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(1.大連理工大學(xué) 化工學(xué)院，遼寧大連 116023；2.大連理工度達(dá)安全工程有限公司，遼寧大連 116620；3.大連度達(dá)理工安全系統(tǒng)有限公司，遼寧大連 116620)

0 引言

在生產(chǎn)中很多用于完成反應(yīng)、換熱、分離和儲存等工藝過程的設(shè)備都是承壓設(shè)備。當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力增加超過許用壓力，就可能引起設(shè)備破壞或爆炸，造成嚴(yán)重傷亡事故。設(shè)備內(nèi)壓力可能是緩慢增加形成的超壓，也可能是急速增加形成的超壓，如爆炸容器的急速升壓，升壓速度不同引起的設(shè)備的變形及破壞也有較大差別，其設(shè)計(jì)方法目前普遍采用動力系數(shù)法或經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行容器設(shè)計(jì)[1-3]，并且國內(nèi)主要以數(shù)值模擬研究內(nèi)壓爆炸容器為主[4-7]，對于試驗(yàn)研究的爆炸物大多為固體炸藥、爆炸超壓時(shí)間大多在微秒級[8-9]，而對石油化工中常見的氣體、粉塵爆炸、爆炸超壓時(shí)間在毫秒級，則很少通過試驗(yàn)研究容器在靜態(tài)緩慢超壓與急速動態(tài)超壓時(shí)的破壞壓力的關(guān)系，特別對外壓殼體的破壞壓力與升壓速度的關(guān)系，相關(guān)研究報(bào)道較少。

根據(jù)引起設(shè)備的超壓是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將超壓分為物理超壓過程和化學(xué)超壓過程。對于物理超壓過程，通常引起設(shè)備內(nèi)壓力升高是來自于外部原因，如：(1)操作失誤或閥門損壞導(dǎo)致高壓介質(zhì)進(jìn)入低壓容器內(nèi)形成超壓；(2)液體物料受外部熱量蒸發(fā)汽化，導(dǎo)致容器內(nèi)壓力不斷升高引起超壓，常見鍋爐超壓；(3)對盛裝液化氣體容器，外界著火或環(huán)境溫度升高引起的容器超壓；(4)液體管道的“水錘”或蒸汽熱力管道的液擊“水錘”，引起的超壓。對于化學(xué)超壓過程，設(shè)備內(nèi)壓力升高是由內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致，如：(1)可燃?xì)怏w爆燃引起超壓；(2)各種有機(jī)、無機(jī)可燃粉塵發(fā)生燃燒爆炸引起超壓；(3)容器內(nèi)氣液介質(zhì)，在液相發(fā)生分解、聚合等放熱化學(xué)反應(yīng)失控引起超壓。上述這些超壓過程，對于可燃?xì)怏w、氣霧、粉塵等發(fā)生爆燃性化學(xué)反應(yīng)及液體、蒸汽管道內(nèi)的“水錘”超壓，其壓力升高速率非常大，均屬于急速超壓過程；其他因素引起的設(shè)備內(nèi)升壓相對于爆燃升壓往往升壓速率較慢，可認(rèn)為是靜態(tài)超壓過程。

為了消除超壓造成的設(shè)備破壞或爆炸事故，傳統(tǒng)方法是采用超壓泄放裝置，將設(shè)備內(nèi)的超壓及時(shí)泄放出去。根據(jù)泄放原理，常用的超壓泄放裝置有：安全閥類和爆破片類。普遍認(rèn)為，對于緩慢超壓過程適合采用安全閥類泄壓裝置，其特點(diǎn)是設(shè)備內(nèi)壓力達(dá)到其開啟壓力，能自動開啟泄放壓力介質(zhì)，壓力降至一定值又及時(shí)關(guān)閉，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。而對于急速升壓引起的超壓則應(yīng)采用爆破片類安全泄放裝置，爆破片動作靈敏、準(zhǔn)確、可靠、無泄漏，當(dāng)設(shè)備內(nèi)壓力達(dá)到爆破片設(shè)定爆破壓力，爆破片瞬間發(fā)生爆破，泄放通道打開，泄放超壓，因此特別適合急速超壓泄放,但一旦爆破，就再也無法關(guān)閉。

