 116024,2.大连理工度达安全工程有限公司，辽宁大连 116012;3.大连理工安全装备有限公司，辽宁大连 116012)

0 引言

爆破片作为一种精密的压力开关，已被广泛应用于压力容器超压泄放场合。尽管国内外有关规范、标准的制定，为科学、规范地设置爆破片安全装置提供了相应的依据，但是调研发现，对长期运行中的爆破片，是否需要更换以及何时更换，由于没有明确规定和要求,已成为困扰爆破片设计、制造、使用人员以及监督管理部门的难题。

现行标准TSG ZF003《爆破片装置安全技术监察规程》[1]规定，爆破片装置需要定期更换，但没有明确更换周期确定的方法；吴全龙等[2]对爆破片使用更换周期问题进行了探讨，指出爆破片的使用更换周期可以根据制造厂家数据、用户使用记录和试验手段来获得；GB 567.2—2012附录D[3]中，给出了两种确定爆破片更换周期的方法：一是由制造单位确定更换周期，二是由使用单位确定。但以上的一些研究和标准都基于制造和使用经验，并未研究操作比与爆破片寿命之间的关系来获得爆破片明确的更换周期公式。

分析认为，爆破片更换周期问题，首先和爆破片寿命有关。而爆破片寿命，取决于静载下的持久寿命和循环载荷下的疲劳寿命。但目前还未有爆破片寿命与各影响因素之间量化关系的研究成果；且现阶段还没有学者对不同材料爆破片寿命进行对比的研究。

基于此，本文拟选取应用量最大的反拱带槽型爆破片为研究对象，通过试验方法研究316L和Inconel 600两种材料制成的反拱带槽型爆破片持久寿命及疲劳寿命与操作比的定量关系，选取合适的安全系数，以得到适用于工程领域的寿命预测公式，从而为爆破片更换周期的制定提供参考依据。

1 试验方案及装置

1.1 试验对象

316L和Inconel 600是广泛使用的制造爆破片的材料[4]，本文选择这两种材料作为爆破片材料。在众多爆破片类型中，反拱带槽型爆破片使用最为广泛，因此，首先研究这种类型爆破片的寿命问题。选择的试验对象及参数见表1。

表1 两种爆破片产品参数

1.2 试验参数选择

爆破片在承受静态和疲劳载荷时，操作比定义略有不同。在承受静载时，因为载荷压力是恒定不变的，故可认为操作比为操作压力与爆破压力之比[5]；而在承受疲劳载荷时，压力是脉动的，根据GB 150—2011《压力容器》[6]中工作压力的定义为：压力容器正常工作的情况下，容器顶部的最大压力。结合工作压力的定义，以脉动压力中峰值压力(如充装容器的充装压力)为爆破片的工作压力，故疲劳研究中的操作比为峰值压力与爆破压力之比。

文中以W=Pw/Pb为操作比，在静载爆破试验中，Pw为工作压力，Pb为爆破压力；在疲劳爆破试验中，Pw为峰值压力，Pb为爆破压力。

爆破片寿命主要取决于两种工况：承受静载时的持久寿命，以及承受疲劳载荷时的疲劳寿命。其中持久寿命是指爆破片在承受恒定不变的载荷作用下，从加载开始到最终爆破片发生翻转爆破的总时间；而疲劳寿命是指爆破片在承受循环变化的载荷作用下，从加载开始到最终爆破片发生翻转爆破的总的疲劳循环次数。

影响爆破片持久寿命和疲劳寿命的因素很多，研究中考虑全部影响因素并不可行。分析发现，在众多因素中，操作比是同时影响爆破片持久寿命和疲劳寿命的显著且最为关键的因素[7-8]。操作比越大说明爆破片工作压力越接近爆破压力，爆破片越容易失效，其寿命也就越低。因此，本研究首先解决持久寿命和疲劳寿命与操作比的定量关系。

1.3 试验平台

采用静载爆破试验装置和疲劳试验装置开展爆破片持久寿命和疲劳寿命研究。

1.3.1 静载爆破试验平台

静载爆破试验装置流程如图1所示，主要由法兰、夹持器、空气气源、截止阀、减压阀、压力表、缓冲气瓶、管路等构成。

图1 爆破片常温静载爆破试验平台示意

试验过程为：关闭截止阀2，接入气源，打开截止阀1，通过减压阀1和减压阀2二级减压，确保进入缓冲罐内的气体压力稳定可控，试验系统内的压力缓慢上升，利用压力表(压力传感器)监测显示装置内的实时压力，此时显示的压力即为爆破片承受的压力；继续升压至试验所需压力，立即关闭截止阀1，保持系统内压力稳定，并记录开始时间，试验过程整个系统要求密封可靠，压力保持恒定，此时恒定的压力即为爆破片的工作压力，当爆破片翻转失稳爆破时，时间记录结束，爆破片在此工作压力下，从开始保压到爆破所经历的时间即为持久寿命。

