爆破片装置

爆破片装置（精选3篇）

爆破片装置 篇1

1 引言

爆破片装置是由压差驱动、非自动关闭的紧急超压泄放装置, 它由爆破片组件、夹持器组合而成。爆破片是装置中的压力敏感元件, 夹持器是将爆破片固定的部件。爆破片 (压力敏感元件) 在设定的爆破压力下破裂, 可达到安全泄放的目的。

近年来在石化等行业中爆破片装置使用出现如下缺点:爆破压力较低, 不适用中、高压承压特种设备;难在压力脉动条件下使用, 不能串联在安全阀上组合使用;不能在全液态介质工况使用;不能承受真空压力;标定爆破压力准确率较低 (一般为80%) ;抗疲劳性能较差;爆破后易产生碎片 (易造成人员伤亡和设备损坏) 。

针对上述问题和市场需求, 研制了一种新型爆破片装置, 即反拱环槽型爆破片装置, 从结构上对爆破片进行了优化设计, 采用反拱环槽压痕方法解决了爆破片使用中产生的一些问题, 扩大了爆破片使用范围, 提高了其使用性能。

2 结构设计

设计主要从爆破片适用范围、使用性能两个方面考虑: (1) 适用工况条件:如气、液相介质、脉冲压力波动、与安全阀串联使用、承受真空压力; (2) 使用性能:如爆破后不产生碎片, 具有抗疲劳性能, 标定爆破压力准确率较低。由原产品结构来分析问题产生的原因, 并进行优化设计, 制定新型爆破片设计方案。

新型环槽型爆破片结构为反拱环槽型, 是在预拱爆破片的受压面的一侧, 夹持口径外周有马蹄状环形压痕, 环形压痕开口为60°的缺口。在出口侧将加强环与预拱爆破片组装在一起 (如图1) 。

对该设计结构在法兰不与刀架焊接情况下按爆破片不同拱高进行试验, 结果为:反转后的拱高远大于原拱高;在爆破压力高的区域发生剪裂, 甚至全部剪断飞出。

压痕的位置, 理论上越接近转角R越好, 爆破片不被夹持面夹住, 又不能破裂。

防护垫的设置, 在膜片的爆破试验中, 发现在爆破过程中有个别的膜片在爆破后反转, 仍有部分会沿压痕处撕裂飞出, 因此须增加防护垫环, 形状如图1。

优化设计后使该爆破片装置标定爆破压力提高到95%, 也可降低爆破片的标定爆破压力。其抗疲劳性好, 爆破后不易产生碎片, 可承受真空压力, 可与安全阀串联后使用, 可适用液态或气态介质。

3 爆破计算

(1) 对环槽型爆破片装置结构[1]

式中, PB为爆破压力, MPa;E为材料的弹性模量, MPa;δ为材料厚度, mm;R为曲率半径, mm。

式中, D为夹持口径, mm;H为拱高, mm。

(2) 系数K的修正

式 (1) 中, K为与材料应变硬化程度有关的系数。由于沿转角R处增加了压痕工艺, 使爆破片在夹持器夹持的状态下爆破片转角处的支撑力降低, 致使在同一料厚、同一夹持口径及同一拱高H的情况下, 爆破压力有所降低。这样在设计计算时需要考虑材料的修正系数K值, 修正值依靠试验数据获得。

4 爆破试验

4.1 试验1

爆破片材料SUS316L[2];设定爆破压力PB=1.99MPa;爆破温度20℃;泄放口径D=150mm。H=D/6=25mm, E=195×103MPa。由式 (2) 计算, R=125mm。由式 (1) 计算, δ=0.66mm, 取爆破片材料厚度δ=1mm。

4.2 试验2

爆破片材料SUS316L, 设定爆破压力PB=0.8MPa, 设定爆破温度20℃, 夹持口径D=250mm。H=D/6=41.7mm, E=195×103MPa。

根据经验, 式 (1) 转化为:

由式 (2) 计算得:R≈208.33。

由式 (1) 计算得:δ=0.70mm, 取爆破片材料厚度1mm。

上述试验验证了以下结论:

(1) 经过数十次试验证明, 反拱环槽型式爆破片的材料厚度与拱高成正比。一样的材料厚度、拱高, 用相同的加工工艺, 爆破片的爆破压力是稳定的。

(2) 试验表明, 爆破片的开启完整, 安全泄放量可以满足夹持口径要求。

(3) 压痕 (开槽) 深度以试验调试过程能够在翻转后自动破裂为准, 降低爆破片爆破压力压痕深取材料厚度的1/2左右。提高爆破压力的爆破片压痕深度通常约为材料厚度的1/3。

(4) 环槽型爆破片具备了反拱型爆破片的特点, 其爆破反转后能自动破裂。

(5) 环槽型爆破片在同一材料厚度下, 可实现爆破压力降低或升高, 可调整压痕在爆破片球缺边缘的距离, 利用模具破坏球缺的方法能得到爆破压力更低或更高的爆破片, 来降低或增加爆破片的抗失稳能力。降低爆破片拱形球面成型时材料的减薄量, 可进一步增加爆破片的抗失稳能力, 一般可提高系统工作压力达到标定爆破压力的95%。

5 结语

安全泄放装置爆破片在石油化工、冶金、能源中的锅炉、压力容器、压力管道及其工艺系统中作为特种设备安全保护装置已广泛使用, 新型反拱环槽型爆破片扩大了使用范围, 提高了爆破片产品的使用性能, 使其在压力脉动、爆破压力中、高承压特种设备、串联在安全阀上组合使用、在全液态介质中使用、承受真空压力等工况下使用成为可能。反拱环槽型爆破片满足了化工、冶金、能源等行业生产工艺设备安全保护需求, 具有推广意义。

参考文献

[1]导弹结构强度计算手册编写组.导弹结构强度计算手册[M].北京:国防工业出版社, 1978.

[2]GB24511-2009, 承压设备用不锈钢钢板及钢带[S].

[3]GB150-1998, 钢制压力容器[S].

爆破片装置 篇2

为了配合这一标准的更新以及结合爆破片制造的实际需求。在2011年, 国家质量监督总局发布了TSG ZF003-2011《爆破片装置安全技术监察规程》以及在2012年发布了新版的GB567《爆破片安全装置》国家标准。自此在法律, 法规以及技术层面对爆破片装置从制造基础技术要求, 型式试验, 制造, 应用等方面进行了规范。以保障了爆破片装置在压力容器设备上使用的安全性。

目前国内外爆破片装置的制造厂商, 在对产品进行宣传, 推荐选型, 制造, 应用方面除自身一些处于技术前沿的产品外, 均以各国发布的爆破片质量标准作为参考依据。在国际上, 有两种标准被广泛应用。一种是美国A S M E标准, 另一种是I S O标准。ASME标准中, 涉及到爆破片装置的主要是ASME VIII DIVISION1超压保护装置“OVERPRESSURE PROTECTION”以及相关的内容。在ISO标准中, ISO4126《超压安全保护装置》中的第2部分《爆破片装置》, 第六部分《爆破片装置的应用, 选择和安装》对爆破片装置进行了技术规范和管理, 其内容和结构较ASME规范更详细和清晰。我国的GB567在内容和结构以参照ISO4126为主。本文将ISO4126与GB567以及T S G法规进行比对, 以便相关技术人员参考, 选择。

本文主要对新G B567标准在细节与ISO4126标准不同的地方进行简要的说明。

1 标准的组成

G B567-2012共分为4个部分。分别为基本要求;应用, 选择和安装;分类和安装尺寸以及型式试验。ISO4126仅由2个部分组成, 分别是爆破片安全装置;爆破片装置的应用、选择和安装。

爆破片安全装置这部分中有关爆破片型式的一章在GB567中被节选出来, 并加以补充和完善形成GB567的组成部分之一。这些补充和完善主要反映出, 在ISO4126原爆破片基本型式的基础上进行了细化, 建立了4个大类, 13种基本型式的产品结构。并且对这4大类, 13种基本类型进行了命名规定。同时也类似的对爆破片夹持器结构进行了结构细化和命名规定。对爆破片安全装置的安装尺寸也从资料性附录的角度进行了规定。