爆破片安全裝置從外形上主要分為：正拱形爆破片(凹面受壓)、反拱形爆破片(凸面受壓)和平板形爆破片，如圖1所示。

圖1 爆破片類型

從受力破壞分：正拱形和平板形是拉伸破壞型爆破片；反拱形是失穩(wěn)破壞型爆破片。拉伸破壞型爆破片，膜片內(nèi)為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力達(dá)到膜片抗拉極限，爆破片爆破；失穩(wěn)破壞型爆破片，膜片內(nèi)為壓縮應(yīng)力，當(dāng)膜片內(nèi)壓縮應(yīng)力達(dá)到失穩(wěn)臨界應(yīng)力，爆破片失穩(wěn)翻轉(zhuǎn)破壞。

反拱形爆破片根據(jù)承壓膜片的結(jié)構(gòu)差別又分為反拱普通型爆破片(由刀架或鱷齒致破)、反拱帶槽型爆破片及反拱開縫型爆破片。由于反拱形是壓縮失穩(wěn)破壞，在各種爆破片類型中，對急速升壓動態(tài)響應(yīng)性、耐疲勞性及允許較高的操作壓力是最好的[10-13]，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，人們普遍認(rèn)為爆破片對急速升壓響應(yīng)性好，無滯后，并且也公認(rèn)這三類爆破片中，反拱形爆破片是最優(yōu)的，但目前未見反拱形爆破片對急速升壓響應(yīng)性研究，對爆炸急速升壓下，反拱形爆破片的爆破壓力相對緩慢升壓的爆破壓力如何變化，有無變化規(guī)律也未見相關(guān)報(bào)道。本文采用不同可燃介質(zhì)、不同初始壓力，試驗(yàn)研究不同升壓速率下反拱帶槽型爆破片的爆破壓力變化，以獲得爆破壓力增加率與升壓速率之間關(guān)系，可為爆破片在急速升壓設(shè)備上的應(yīng)用提供參考，同時(shí)為外壓容器在急速升壓工況的安全設(shè)計(jì)提供幫助。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)產(chǎn)品

1.1 試驗(yàn)裝置

圖2 DN200爆破片急速升壓爆破試驗(yàn)裝置及現(xiàn)場

對DN200爆破片的急速升壓試驗(yàn)在圖2所示的U型管式爆炸容器中進(jìn)行，對DN150爆破片的急速升壓在圖3所示的小型試驗(yàn)容器中進(jìn)行(DN150產(chǎn)品的急速升壓爆破試驗(yàn)在早期進(jìn)行)。

圖3 DN150爆破片急速升壓爆破試驗(yàn)裝置及現(xiàn)場

急速升壓爆破試驗(yàn)裝置包括：爆炸容器、起爆箱和電腦數(shù)據(jù)采集。壓力采集采用高頻壓力變送器，采集頻率1 MHz/s，量程為6 MPa，另有火花塞點(diǎn)火頭及用于配氣的壓力傳感器。為了提高升壓速度，在試驗(yàn)中采用雙火花塞點(diǎn)火(如圖3所示)。

1.2 試驗(yàn)產(chǎn)品

試驗(yàn)所用產(chǎn)品為反拱十字槽型爆破片，產(chǎn)品規(guī)格型號及參數(shù)見表1，產(chǎn)品照片見圖4。

表1 試驗(yàn)所用爆破片型號及參數(shù)

(a)DN150反拱帶槽型爆破片

(b)DN200反拱帶槽型爆破片

圖4 試驗(yàn)所用兩種規(guī)格型號的爆破片

在靜態(tài)緩慢升壓下，對試驗(yàn)爆破片多次抽樣爆破結(jié)果顯示，爆破壓力偏差小于1%，表1中爆破壓力采用抽樣獲得的爆破壓力平均值，爆破壓力升壓速度滿足GB 567.1—2012《爆破片安全裝置 第1部分：基本要求》中爆破片爆破試驗(yàn)的規(guī)定，稱為靜態(tài)爆破壓力。本文所有壓力均為表壓。

1.3 試驗(yàn)介質(zhì)

