动态超压工况下正拱开缝型爆破片的爆破性能研究

喻健良，曾方驰，闫兴清，宣洪烈，李 岳

(1.大连理工大学 化工学院，辽宁大连 116024；2.大连度达理工安全系统有限公司，辽宁大连 116012)

0 引言

爆破片作为一种精密的安全泄放元件，广泛应用于具有超压风险的压力容器及设备上[1]。国家有关规范、标准的制定，如GB 567—2012《爆破片安全装置》[2]、TSG ZF003—2011《爆破片装置安全技术监察规程》[3]、GB 150—2011《压力容器》[4]等，为科学、规范设置爆破片提供了依据[5]。对爆破片设计及使用人员来说，全面理解影响爆破片爆破压力的因素，准确预测爆破片的爆破压力，是安全使用爆破片、预防爆破片失效的关键[6-7]。

影响爆破片爆破压力的因素较多[6-7]，如载荷比、操作温度、疲劳等，而压力上升的状态(升压速率)是影响爆破片爆破压力的一个重要因素。然而，现有研究基本集中在爆破片承受静态载荷工况，即升压速率很小的场合，而对快速升压的动态工况下爆破片的爆破压力变化，仍缺少科学系统的研究。现行爆破片标准GB 567—2012《爆破片安全装置》[2]中提到：该标准不适合于在操作过程中压力剧增或者反应速度过快时的承压设备。这说明研究人员已经意识到静、动态工况下爆破片的爆破性能存在不同，因此在相关标准[2-3]中通过限制升压速率的方式将爆破片的爆破性能尽可能贴近静态工况。李志义等[8]研究了升压速率对拉伸型爆破片爆破特性的影响，认为在一定条件下升压速率与爆破压力呈简单的线性关系；李岳等[9-10]对急速升压下的反拱带槽爆破片爆破性能做了研究，认为爆破片的爆破压力动态超压规律应当以升压速率的大小分阶段讨论。现有研究成果还无法理解动态工况爆破压力与静态工况的区别。

基于此，本文通过采用爆炸超压的试验方法测量急速升压工况下的爆破片爆破压力，研究爆破片动态超压爆破性能，以完善爆破片失效理论和爆破压力预测的方法。由于爆破片种类繁多，本文首先以正拱开缝爆破片为研究对象，其他研究对象将后续展开研究。

1 试验方案及装置

1.1 试验对象

在众多类型的爆破片中，正拱开缝型(LF型)爆破片广泛用于气、液、粉尘3种介质场合，特别适合在低压或者超低压工况使用[11-12]。正拱开缝型爆破片(LF型爆破片)是由拱型开缝的金属膜片、密封膜、可承受一定背压的背压托架构成的组合件，可以认为是一种由顶层的开缝金属膜片与底层背压托架膜片组成的双片结构，其爆破压力由顶层金属膜片拱面上的缝和孔构成的减弱结构控制[12-14]，如图1，2所示。

图1 双片结构正拱开缝型爆破片组件示意

背压托架在设计上并不影响爆破片的爆破性能，但通过经验总结认为其存在阻碍压力泄放的可能。为此，本研究设计了无背压托架影响的单片结构，即在保证支撑密封膜和金属膜片紧密贴合的同时，将正拱爆破片的底层背压托架膜片部分最大可能减少，形成圆环型背压托架(如图3所示)，与金属膜片、密封膜组合后得到单片结构LF型爆破片，这样可将背压托架对爆破性能的影响降至最低。本研究中，将常用普通双片结构LF型爆破片与加工后的单片结构LF型爆破片作为爆破试验的两种试件。选择316L奥氏体不锈钢作为金属膜片及托架材料[15]，密封膜为氟塑料薄膜，厚度为0.1 mm。考虑到使用的广泛性与试验操作便捷性，选择100 mm泄放口径。LF型爆破片实际多在低压工况使用[11]，故试验试件爆破压力选择控制在1 MPa以下。

图2 双片结构正拱开缝型爆破片结构示意

图3 单片结构正拱开缝型爆破片中背压托架结构示意

1.2 试验装置

1.2.1 静态爆破试验装置

静态爆破试验装置如图4所示，主要由操作基台、压力加载系统、压力测量系统等部分组成。试验过程为：安装爆破片于操作基台上，利用油压机将爆破片压紧以防止抽边现象；气源经过缓冲储罐对爆破片施加载荷，按照GB 567—2012中规定的程序，控制升压加载速率稳定，按预设压力缓慢加载；爆破片爆破后，读取数据，完成卸压。爆破压力由压力表记录。