I S O4126中爆破片装置的应用、选择和安装部分, 在GB567中被拆解成了两个重点内容:应用、选择和安装;型式试验。

2 涉及产品的覆盖范围以及职责

G B567在压力范围, 适用场合等方面限定了标准涉及的爆破片装置的适用范围, 同时也明确了不适用的范围。而ISO4126第二第六部分, 并没有区分对待。

GB567以及TSG ZF2003中明确了设计单位以及制造单位的承担的职责, 特别是在TSG ZF2003中阐明了爆破片设计工作应当由爆破片装置制造单位承担。GB567还对设计制造中, 必须产生、保存的文件和保存的时间进行了规定。而ISO4126中没有明确的相关控制点。

3 材料

在材料选用范围里, GB567采用了不同于ISO4126的控制方法。在GB567规定了常用爆破片和密封膜的材料, 以及这些材料的需用温度范围。在性能指标上以满足符合国家标准或行业标准为准, 并要求提供材质证明为依据。在使用前还必须进行复验。而在ISO4126中, 仅对材料的适用性做出了要求, 并且提出了材料选择标准表, 以便设计人员进行选择。其材料可选的范围比GB宽泛, 并且提供了明确的选型标准名称和国别, 体现出了作为国际标准的通用性。

4 设计与制造、测试、标识

G B567沿用了I S O4126所覆盖的设计范围和设计规则, 包括了爆破片设计, 爆破片夹持器设计, 连接要求设计, 背压托架, 温度屏蔽装置和密封垫 (圈) 的设计。其在进行背压托架设计时, 提出了具体的最大背压差数值和对背压试验的保压时间进行规定。其严格于ISO仅进行描述性要求。

I S O4126中没有明确的提出有关制造控制的这个概念。但在GB567中, 将ISO4126内的爆破片装置组件、标定爆破压力和检验内容归入了执照控制的范围, 并且进行了细化和明确的规定。

在制造这一章节中, GB567还规定了在制造前材料需要进行力学性能和化学成分供货状态的复检, 同时还需要进行工艺成形试验。这一点在ISO4126里也是没有要求的。在爆破试验抽样数量上, GB标准和ISO4126标准并没有存在太大的差异。但对于爆破压力允差, ISO4126-2给予了范围的描述性定义, ISO4126-6给予了典型公差范围的推荐数值。而新GB567标准将爆破压力允差的选择进行了上限数值型规定, 在标定数值的产生和批次合格判定外, 除了满足产品公差标准外, 也必须满足新国标所规定的压力偏差要求, 严于ISO标准。

在测试这一部分中, GB567也显示除了严格于ISO4126的特征。虽然有一些测试项目是可选的, 但仍然多于ISO所推荐的测试项目内容。同时其测试过程的控制点也多于ISO标准。

鉴于爆破片装置作为特种设备制造管理体系内的要求, 在产品标识时需额外打标制造许可证编号、型式认证许可标识、监检合格标识等特征性标识。

5 选择、安装和应用;型式试验

在两部标准中, “应用、选择和安装”都被单独列为一个部分, 进行了详细的描述, 并且给出了重要指标例如泄放面积的计算方法和参数选择规则, 这些规则和描述基本上是互为引用的。型式试验是GB标准的一个新增部分, 这部分是为了配合特种设备管理制度而编制的, 其内容主要是有关型式试验的项目, 试验的方法和结论的判定等。在I S O4126中, 除了流阻测试相关的内容, 其他内容并没有被提及。

综上所述, GB567新国标和TSG ZF2003监察规程其内容较ISO4126国际标准更丰富也更严格, 各制造企业, 过程装备企业或者石油化工应用企业只要严格按照GB567新标准进行爆破片安全装置的制造、选型和适用。则一定能够保证设备经济、安全的运行需要。

参考文献

[1]GB567-2012爆破片安全装置[S][1]GB567-2012爆破片安全装置[S]