為了得到不同升壓速率下爆破片的爆破壓力，分別采用兩種不同升壓方法對爆破片加壓爆破：一種是采用壓縮空氣在不同進(jìn)氣速率下加壓爆破，升壓速度較慢；另一種是采用可燃介質(zhì)爆燃升壓方法對爆破片加壓爆破。本試驗(yàn)分別采用甲烷-空氣和乙炔-空氣的混合物在不同配比濃度、不同初始壓力下點(diǎn)火爆燃，以獲得不同的升壓速率，這種加壓方法可獲得非常高的升壓速率，且試驗(yàn)中采用高頻壓力傳感器記錄壓力-時(shí)間曲線及爆破壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果

采用壓縮空氣在較小爆破氣腔內(nèi)，采用不同進(jìn)氣速度實(shí)現(xiàn)升壓爆破；在上述U型管爆炸裝置中采用甲烷-空氣、乙炔-空氣混合點(diǎn)火爆炸，實(shí)現(xiàn)爆炸急速升壓，獲得了不同升壓速率下爆破片的爆破壓力。對于采用控制進(jìn)氣速度，用壓縮空氣進(jìn)行爆破試驗(yàn)，由于受閥門進(jìn)氣量控制，升壓速度總體較慢，未見爆破壓力變化；對化學(xué)反應(yīng)的爆炸升壓，爆燃升壓時(shí)間極短，從零點(diǎn)幾毫秒到數(shù)十毫秒，試驗(yàn)顯示爆破壓力發(fā)生顯著變化。

(a)

(b)

圖5 靜態(tài)爆破壓力0.73 MPa下爆破片在甲烷-空氣混合介質(zhì)中的爆破壓力-時(shí)間曲線(圖2試驗(yàn)裝置)

(a)

(b)

圖6 靜態(tài)爆破壓力0.73 MPa下爆破片在乙炔-空氣混合介質(zhì)中的爆破壓力-時(shí)間曲線(圖2試驗(yàn)裝置)

本文分別選取了DN200爆破片在圖2試驗(yàn)裝置下獲得的2組甲烷-空氣爆燃時(shí)間曲線和2組乙炔-空氣的爆燃升壓時(shí)間曲線如圖5,6所示，還選取了DN150爆破片在圖3試驗(yàn)裝置上獲得的甲烷-空氣在不同初始壓力下的爆燃升壓時(shí)間曲線，如圖7所示。

(a)

(b)

圖7 靜態(tài)爆破壓力0.9 MPa下爆破片在甲烷-空氣混合介質(zhì)中的爆破壓力-時(shí)間曲線(圖3試驗(yàn)裝置)

根據(jù)升壓時(shí)間曲線，獲得了升壓速率X。本文壓力升高速率(簡稱升壓速率)取為壓力-時(shí)間曲線斜率最大的直線段數(shù)值，升壓速率計(jì)算公式如下：

(1)

將上述不同的爆破試驗(yàn)工況獲得的爆破片爆破壓力及計(jì)算得出的升壓速率列于表2。

表2 不同升壓速率下反拱帶槽型爆破片爆破壓力變化值

由表2可以看出，采用U型管試驗(yàn)裝置，在不同初始壓力下，甲烷-空氣點(diǎn)火爆燃的升壓速率總體不大，從快速升壓到爆破的時(shí)間一般十幾毫秒到幾十毫秒，最大升壓速率一般不超過100 MPa/s，爆破片爆破壓力升高增加倍數(shù)一般不超過1.4倍。但采用乙炔-空氣在U型管內(nèi)點(diǎn)火爆炸試驗(yàn)，當(dāng)點(diǎn)火點(diǎn)離爆破片距離較遠(yuǎn)時(shí)，火花塞安裝在U型管的高管上端，爆破片安裝在低管端，點(diǎn)火后火焰?zhèn)鲗?dǎo)到爆破片處，可燃?xì)怏w受到明顯預(yù)壓縮作用，即開始升壓速率不高，但在后來卻發(fā)生急速增加，壓力-時(shí)間曲線幾乎是垂直的，此段升壓速率極大，突變段的時(shí)間大約只有零點(diǎn)幾毫秒，此時(shí)爆破片的爆破壓力相對靜態(tài)爆破壓力也發(fā)生了極大變化，增加了數(shù)倍。圖3所示容器容積較小，升壓速率隨初始壓力的增加而明顯增大。