1.3.2 疲劳爆破试验平台

疲劳试验装置如图2所示，主要由压力传感器、控制系统、法兰、截止阀、减压阀、夹持器、爆破片和管路构成。

图2 爆破片常温疲劳试验平台示意

试验过程为：接入气源，打开截止阀，通过减压阀进行减压，确保进入缓冲罐内的气体压力稳定可控，试验系统内的压力缓慢上升，利用压力表(压力传感器)监测显示装置内的实时压力，此时显示的压力即为爆破片承受的压力；当爆破片表面的压力达到设定上限压力后，将输出管路的电磁阀门关闭，并保持压力一段时间；随后将泄放管路电磁阀门打开，向周围环境输送空气降低压力，达到设定下限压力后，将泄放管路电磁阀门关闭，再保持压力一段时间，至此完成一个疲劳周期。详细的疲劳加载循环图如图3所示。

图3 疲劳载荷加载循环图

在疲劳试验中设有不同的峰值压力Pw，相同的谷值压力Pb(0.2 MPa)及加压周期(40 s)，并记图中A-B-C-D-E过程为一个疲劳周期。继续试验，试验过程整个系统要求密封可靠，当爆破片翻转失稳爆破时，记录下相应的疲劳加载次数，至此完成一组试验。爆破片在此循环载荷作用下所能承受的循环次数即为该爆破片的疲劳寿命。

2 反拱带槽型爆破片寿命预测方法

2.1 静载持久寿命预测

将试验中得到的316L反拱带槽型爆破片以及Inconel 600反拱带槽型爆破片静载持久寿命数据(见表2，3)绘入图4。两种材料爆破片的试验数据近似分布相同，在对比多个简单数学模型后，选取了最为合适的幂函数类数学模型，在图中选取了一条能近似替代两者的持久寿命曲线，使得试验所测值均匀地分布在拟合曲线两侧。

表2 316L反拱带槽型爆破片常温承载静态压力试验

表3 Inconel 600反拱带槽型爆破片常温承载

图4 反拱带槽型爆破片在静态压力下的寿命曲线

得到常温工况下反拱带槽型爆破片的持久寿命预测公式如下：

t=0.03718W-112.61

(1)

式中W——操作比，W=Pw/Pb；

t——持久寿命，min。

从图4中可以看出，随着操作比的降低，两种材料制成的反拱带槽型爆破片的保压时间是不断增加的。在高操作比时，操作比的变化对两种爆破片的持久寿命影响不大；而在低操作比时，爆破片的持久寿命会随着操作比的变化而发生急剧变化。

2.2 疲劳寿命预测

将试验中得到的316L反拱带槽型爆破片以及Inconel 600反拱带槽型爆破片疲劳寿命数据(见表4，5)绘入图5。两种材料爆破片的试验数据近似分布相同，目前的S-N曲线和P-S-N曲线主要采用Manson-Coffin、指数函数、幂函数模型进行修正而得出的[9-12]。本文在选取多个简单数学模型经Origin软件拟合对比后，选取了最为合适的幂函数类数学模型，并在图中选取了一条能近似替代两者的疲劳寿命曲线，使得试验所测值均匀地分布在拟合曲线两侧。

表4 316L反拱带槽型爆破片常温疲劳试验

表5 Inconel 600反拱带槽型爆破片常温疲劳试验

图5 反拱带槽型爆破片在疲劳载荷下的疲劳寿命曲线

得到常温工况下反拱带槽型爆破片疲劳寿命预测公式如下：

N=1.1585W-127.34846

(2)

式中W——操作比，Pw/Pb；

N——疲劳次数，次。

从图5可以看到，随着操作比的降低，两种材料制成的反拱带槽型爆破片的耐疲劳性也是不断增强的。在高操作比时，操作比的变化对两种爆破片的疲劳寿命影响不大；而在低操作比时，爆破片的疲劳寿命会随着操作比的变化而发生较为急剧变化。

2.3 爆破片失效原因分析

试验所用反拱带槽型爆破片结构见图6。

图6 反拱带槽型爆破片结构示意

反拱带槽型爆破片在承受静载或疲劳载荷时，刻槽处相较于其他位置应力更为集中，此位置处将会更容易产生微小的塑性变形[13-16]。随着时间的不断累积，刻槽处的微小变形将不断积累，又因为反拱爆破片是凸侧受力，因此可以认为爆破片的拱高H在受力过程中是不断减小的，且爆破片口径D可以认为近似不变，再根据反拱爆破片爆破压力P∝(H/D)[17]可知，反拱爆破片在加载过程中，它的爆破压力是不断减小的，即该爆破片会在低于标定爆破压力下产生失效现象。

随着操作比的不断增大，爆破片的变形累积速度将逐渐加快。高操作比下爆破片拱高的减小速度将更快，槽附近的变形积累将使爆破片更快失稳爆破，宏观上将表现出在高操作比下爆破片的寿命要明显小于低操作比下的寿命。