图4 静态爆破试验装置

1.2.2 动态爆破试验装置

如何实现不同升压速率下的动态工况，以测量爆破片动态下的爆破压力，是本研究的难点。经过探索，决定以预混气体燃爆的方式获得不同动态升压速率。搭建了动态爆破试验装置，如图5所示，主要由10 L升压罐与2.1 L爆燃罐主体、充配气系统、点火系统、压力采集系统等组成。爆破片安装于爆燃罐上，通过改变罐内初始压力、空气与可燃气(甲烷、乙炔等)预混气的不同配比，使用高压点火电极点火，实现动态爆破过程中所预设的不同升压速率。采用高频压力传感器(量程0～6 MPa、精度0.5%、频率1 MHz)采集爆破过程中的实时压力数据。

动态爆破试验流程如下。

(1)安装爆破片与配套夹持器，法兰均匀夹紧爆破片装置。

(2)将压缩空气气瓶接入进气口，打开截止阀1,2，利用压缩空气对升压罐及爆燃罐吹扫10 min，关闭截止阀2。

(3)利用配气管路配比一定浓度的可燃气与空气预混气体，通入预混气瓶内预混(30 min以上)。预混完成后，在升压罐及连通的爆燃罐中缓慢通入充分静置混合的气体，达到预设的初压值时，关闭截止阀1。

(4)点火的同时高频压力传感器实时响应，采集系统记录爆炸过程压力与时间曲线。

以图6采集到的压力-时间曲线为例，介绍试验过程中升压速率计算方法。

图5 动态爆破试验装置

图6 动态爆破升压过程曲线

图6中A点为点火瞬间的起始点；之后，压力-时间曲线的斜率逐渐增大，并且增大到某一值后不再升高。图6中B点至最大压力C点之间曲线近似为直线，即升压速率最大且保持不变的时间段。本研究中，将具有稳定升压速率的BC段作为动态升压阶段，C点为动态升压阶段的终点，C点压力值即为爆破片在动态爆破试验中的实际动态爆破压力，记为PC。动态爆破的升压速率采取下式计算：

(1)

试验装置容器足够小，而泄放面积足够大，满足平衡泄放。通过观察压力-时间曲线，曲线在爆破点连续，且试验过程中爆破后并未出现持续泄放声音，可以认为爆破片在爆破后，容器内压力不再升高。故将压力传感器采集到的最大压力值作为爆破片的爆破压力[15-18]。

2 结果分析与讨论

2.1 静态爆破性能

图7 静态爆破试验中单片结构与双片结构LF型爆破片对比

由图7可以看出，在相同设计爆破压力下，单片结构LF型爆破片的静态标定爆破压力略小于双片结构LF型爆破片静态标定爆破压力；随着爆破压力等级增大，单片结构的静态标定爆破压力逐渐接近双片结构的静态标定爆破压力。但总体上两种结构的静态标定爆破压力相差极小。

根据相关标准[2-3]中对爆破压力允差的规定：标定爆破压力0.1～0.3 MPa时，爆破压力允差为±0.015 MPa；标定爆破压力0.3～100 MPa时，爆破压力允差为±5%。本试验中，单片结构爆破片爆破压力最大允差分别为0.011 MPa(标定爆破压力为0.1～0.3 MPa)、4.6%(标定爆破压力为0.3～100 MPa)。因此认为，在静态工况下，单片结构LF型爆破片与双片结构LF型爆破片爆破压力一致。

2.2 动态爆破性能

为了定量评估爆破片动态爆破压力与静态标定爆破压力的差异，定义超压倍数G0为两种结构爆破片的动态爆破压力PC与静态标定爆破压力P0的比值。当PC与P0相等时，超压倍数G0=1，此时表明爆破片在动态超压工况下的爆破性能与静态相同；当G0>1时，表明动态超压下爆破片将延迟爆破，G0越大，爆破片延迟爆破越严重，对使用设备的影响也更大[6-7]。

2.2.1 双片结构动态爆破试验结果分析

李志义等[8]提出：对于奥氏体不锈钢材料拉伸型爆破片，若从爆破时间角度考虑，可以认为爆破时间大于0.6 s时，此时爆破片爆破压力应无变化。结合本文数据拟合得到动态爆破试验中双片结构LF型爆破片超压倍数与升压速率之间的关系曲线，如图8所示。可以看出，双片结构LF型爆破片在动态工况下的实际爆破压力明显高于其标定静态爆破压力，且超压倍数随着升压速率的增加而增大。

分析发现，超压倍数G0的与升压速率的关系符合幂函数模型，拟合得到量化关系为：

(2)

