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摘 要:简述了石墨型爆破片的常用结构,通过实际应用及理论分析推荐两种较好的爆破片结构。分析石墨型爆破片的工作原理及影响爆破片性能的因素,通过试验研究推导出石墨型爆破片爆破压力的实际计算公式。
关键词:石墨 爆破片 爆破压力 剪切 拉伸 结构 计算
中图分类号:TB41 文献标识码:A 文章编号: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体的爆破片装置,耐腐蚀性能好,适用于各种腐蚀性较强的介质,膜片爆破后能提供较大的泄放面积,动态响应特性优异,适应急速相变超压、气相化学燃爆超压及粉尘燃爆超压工况,广泛应用于石油、化工、能源及冶金等行业。
1 石墨型爆破片的结构
爆破片装置分为正拱形、反拱形、平板形和石墨型四个类别,石墨型爆破片按照结构又分为石墨可更换型和石墨不可更换型。
1.1 石墨可更换型爆破片
爆破片一般加工成平板形,与夹持器配合使用,在剪应力或弯曲应力作用下爆破,如图1所示。
1.2 石墨不可更换型爆破片
爆破片由整块石墨加工而成,不需要夹持器,直接与法兰配合安装,如图2所示。爆破片可用外加强环进行加强,在受压侧可设置密封膜。
1.3 结构选择
由于石墨是一种脆性材料,其工作机理主要是剪切破坏,所以爆破片的爆破压力和材料的许用剪切应力[τ]、泄放口径D和石墨剩余厚度s有关。而石墨型爆破片大部分使用在爆破压力较低场合,石墨爆破片加工剩余厚度s相对较小,轻微的损伤对石墨的爆破压力都有较大影响,所以对夹持、组装和安装要求比较高。
在石墨型爆破片常用的四种结构中,石墨可更换型爆破片和单向加工平面的不可更换型爆破片对夹持器或法兰夹持面的光洁度、平面度、同心度及尺寸要求较高;上下加工平面和凹槽面不可更换型爆破片不靠夹持器夹持,控制压力的剪切面又距离夹持面较远,这就减少了膜片遭受损伤的几率,所以常用的是上下加工平面和凹槽面结构。
2 石墨型爆破片设计计算试验研究
通过大量石墨型爆破片制造经验,石墨型爆破片的爆破压力Pb和s/D(剩余厚度/泄放口径)并非简单的正比关系,而且当泄放口径D一定,石墨剩余厚度s小到一定程度时,对于细结构石墨和中粗石墨两种具有不同材料强度的爆破片,其爆破压力几乎一致。
为了让爆破片设计人员有依可据,同时为了减少石墨型爆破片的加工难度,深入研究石墨型爆破片的设计计算公式势在必行。
2.1 试验研究方案
2.1.1 材料
试验采用细结构石墨和中粗石墨两种材料。同一试验采用的石墨必须为同一炉号、具有相同的材料组成、同一成型、煅烧和浸渍工艺,且具有一定代表性。
2.1.2 结构
试验采用的石墨型爆破片为上下加工平面(图2b)及上下加工凹槽面(图2c)两种结构。
2.1.3 试验研究方案
加工不同泄放口径D及剩余厚度s的石墨型爆破片,记录爆破片的爆破压力Pb。整理爆破压力Pb和s/D的关系曲线,推导石墨型爆破片的设计计算公式或方法。
2.2 试验研究过程及记录
2.2.1 上下加工平面石墨型爆破片
取同炉批、相同煅烧和浸渍工艺、不同口径、不同剩余厚度的中粗石墨和细结构石墨分别制造上下加工平面石墨型爆破片进行爆破试验,具体试验数据如表1和表2。
2.2.2 上下加工凹槽面石墨型爆破片
取同炉批、相同煅烧和浸渍工艺、不同口径、不同剩余厚度的中粗石墨和细结构石墨分别制造上下加工凹槽面石墨型爆破片进行爆破试验,具体试验数据如表3和表4。
2.3 试验研究结论
分别对表1、表2、表3和表4数据进行整理分析,得到Pb与s/D关系曲线如图3。
由上述关系曲线可得到爆破压力计算公式如下:
上下加工平面中粗石墨爆破片的爆破压力计算公式为:
(1)
上下加工平面细结构石墨爆破片的爆破压力计算公式为:
(2)
上下加工凹槽面中粗石墨爆破片的爆破压力计算公式为:
(3)
上下加工凹槽面细结构石墨爆破片的爆破压力计算公式为:
(4)
式中 Pb—— 爆破压力(MPa)
s—— 剩余厚度(mm)
D—— 泄放口径(mm)