此外，本试验所用的316L材料属于奥氏体不锈钢的一种；Inconel 600的成形性能类似于稳定的奥氏体不锈钢，因此两种材料的爆破片在承受载荷时，产生的变形近似相同，在相同载荷下表现出达到发生翻转爆破时所用的时间也相近，所以两者的寿命拟合曲线相似。

3 安全系数的提出及寿命预测案例

3.1 安全系数

由于爆破片夹持条件与试验条件不同且操作条件也存在波动，再加上产品自身的制造偏差，导致试验条件下得到的寿命经验公式难以直接应用到实际工程中。因此为了预测工程实际应用时的产品寿命，必须确定爆破片寿命安全系数。

爆破片寿命安全系数的确定还没有相关研究报道，考虑到实际应用中爆破片的操作工况、介质环境、安装条件也不尽相同，本文安全系数的选取方法参照压力容器试验安全系数的选取方法，将实验室条件下得到的寿命预测经验公式转化成可以应用到实际工程中的更换周期经验公式。

根据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认版)[18]，一般考虑因素如下：

(1)数据分散程度为2.0；

(2)尺寸因素影响为2.5；

(3)表面粗糙度与环境因素影响为4.0。

将3种因素相乘得到影响因素为20，另外也对不做疲劳分析的压力波动大小进行了规定：如果设备内操作压力波动不大于±20%，就不必考虑疲劳对设备的危害。参照压力容器的疲劳分析安全系数，并结合某公司提供的爆破片相关工程数据与工程经验，给出持久寿命安全系数取值方法如下。

(1)现场实际爆破片夹持条件与实验室理想条件下可能存在的差别的影响系数为2.2;

(2)试验产品爆破压力偏差引起的试验数据分散影响系数为1.5；

(3)爆破片结构尺寸(爆破片减弱槽剩余厚度偏差及拱高偏差)影响系数为4.0；

(4)实际工况下平均操作压力不超过爆破片实际爆破压力80%时，压力波动不超过±10%，认为压力波动对持久寿命影响为1.5。

以上4种影响因素系数之乘积为19.8，与压力容器疲劳安全系数取20相近，故综上所述，反拱带槽型爆破片的持久寿命和疲劳寿命安全系数均取20。

反拱带槽型爆破片在工程应用中的寿命预测公式如下。

持久寿命预测公式：

t1=1.859×10-3W-112.61(s)

(3)

假设实际工程领域中一天等效施加疲劳循环载荷次数为N1。

疲劳寿命预测公式：

(4)

3.2 工程寿命预测案例

试验所采用的爆破片与实际工程所用爆破片结构型式完全相同时，可不考虑爆破片尺寸大小对寿命影响，另外结合某公司以前其他尺寸所获得的寿命预测结果与本次试验预测结果高度一致，所以对相同结构型式爆破片，认为公称直径大小对爆破片寿命没有影响。采用由该公司提供的工程实例以验证反拱带槽型爆破片工程寿命预测普适性以及安全系数取值的可靠性。

(1)示例1：天津某公司所用该尺寸的爆破片抽样爆破压力5.2 MPa，调研发现操作压力为4.55 MPa，爆破片安装使用后5天即爆破。

爆破片操作压力比W为:

将操作比W代入式(3)中得到:

t=1.859×10-3W-112.61=6305 min≈4.4 day

(2)示例2：某电气开关用该尺寸的爆破片，爆破片抽样爆破压力0.80 MPa，调研发现夏天最高工作压力为0.68 MPa，爆破片安装使用后3个月即爆破。

爆破片操作压力比W为:

将操作比W代入公式(3)中得到:

t=1.859×10-3W-112.61=164 973 min≈114 day

对上面两个工程应用示例按工程寿命预测公式计算，所得预测寿命基本与实际寿命相吻合，所以持久寿命安全系数取20左右具有可靠性，预测公式所得短期预测结果与实际比较吻合。故笔者认为预测寿命公式具备普适性，安全系数取值可靠。

4 更换周期制定

根据以上所得出的寿命预测公式可以间接地为爆破片更换周期的制定提供相应参考依据。但由于实际工程领域中爆破片需要在破坏失效之前进行更换，因此实际制定的更换周期要比适用于实际工程领域的寿命预测公式所计算的值要小。因此，需要将所得到的爆破片寿命预测公式除以一个大于1的系数，通常这个系数根据爆破片实际所处的环境不同而有所不同。

5 结论

(1)静载作用下，在高操作比时，操作比的变化对316L爆破片的寿命影响不大；而在低操作比时，其寿命会随着操作比的变化而发生急剧变化。Inconel 600与316L具有相似的寿命规律，两者可以用近似相同的表达式t=0.03718W-112.61表示。

(2)疲劳载荷作用下，在高操作比时，操作比的变化对316L爆破片的寿命影响不大；而在低操作比时，其寿命会随着操作比的变化而发生急剧变化。Inconel 600与316L具有相似的寿命规律，两者可以用近似相同的表达式N=1.1585W-127.34846表示。