氣體絕緣開關用反拱形爆破片損傷后性能變化試驗研究

李 岳 于開順 張興和 李 典 喻友良 朱永江 姜一昌

（1.大連理工大學化工機械與安全學院；2.大連度達理工安全系統有限公司）

氣體絕緣開關設備是一種內置電氣開關的壓力容器，容器內充滿SF6氣體；當開關動作時，會釋放巨大電弧熱能，SF6氣體因吸熱而膨脹，設備內的壓力會快速升高，如果壓力超過設備的允許壓力， 設備就可能因超壓而發生爆炸事故，所以該類設備必須安裝爆破片安全裝置以防止設備超壓， 爆破片安全裝置是一種壓力泄放裝置。當爆破片兩側壓力差達到預定溫度下的預定值時，爆破片即刻破裂或脫落，泄放出壓力介質。 爆破片主要用在氣相、液相和易爆粉塵的設備或封閉腔體上，凡是在封閉空間內有可能出現超壓工況的，均應設置爆破片或其他泄壓裝置，通過泄壓裝置動作將封閉空間內的超壓介質泄放出去，使設備內壓力降下來，保護設備或建筑物不受超壓破壞［1～3］。爆破片安全裝置的優點是：動作靈敏、準確、可靠、無泄漏，適合急速超壓泄放；排放面積大小不限，適應面廣（如高溫、高壓、真空及強腐蝕等）；結構簡單、維護方便等。 缺點是：爆破片是一種非重閉型泄壓裝置， 爆破片超壓破裂后，再也無法重新關閉，介質將完全損失。

對于爆破片安全裝置， 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。 從受力破壞形式上分為：拉伸破壞型爆破片 （正拱形和平板形爆破片）和失穩破壞型爆破片（反拱形爆破片）。

拉伸破壞型爆破片，膜片內為拉應力，拉應力達到膜片抗拉極限時，爆破片爆破；失穩破壞型爆破片，膜片內為壓縮應力，當膜片內壓縮應力達到失穩臨界應力時，爆破片失穩翻轉破壞［4～6］。

反拱形爆破片是壓縮失穩破壞型爆破片，在各種爆破片類型中，其急速升壓動態響應、耐疲勞性及使用壽命等性能是最好的，在工程中得到了廣泛的應用。 盡管反拱形爆破片具有其他兩種類型爆破片不具有的獨特優點，但也有非常突出的缺點：夾緊部位的邊界約束強弱和拱形球面的完好性對壓縮失穩壓力有非常大的影響，特別是拱形球面受到損傷后， 會導致失穩壓力明顯降低，大幅縮短了爆破片的使用壽命［7～9］。 反拱形爆破片拱形結構不同，其破壞特點也不同，常見類型有反拱帶刀（鱷齒）型爆破片、反拱十字槽型爆破片及反拱環槽型爆破片等，目前絕大多數電力開關所用的爆破片形式為反拱十字槽型爆破片，它是一種靠翻轉慣性力自破裂的爆破片，不僅具有反拱形爆破片特點，還具有泄放口徑大、無碎片、流阻小、不需要外界輔助結構使之破裂的特點［10，11］。 筆者試驗研究了反拱十字槽型爆破片在拱面受到不同的損傷后的性能變化特點，為工程應用提供警示和幫助。

1 試驗用爆破片結構形式

目前國內電力開關所用的反拱十字槽型爆破片結構有兩種，一種是單片爆破片結構，另一種是爆破片與夾持器焊接一體成套結構。 在進行試驗研究時，對于單片爆破片，電力開關上加工有滿足反拱形爆破片夾持要求的結構，爆破片安裝后采用法蘭、螺栓夾緊，爆破片和夾持結構如圖1a 所示； 對于爆破片與夾持器焊接一體的成套結構，在設備上的夾持結構如圖1b 所示。 比較這兩種結構爆破片，單片爆破片由于沒有外面的夾持器保護，在搬運中更易受到損傷，并且對邊界夾緊要求更嚴，但成本低，價格便宜；而與夾持器焊接一體的爆破片，爆破片在夾持器中受到夾持器的保護，另外爆破片與夾持器邊緣是焊接約束，對法蘭螺栓夾持扭矩可以不做嚴格要求。 筆者分別對兩種結構爆破片受到不同形式損傷時的性能變化進行了研究，研究所用爆破片型號與結構列于表1。