根据拟合方程，可以得到区分静态与动态工况的升压速率门槛值。令G0=1，可得dP/dt≈0.153 MPa/s。故对双片结构LF型爆破片，只有当升压速率不超过0.153 MPa/s时，才可视作静态工况；当dP/dt>0.153 MPa/s时，应视为动态工况。该式可为LF型爆破片的动静态工况判定依据提供一定参考。结果表明，常用双片结构LF型爆破片不适用于动态工况，存在延迟爆破危险。为保护设备与相关人员安全，建议其只在静态工况下使用。

图8 动态爆破试验中双片结构LF型爆破片超压倍数G0

2.2.2 单片结构动态爆破试验结果分析

由图9可以看出，在动态工况下，单片结构LF型爆破片的实际爆破压力仍大于其静态标定爆破压力，超压倍数G0随着升压速率的增加而增大。与双片结构曲线对比(如图10所示)，曲线上升趋势平缓，即超压倍数随着升压速率的增加而缓慢增大。

图9 动态爆破试验中单片结构LF型爆破片超压

仍用幂函数数学模型拟合得到超压倍数与升压速率之间的量化关系：

(3)

图10 动态爆破试验单、双片结构LF爆破片对比

令G0=1，可得dP/dt≈1.92 MPa/s。故对单片结构LF型爆破片，当升压速率不超过1.92 MPa/s时，可视作静态工况；当dP/dt>1.92 MPa/s时，应视为动态工况。可以发现，单片结构LF型爆破片在升压速率较高的工况下同样具有延迟爆破危险,但其在相同升压速率等级下的超压倍数明显小于双片结构(见图10)，单片结构对于快速升压工况有一定的抵抗能力，动态爆破性能相对较好，建议相关单位在静态工况或者在可预见升压速率较低的动态工况下对其酌情使用。

2.3 分析与讨论

事实上，对于不同爆破压力范围(包括其他型式)的爆破片，动静工况的划分需要考虑爆破压力范围更为合适，而这部分内容仍有待研究。考虑到LF型结构爆破片爆破压力一般都很低，压力低于1.0 MPa。该试验可以认为覆盖了LF型爆破片的一般使用条件。而在试验覆盖的爆破压力为0.11～0.924 MPa范围内，以上结论应具有更高的可靠性。

利用可燃预混气点火燃爆升压的试验方法具有便于控制、升压速度范围广、操作安全等特点，本研究以此方式模拟工业生产中可能发生的动态工况。而由于爆破片对于物理超压和化学超压的反应一致，两者的升压特性非常相似[8]。因此认为，本研究的试验结果可推广用于化学超压与物理超压两种动态工况。

正拱开缝型爆破片中背压托架结构，设计上并不影响爆破片的爆破性能。分析认为，由于其破裂需要一定的时间，尽管时间很短，仍会阻碍压力的及时泄放。在静态工况下，升压速率缓慢，其破裂时间对爆破性能影响非常小，且随着加载至爆破的时间增大，其影响逐渐变小，可以忽略不计；而在高升压速率的动态工况下，其影响变得非常明显。本研究中所加工的单片结构正拱开缝型爆破片削弱了背压托架的影响，使其具备了一定的抵抗快速升压的能力。可为设计单位设计能够适用极端工况的新型正拱开缝型爆破片提供参考。

现阶段开展的其他试验中，如普通平板型爆破片、反拱带槽爆破片等，在快速升压下其超压规律各有不同。在动态工况下，是否有其他重要影响因素(如试件材料动态本构关系的改变、反拱膜片翻转时间等)，还需进一步展开研究[19-21]。

3 结论

(1)在静态工况下，单片结构LF型爆破片的静态标定爆破压力与双片结构的差值在爆破片允差范围内，可以认为爆破性能一致。

(2)在动态工况下，双片结构LF型爆破片超压倍数与升压速率呈幂函数形式(见式(2))。当升压速率不超过0.153 MPa/s时，可视作静态工况；反之，则需视为动态工况。双片结构在动态工况下存在超压爆破风险，只适合在静态工况下使用。

(3)在动态工况下，单片结构LF型爆破片超压倍数与升压速率呈幂函数形式(见式(3))。当升压速率不超过1.92 MPa/s时，可视作静态工况；反之，则需视为动态工况。相比双片结构，单片结构在相同升压速率等级下超压倍数较小，对快速升压有一定的抵抗能力。建议在静态工况、升压速率较低的动态工况下对单片结构酌情使用。

(4)单片结构LF型爆破片的设计削弱了背压托架对其动态爆破性能的影响。