將表2中數(shù)據(jù)處理成爆破壓力增加倍數(shù)Y與升壓速率X的關(guān)系曲線時(shí)發(fā)現(xiàn)，升壓速率不高時(shí)對爆破壓力的影響和極高升壓速率對爆破壓力的影響曲線明顯不同，前者Y與X之間關(guān)系基本近似為乘冪關(guān)系，后者Y與X基本近似為線性關(guān)系，所以擬合的曲線應(yīng)分段處理。當(dāng)升壓速率不高時(shí)，爆破壓力的增加倍數(shù)Y與升壓速率X之間關(guān)系曲線如圖8所示；當(dāng)升壓速率極高時(shí)，爆破壓力增加倍數(shù)Y與升壓速率X之間的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖8 較低升壓速率X與急速升壓下爆破片爆破壓力增加倍數(shù)Y之間關(guān)系曲線

圖9 極高升壓速率X與急速升壓下爆破片爆破壓力增加倍數(shù)Y之間關(guān)系曲線

將圖8,9曲線擬合成升壓速率對爆破壓力影響的關(guān)系式，如式(2)，(3)所示。

當(dāng)升壓速率不太高時(shí)，升壓速率X與爆破壓力增加倍數(shù)Y之間關(guān)系式為：

Y=1.01X0.067

(2)

當(dāng)升壓速率極高時(shí)，升壓速率X與爆破壓力增加倍數(shù)Y之間關(guān)系式為：

Y=3×10-4X+1.36

(3)

式中Y——反拱帶槽型爆破片爆破壓力增加倍數(shù)；

X——系統(tǒng)升壓速率，MPa/s。

試驗(yàn)未能確定升壓速率達(dá)到多少時(shí)，上述曲線由乘冪關(guān)系變?yōu)橹本€關(guān)系，但由上述兩個(gè)關(guān)系式可以保守推測出：當(dāng)升壓速率不超過500 MPa/s時(shí)，升壓速率對爆破壓力的影響近似遵循乘冪關(guān)系，并且可以預(yù)測升壓速率低于500 MPa/s時(shí)，爆破壓力增加倍數(shù)一般不會超過1.5倍；當(dāng)升壓速率低于0.9 MPa/s時(shí)，可以不考慮升壓速率對爆破壓力的影響；當(dāng)升壓速率高于500 MPa/s，爆破壓力增加倍數(shù)與升壓速率近似成線性關(guān)系。

試驗(yàn)的壓力-時(shí)間曲線表明，反拱帶槽型爆破片對急速升壓動態(tài)響應(yīng)性非常好，可以達(dá)到毫秒級，即不管升壓速率多高，爆破片會在毫秒時(shí)間內(nèi)發(fā)生爆破泄壓；盡管爆破片動態(tài)響應(yīng)性很好，但爆破片依然遵循構(gòu)件動態(tài)破壞壓力會隨升壓速率增加而增大的規(guī)律，會高于靜態(tài)破壞壓力；對爆破片而言，急速升壓的爆破壓力會明顯高于爆破片銘牌給出的靜態(tài)爆破壓力，所以當(dāng)爆破片用于對爆破壓力有限制的急速升壓系統(tǒng)時(shí)，必須考慮升壓速率對爆破壓力的影響。

3 結(jié)論

本文研究了反拱帶槽型爆破片對急速升壓的動態(tài)響應(yīng)性，以及不同升壓速率對反拱帶槽型爆破片爆破壓力的影響，得到如下結(jié)論。

(1)反拱帶槽型爆破片對各種升壓速率動態(tài)響應(yīng)性非常好，即使在極高升壓速率下，爆破片響應(yīng)時(shí)間在毫秒內(nèi)而快速發(fā)生爆破泄壓。

(2)升壓速率對反拱帶槽型爆破片爆破壓力有明顯影響，并且影響是分段的，即：

①當(dāng)升壓速率不高于0.9 MPa/s時(shí)，爆破壓力不受升壓速率影響，即緩慢靜態(tài)升壓下爆破壓力保持恒定;

②當(dāng)升壓速率不高于500 MPa/s時(shí)，升壓速率與爆破壓力增加倍數(shù)基本成指數(shù)關(guān)系，可以預(yù)測此時(shí)爆破壓力增加倍數(shù)不超過1.5倍;

③當(dāng)升壓速率超過500 MPa/s時(shí)，升壓速率與爆破壓力增加倍數(shù)基本成線性關(guān)系，爆破壓力隨著升壓速率成線性增加，當(dāng)升壓速率極高時(shí)，爆破壓力會增加數(shù)倍。