[2]ISO 4126 Safety devices for protection againstexcessive pressure[S][2]ISO 4126 Safety devices for protection againstexcessive pressure[S]

[3]TSGZF2003-2011爆破片安全技术监察规程[S][3]TSGZF2003-2011爆破片安全技术监察规程[S]

呼吸器气瓶用爆破片性能研究 篇3

目前,常见爆破片主要结构形式有正拱形爆破片、反拱形爆破片和圆板形爆破片3类[2]。由于正拱形爆破片需要提前预压成型,且对成型压力必须严格控制,所以其加工难度大、制造成本高,无法被广泛使用;而反拱形爆破片同样需要预压成型且其爆破机理是通过爆破片的翻转和刀架的切割完成爆破泄压,其爆破压力主要由膜片厚度和拱形高度决定,如果膜片厚度过大,其失稳翻转后难以立即致破,所以其不适用于设计压力较高的场合[3,4]。圆板形爆破片是通过简单的薄板加工形成,无需提前预压成型,同时也无需相应切割刀具,具有结构简单、加工成本低等优点,所以目前在呼吸器气瓶上被广泛使用。

1呼吸器气瓶用爆破片爆破机理

呼吸器气瓶用爆破片采用圆板形结构。根据文献[5]可知,爆破压力主要由爆破片厚度和其上压紧的泄压元件上孔的直径决定,爆破片周边被夹持固定,工作时在额定压力下,不产生塑性变形。随压力的增加,发生拉伸变形,拱形高度增加,厚度减薄,当应力强度达到材料的强度极限时,爆破片首先在拱形顶部破裂,随即整个膜片沿夹持边缘无规则地撕开,实现泄压。

2圆板形爆破片爆破压力理论计算

圆板形爆破片安装如图1所示。

1—气瓶阀体; 2—垫片; 3—爆破片; 4—安全阀体; r—安全阀体倒角; t—爆破片初始厚度; h—变形后爆破片球形高度。

由图1可知,整个爆破片装置由气瓶阀体、垫片、 爆破片以及安全阀体组成。圆板形爆破片爆破压力主要受其自身厚度、安全阀体倒角以及泄压孔径等因素影响,但其详细影响关系目前尚未见学者对其进行深入研究,过去通常是靠试验或经验的方式获得各参数,从而导致设计周期长、设计参数粗略。

通过对爆破片爆破机理以及影响因素的分析, 圆板形爆破片爆破压力影响因素主要有爆破片厚度、安全阀体倒角以及泄压孔径。进行理论计算前做以下几点假设:1爆破片变形后呈球形;2爆破片变形后体积不变;3爆破片厚度均匀减薄,爆破片中各点应力相等[6,7]。

由图1(a)知,变形前爆破片体积计算式为V = πd2t /4;根据图1 ( b) 和假设1可得,变形后爆破片体积计算式如下:

式中:t为爆破片初始厚度,mm;d为爆破片泄压口径,mm;R为变形后爆破片球形半径,mm;h为变形后爆破片球形高度,mm;t1为变形后爆破片厚度,mm。

根据假设2有V = V0,则:

其次由旋转薄壳应力计算式可知,旋转薄壳径向应力与环向应力之间存在如下关系:

式中:p为爆破压力,MPa;R1为第一主曲率半径, mm;R2为第二主曲率半径,mm;t为爆破片厚度, mm;σm为径向应力,MPa;σq为环向应力,MPa。

对于球形壳体,则有R1= R2= R,σm= σq= σb。

对式(3)进行变换可得爆破片爆破压力表达式:

式中:σb为爆破片材料拉伸强度,MPa;R为爆破片成型后球形壳体半径,mm。

由于爆破时爆破片球形壳体半径R通常是未知量,所以必须对式(4) 作进一步变换求解去除未知量,才能计算出爆破片爆破压力。在此取爆破片变形处任意一单元体进行变形和受力分析,如图2所示。

由图2可知,长、宽、高为l、a、t的单元体在拉力F的作用下,变形后其长、宽、高分别为l'、a1、t1,根据体积不变原则得:

式中:ε 为材料的压缩率;δ 为材料的拉伸率。

对式(5)进行化简得:

将t1= t(1 - ε),代入式(2) 得:

联立式(6)、式(7)得:

将式(8)代入式(4)得:

式(9)可简化为:

式中K为材料系数。

考虑倒角影响因素得[8]:

式中:d'为泄压口直径,mm;k为圆角半径修正系数, 通常取k = 0. 6;r为安全阀体倒角,mm。

将式(11)代入式(10)得:

式(12)为圆板形爆破片爆破压力计算公式,由式(12)可得以下结论:

1) 在爆破片厚度t以及安全阀圆角r均不变的情况下,爆破压力p与泄压孔径d'呈反比关系;

2) 在泄压孔径d'以及安全阀圆角r不变的情况下,爆破压力p与爆破片厚度t呈正比关系;

3) 在泄压孔径d' 以及爆破片厚度t不变的情况下,爆破压力p与安全阀体圆角r呈反比关系。

3有限元分析

3.1有限元模型建立

选用ANSYS有限元分析软件对爆破片进行有限元分析。根据爆破片的工作性质,对其工作模型进行简化,简化后的爆破片工作模型主要由安全阀体、爆破片以及垫片三部分组成,其简化工作模型如图3所示。

3.2模型材料及边界条件的设定

3.2.1模型材料

根据氧气呼吸器用爆破片装置的设计要求,选用铅黄铜为安全阀体材料,选用紫铜为爆破片材料, 选用尼龙为垫片材料,随后根据各材料的特性,分别对各部件的弹性模量、泊松比等参数进行设定。

3.2.2边界条件设定

爆破片装置的边界条件主要包括自由度、分析单元类型以及加载条件等,根据爆破片装置的工作特性确定其边界条件如下:1限定爆破片x、y方向的移动和旋转自由度,同时限定其z方向的旋转自由度;2由于solid95单元类型能满足材料大变形的需求,所以选其为爆破片装置的分析单元;3采用固定载荷和线性渐变载荷两种加载方式分别在爆破片下端面进行压力载荷的施加;4为了提高计算速度, 网格的划分先采用自适应网格划分,随后再对主要分析对象即安全阀体局部以及爆破 片进行网格 细化。

3.3结果分析

在对爆破片装置相关工作参数设定的基础上, 对爆破片装置工作特性进行有限元分析,其应力云图和应力变化曲线如图4 ~ 5所示。

由图4和图5可知,爆破片应力最大值将出现在爆破片与安全阀体内孔边缘接触的圆周上,即爆破片破坏将发生在该圆周上[9],其与实际情况相符, 从而验证了有限元分析的正确性。图6 ~ 8为不同泄压孔径情况下,爆破压力与爆破片厚度和安全阀体倒角之间的关系曲线图。

由图6 ~ 8可知,在相同厚度和倒角的情况下, 爆破片爆破压力与安全阀体泄压孔径大小呈反比关系;在倒角和泄压孔径相同的情况下,爆破片爆破压力与自身厚度呈正比关系;在相同厚度和泄压孔径情况下,爆破压力最高将发生在安全阀体圆角半径为0. 1 mm左右。当安全阀体无圆角半径时,爆破片在受气体内部高压的作用下,将沿着安全阀体棱边处发生剪切破坏,而随着安全阀体倒角的增加,在一定范围内其将改变爆破片的破坏方式,即由剪切破坏转换为拉伸破坏,所以其爆破压力会增加,而当倒角继续增加时,其爆破压力会随之降低,主要原因在于随着圆角的继续增加,等同于泄压孔径的增加,所以其爆破压力会随之降低。这与理论计算吻合。

4结语

采用理论研究和有限元分析相结合的方法,对呼吸器气瓶用爆破片进行了深入研究,理论研究与有限元分析结果吻合,验证了两者分析的正确性。

1) 圆板形爆破片安全阀体圆角选用0. 1 mm左右较为合理。

2) 圆板形爆破片爆破压力与爆破片厚度呈正比例关系。

3) 圆板形爆破片爆破压力与泄压孔径和安全阀体倒角大小呈反比例关系。