石墨型爆破片結構設計及計算

摘 要:簡述了石墨型爆破片的常用結構，通過實際應用及理論分析推薦兩種較好的爆破片結構。分析石墨型爆破片的工作原理及影響爆破片性能的因素，通過試驗研究推導出石墨型爆破片爆破壓力的實際計算公式。

關鍵詞:石墨 爆破片 爆破壓力 剪切 拉伸 結構 計算

中圖分類號:TB41文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0002-03

Graphite bursting disc structure design and calculation

LI Xin-dong， GONG Sheng-qiang，SU Gui-yu，XU Wen-bin，WU Chang-ba-tuo

(Dalian Ligong Safety Equipment Co.， Ltd.，Dalian，Liaoning，116620)

Abstract:Briefly state the common structure of graphite bursting disc， and recommends two kinds of bursting disc structure through practical application and theoretical analysis. Analyze the theory of graphite bursting disc and the factors which affect the bursting disc performance， and derive the actual formula of burst pressure via the testing of graphite bursting disc.

Key Words:graphite; bursting disc; burst pressure; shearing; stretching; structure; calculation

石墨型爆破片主要是以石墨材料為基體的爆破片裝置，耐腐蝕性能好，適用于各種腐蝕性較強的介質，膜片爆破后能提供較大的泄放面積，動態響應特性優異，適應急速相變超壓、氣相化學燃爆超壓及粉塵燃爆超壓工況，廣泛應用于石油、化工、能源及冶金等行業。

1 石墨型爆破片的結構

爆破片裝置分為正拱形、反拱形、平板形和石墨型四個類別，石墨型爆破片按照結構又分為石墨可更換型和石墨不可更換型。

1.1 石墨可更換型爆破片

爆破片一般加工成平板形，與夾持器配合使用，在剪應力或彎曲應力作用下爆破，如圖1所示。

1.2 石墨不可更換型爆破片

爆破片由整塊石墨加工而成，不需要夾持器，直接與法蘭配合安裝，如圖2所示。爆破片可用外加強環進行加強，在受壓側可設置密封膜。

1.3 結構選擇

由于石墨是一種脆性材料，其工作機理主要是剪切破壞，所以爆破片的爆破壓力和材料的許用剪切應力[τ]、泄放口徑D和石墨剩余厚度s有關。而石墨型爆破片大部分使用在爆破壓力較低場合，石墨爆破片加工剩余厚度s相對較小，輕微的損傷對石墨的爆破壓力都有較大影響，所以對夾持、組裝和安裝要求比較高。

在石墨型爆破片常用的四種結構中，石墨可更換型爆破片和單向加工平面的不可更換型爆破片對夾持器或法蘭夾持面的光潔度、平面度、同心度及尺寸要求較高;上下加工平面和凹槽面不可更換型爆破片不靠夾持器夾持，控制壓力的剪切面又距離夾持面較遠，這就減少了膜片遭受損傷的幾率，所以常用的是上下加工平面和凹槽面結構。

2 石墨型爆破片設計計算試驗研究

通過大量石墨型爆破片制造經驗，石墨型爆破片的爆破壓力Pb和s/D(剩余厚度/泄放口徑)并非簡單的正比關系，而且當泄放口徑D一定，石墨剩余厚度s小到一定程度時，對于細結構石墨和中粗石墨兩種具有不同材料強度的爆破片，其爆破壓力幾乎一致。

為了讓爆破片設計人員有依可據，同時為了減少石墨型爆破片的加工難度，深入研究石墨型爆破片的設計計算公式勢在必行。

2.1 試驗研究方案

2.1.1 材料

試驗采用細結構石墨和中粗石墨兩種材料。同一試驗采用的石墨必須為同一爐號、具有相同的材料組成、同一成型、煅燒和浸漬工藝，且具有一定代表性。

2.1.2 結構

試驗采用的石墨型爆破片為上下加工平面(圖2b)及上下加工凹槽面(圖2c)兩種結構。

2.1.3 試驗研究方案

加工不同泄放口徑D及剩余厚度s的石墨型爆破片，記錄爆破片的爆破壓力Pb。整理爆破壓力Pb和s/D的關系曲線，推導石墨型爆破片的設計計算公式或方法。

2.2 試驗研究過程及記錄

2.2.1 上下加工平面石墨型爆破片

取同爐批、相同煅燒和浸漬工藝、不同口徑、不同剩余厚度的中粗石墨和細結構石墨分別制造上下加工平面石墨型爆破片進行爆破試驗，具體試驗數據如表1和表2。

2.2.2 上下加工凹槽面石墨型爆破片

取同爐批、相同煅燒和浸漬工藝、不同口徑、不同剩余厚度的中粗石墨和細結構石墨分別制造上下加工凹槽面石墨型爆破片進行爆破試驗，具體試驗數據如表3和表4。

2.3 試驗研究結論

分別對表1、表2、表3和表4數據進行整理分析，得到Pb與s/D關系曲線如圖3。

由上述關系曲線可得到爆破壓力計算公式如下:

上下加工平面中粗石墨爆破片的爆破壓力計算公式為:

(1)

上下加工平面細結構石墨爆破片的爆破壓力計算公式為:

(2)

上下加工凹槽面中粗石墨爆破片的爆破壓力計算公式為:

(3)

上下加工凹槽面細結構石墨爆破片的爆破壓力計算公式為:

(4)

式中 Pb—— 爆破壓力(MPa)

s—— 剩余厚度(mm)

D—— 泄放口徑(mm)

3 結語

以往，我們對石墨型爆破片的理解為膜片受力后發生純粹的剪切破壞，但是通過試驗研究發現，石墨型爆破片在受力后，整個膜片發生拉伸而變形，也就是石墨型爆破片在破壞之前受到拉伸和剪切的雙重作用。當膜片剩余厚度相對較小時，膜片受到的拉伸力起主導作用，石墨爆破片反映出來的強度較低;當膜片剩余厚度相對較大時，膜片受到的剪切力起主導作用，石墨爆破片的強度就較高。

當爆破壓力較高時，建議選擇上下加工凹槽面結構，爆破片受壓后基本不發生拉伸變形，可以提高產品的耐疲勞性能。當爆破壓力較低時，可以選擇上下加工平面結構，有效提高石墨剩余厚度，減少加工難度。

石墨型爆破片常用的材料都是人造石墨，也就是特種石墨，按其成型方式分為等靜壓石墨、模壓石墨和擠壓石墨。擠壓石墨一般做電極使用，等靜壓石墨和模壓石墨可以制造爆破片。

由于每批石墨的成型、顆粒、煅燒和浸漬都不相同，無法保證所有石墨強度一致，本文中推導出來的計算公式只適合本試驗購買的石墨，正常生產石墨型爆破片的尺寸及爆破壓力只有通過試驗和檢驗來保證。

參考文獻

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