爆破片的選型研究

謝 浩，于洪康

（中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306）

0 引言

爆破片是一種在設定壓力下爆破后不可再閉合的壓力泄放元件，能在設定的爆破溫度和壓力下即刻動作并泄放壓力。爆破片可以對急劇升高的壓力迅速作出反應，具有泄放面積大、動作靈敏、精度高、密封性好、耐腐蝕和不易堵塞等優點。爆破片作為一種新型的安全泄壓元件，已經被廣泛應用在各行各業的壓力設備和系統。

1 爆破片的工作原理和類型

1.1 工作原理

爆破片發生爆破泄壓后不能恢復閉合，無法重復使用。爆破片處在一定的爆破溫度環境中，當爆破膜片兩側的壓力差值達到設定值時，就會即刻發生破裂或脫落并泄放出流體介質，發揮安全泄壓保護的功能。爆破片需要安裝在和其配套的夾持器中以組成一套完整的爆破片裝置，并將整套爆破片裝置安裝到設備上設計好的密封泄壓位置，實現對設備的密封和泄壓保護。當設備內發生超壓且其壓力上升至爆破片設計的爆破壓力時，爆破片發生破裂或脫落形成一條壓力泄放通道，將超壓介質安全泄放。發生動作后的爆破片無法再閉合，需要更換新的爆破片來恢復設備的密閉狀態。

爆破片的結構比較簡單，具有動作靈敏可靠、密封性好、泄放能力強、適用溫度范圍廣和維護方便等特點，可以在腐蝕或粘稠的工藝環境下可靠地工作。根據爆破片的性能特點，它主要適用于：工作介質粘稠或易于聚合的場所；系統內的壓力瞬間會急劇升高的場所；工作介質為貴重或毒性氣體的場所；工作介質的腐蝕性很強的場所；需要與安全閥組合使用時；當操作溫度過低影響安全閥正常工作時。爆破片不適合用于設備經常超壓或溫度波動過大的場合。當容器內的介質為液體時也不宜選用反拱型爆破片，因為超壓液體的能量不足以使反拱型爆破片失穩翻轉爆破。

1.2 類型

爆破片按照結構型式可以分為正拱形爆破片、反拱形爆破片和平板型爆破片三大類。

（1）正拱形爆破片的系統壓力作用于爆破片的凹面，凸面均朝向泄壓一側，動作時爆破片發生拉伸破裂（圖1）。它又可以細分為正拱普通型、正拱帶槽型和正拱開縫型3 種形式，可用于氣體或液體介質的泄放。

圖1 正拱開縫型爆破片

（2）反拱形爆破片的系統壓力作用于爆破片的凸面，凹面均朝向泄壓一側，動作時爆破片發生壓縮失穩翻轉，致使其破裂或脫落（圖2）。反拱形爆破片不宜用在設計爆破壓力較高的場合，壓力太高會因爆破片厚度過大，導致失穩反轉后難以立即致破。它又可以細分為反拱刀架型、反拱鱷齒型、反拱帶槽型和反拱開縫型4 種形式，主要用于氣相介質的泄放。

圖2 反拱十字槽型爆破片

（3）平板型爆破片的系統壓力作用于爆破片的平面，受力后逐漸變形起拱，達到額定壓力拉伸破裂。它又可以細分為平板普通型、平板開縫型和平板帶槽型3 種形式，可用于氣體和液體介質的泄放。

按照材料，爆破片還可以分為金屬爆破片、非金屬爆破片和金屬復合非金屬爆破片三大類型。

2 爆破片的選型

爆破片的爆破壓力受爆破溫度影響較大，同時還受到工作介質狀態、系統壓力和工藝過程等因素的影響。因此在爆破片選用時，需要綜合考慮多個影響因素，針對所保護的設備正確合理地選用。

首先需要確定爆破片的爆破溫度和爆破壓力，在確定了爆破溫度和爆破壓力參數后，接下來便可以根據介質狀態、系統壓力、工藝過程、爆破片的設置方式和泄放口徑等因素，來選用合適的爆破片裝置。

2.1 爆破溫度

爆破溫度是指爆破片達到爆破壓力時爆破膜片的溫度。通常爆破片的材料強度會隨著溫度的升高而降低，所以爆破片的爆破壓力也會隨著溫度的升高而下降，因而爆破溫度要根據爆破片安裝處的準確溫度來確定。爆破片的材料主要是根據爆破溫度和其所接觸的介質腐蝕性來選擇。金屬材料是應用最廣泛的爆破片材料，但是不同金屬材料所適用的工作溫度范圍差別較大，選用時需要確認金屬材料的溫度適用范圍。石墨等非金屬爆破片材料則主要應用在一些存在腐蝕性的場合（表1）。

表1 各種材料爆破片的最高使用溫度 ℃

2.2 爆破壓力

爆破壓力是指爆破片打開瞬間的系統壓差值，其與系統最大工作壓力及爆破片制造范圍和爆破溫度相關（圖3）。

圖3 爆破壓力與系統壓力關系

爆破壓力計算公式：

其中，Pb為設計爆破壓力（確定爆破壓力），Pbmin為最小爆破壓力，Pbmax為最大爆破壓力。

由于薄的爆破片金屬材料對于蠕變較為敏感，在高應力狀態下，如拉伸型爆破片，即使常溫也會發生蠕變，長時間工作將使爆破壓力下降。為了保證爆破壓力穩定，必須控制蠕變速率，即限制爆破片的最大工作壓力與最小爆破壓力的比率。不同型式爆破片的最大工作壓力（Pw）與最小爆破壓力（Pbmin）的比率關系見表2。

表2 各種型式爆破片的最小爆破壓力

爆破壓力允差是指爆破片實際爆破壓力與設計爆破壓力之間的最大允許偏差，爆破片的實際爆破壓力均應在爆破壓力允差范圍內（表3）。

表3 爆破片的爆破壓力允差范圍

2.3 爆破片型式選擇

在開展爆破片選型時首先需要根據系統或設備的工作溫度和壓力范圍，來確定爆破片的爆破溫度和爆破壓力參數，在這兩個參數確定后再依據系統或設備是否存在真空或背壓情況，來判斷是否需要選用帶真空支架的爆破片，最后再根據操作壓力比、工作介質相態、是否會引起撞擊火花和爆破時有無碎片等因素來確定爆破片的最終型式。

通過上述方法篩選出的爆破片有時可能還會有多種類型或規格，這時往往還需要從爆破片的經濟性和抗疲勞性能方面進行綜合比較，從中選出最為經濟可靠的。通過比較各種類型爆破片的操作壓力比，可以得知在3 種類型爆破片中反拱型爆破片的操作壓力比最高。這意味著在相同的爆破壓力設定值下，采用正拱型或平板型爆破片的設備的設計壓力值需要設定的更高，進而導致設備投資成本增加。根據各種型式爆破片的操作壓力比、抗疲勞性能和爆破性能等，可以列出爆破片選型參考表（表4）。

表4 爆破片選型參考表

3 結束語

爆破片作為一種特種設備安全泄壓保護附件，其正確選型對設備的安全可靠運行至關重要。通過對爆破片結構形式、工作特點和主要性能參數的分析研究，明確了各種類型爆破片的適用環境和工作場合，并提出在安全可靠的前提下經濟合理地選用爆破片的步驟和方法。