圖1 氣體絕緣開關常見兩種爆破片安裝夾持結構

表1 研究損傷對爆破片性能影響選用的爆破片規格型號

2 爆破片損傷后性能變化試驗

爆破片是一種精密的超壓泄放元件，要求爆破片必須受到良好的保護， 特別是反拱形爆破片，拱面受到損傷將對其性能有顯著影響，嚴重損傷會使其爆破壓力下降50%以下，因此，不允許爆破片拱面受到人為的有意或無意損傷；當爆破片安裝在戶外設備上時， 必須有良好的防護罩，防止雨、雪或冰雹落到爆破片表面，對爆破片造成冰凍損傷或撞擊損傷。 對于爆破片受到冰凍損傷，多發生在中原和南方的冬季；這些地區冬季白天溫度往往在0℃以上， 而夜晚溫度又經常在0℃以下，發生冰凍。 如果爆破片防護不好，雨、雪會積聚在爆破片的凹面，白天冰雪融化，夜晚又會冰凍，而水冰凍時會發生膨脹，這樣反復冰凍、融化，爆破片凹面受到反復的膨脹力作用，數次之后爆破片拱形就會發生變形或沿槽破裂，導致爆破片承壓或爆破壓力顯著降低。 因此，筆者人工模擬單片爆破片和爆破片與夾持器焊接一體結構的損傷，并對損傷后的爆破片進行性能變化試驗。

2.1 試樣制備

模擬單片爆破片（YC102-1.15-20）的兩種損傷方式（按每種損傷方式做2 片試樣）：

a. 模擬未拿住，爆破片從高約1.2m 位置掉落到硬物尖角上， 造成爆破片拱面損傷 （圖2a）；

b. 采用插口扳手敲擊爆破片拱形球面中間位置，使拱面形成凹坑狀損傷（圖2b）。

模擬爆破片與夾持器焊接一體結構（YCH50-0.8-90）的兩種損傷方式：

a. 用重量為70g，長為140mm，寬為36mm，厚度為1.8mm 的金屬板從一定高度H（30、55、75、75mm） 掉落到與夾持器焊接一體爆破片的凹面或凸面上，模擬對爆破片形成的損傷（圖3a）；

圖2 單片爆破片（YC102-1.15-20）的兩種損傷方式

b. 在爆破片凹面和夾持工裝內裝入高度約30mm 的水，然后冰凍、融化反復5 次，模擬對爆 破片形成的損傷（圖3b）。

圖3 爆破片與夾持器焊接一體結構（YCH50-0.8-90）的兩種損傷方式

2.2 加壓爆破試驗

對試樣進行加壓爆破試驗以研究爆破片損傷后的性能變化。 圖4 為單片爆破片YC102-1.15-20 兩種損傷后的爆破開裂形態。將不同方式損傷后單片爆破片爆破壓力和爆破壓力變化率列于表2。

圖4 單片爆破片不同損傷后的爆破開裂形態

表2 單片爆破片在不同損傷方式和損傷程度下的性能變化

圖5 為爆破片與夾持器焊接一體結構受到兩種損傷后的爆破開裂形態。 圖5a 為金屬板從55mm 高度掉落損傷后爆破片的爆破開裂形態（1/4 開裂）。 金屬板從不同高度掉落，對爆破片損傷后的爆破壓力和下降率見表3。 爆破片冰凍損傷后，當承壓達到額定爆破壓力的50%時，爆破片尖頂處發生明顯凹陷變形， 并沿槽出現裂縫，發生氣體泄漏，變形如圖5b 所示。

圖5 爆破片與夾持器焊接一體結構損傷后的爆破開裂形態

表3 與夾持器焊接一體爆破片掉落損傷后的性能變化

3 結論

3.1 反拱形爆破片拱面損傷會嚴重影響爆破片的性能，造成失穩爆破壓力降低，損傷越嚴重壓力下降越厲害； 而爆破壓力的降低又會造成爆破片無法沿槽四瓣全開， 大多數僅能開裂一條縫。

3.2 反拱形爆破片拱面頂部受到的損傷對其性能的影響遠大于拱面中下部受到的損傷，即反拱形爆破片拱面頂部的損傷會使爆破壓力降低程度遠大于相同的損傷發生在拱面的中下部。

3.3 反復的冰凍與融化會使爆破片受到嚴重損傷，會明顯影響爆破片性能，爆破片必須受到嚴密防護，杜絕爆破片泄壓側積聚雨、雪、冰雹等。