3 结语
以往,我们对石墨型爆破片的理解为膜片受力后发生纯粹的剪切破坏,但是通过试验研究发现,石墨型爆破片在受力后,整个膜片发生拉伸而变形,也就是石墨型爆破片在破坏之前受到拉伸和剪切的双重作用。当膜片剩余厚度相对较小时,膜片受到的拉伸力起主导作用,石墨爆破片反映出来的强度较低;当膜片剩余厚度相对较大时,膜片受到的剪切力起主导作用,石墨爆破片的强度就较高。
当爆破压力较高时,建议选择上下加工凹槽面结构,爆破片受压后基本不发生拉伸变形,可以提高产品的耐疲劳性能。当爆破压力较低时,可以选择上下加工平面结构,有效提高石墨剩余厚度,减少加工难度。
石墨型爆破片常用的材料都是人造石墨,也就是特种石墨,按其成型方式分为等静压石墨、模压石墨和挤压石墨。挤压石墨一般做电极使用,等静压石墨和模压石墨可以制造爆破片。
由于每批石墨的成型、颗粒、煅烧和浸渍都不相同,无法保证所有石墨强度一致,本文中推导出来的计算公式只适合本试验购买的石墨,正常生产石墨型爆破片的尺寸及爆破压力只有通过试验和检验来保证。
参考文献
[1] TSG ZF003-2011,爆破片装置安全技术监察规程[S].
[2] GB567-1999,爆破片与爆破片装置[S].
[3] HG2370-2005,石墨制化工设备技术条件[S].
[4] 李志义,喻健良.爆破片技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2005.12.
关键词:石墨 爆破片 爆破压力 剪切 拉伸 结构 计算
中图分类号:TB41 文献标识码:A 文章编号: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体的爆破片装置,耐腐蚀性能好,适用于各种腐蚀性较强的介质,膜片爆破后能提供较大的泄放面积,动态响应特性优异,适应急速相变超压、气相化学燃爆超压及粉尘燃爆超压工况,广泛应用于石油、化工、能源及冶金等行业。
1 石墨型爆破片的结构
爆破片装置分为正拱形、反拱形、平板形和石墨型四个类别,石墨型爆破片按照结构又分为石墨可更换型和石墨不可更换型。
1.1 石墨可更换型爆破片
爆破片一般加工成平板形,与夹持器配合使用,在剪应力或弯曲应力作用下爆破,如图1所示。
1.2 石墨不可更换型爆破片
爆破片由整块石墨加工而成,不需要夹持器,直接与法兰配合安装,如图2所示。爆破片可用外加强环进行加强,在受压侧可设置密封膜。
1.3 结构选择
由于石墨是一种脆性材料,其工作机理主要是剪切破坏,所以爆破片的爆破压力和材料的许用剪切应力[τ]、泄放口径D和石墨剩余厚度s有关。而石墨型爆破片大部分使用在爆破压力较低场合,石墨爆破片加工剩余厚度s相对较小,轻微的损伤对石墨的爆破压力都有较大影响,所以对夹持、组装和安装要求比较高。
在石墨型爆破片常用的四种结构中,石墨可更换型爆破片和单向加工平面的不可更换型爆破片对夹持器或法兰夹持面的光洁度、平面度、同心度及尺寸要求较高;上下加工平面和凹槽面不可更换型爆破片不靠夹持器夹持,控制压力的剪切面又距离夹持面较远,这就减少了膜片遭受损伤的几率,所以常用的是上下加工平面和凹槽面结构。
2 石墨型爆破片设计计算试验研究
通过大量石墨型爆破片制造经验,石墨型爆破片的爆破压力Pb和s/D(剩余厚度/泄放口径)并非简单的正比关系,而且当泄放口径D一定,石墨剩余厚度s小到一定程度时,对于细结构石墨和中粗石墨两种具有不同材料强度的爆破片,其爆破压力几乎一致。
为了让爆破片设计人员有依可据,同时为了减少石墨型爆破片的加工难度,深入研究石墨型爆破片的设计计算公式势在必行。
2.1 试验研究方案
2.1.1 材料
试验采用细结构石墨和中粗石墨两种材料。同一试验采用的石墨必须为同一炉号、具有相同的材料组成、同一成型、煅烧和浸渍工艺,且具有一定代表性。
2.1.2 结构
试验采用的石墨型爆破片为上下加工平面(图2b)及上下加工凹槽面(图2c)两种结构。
2.1.3 试验研究方案
加工不同泄放口径D及剩余厚度s的石墨型爆破片,记录爆破片的爆破压力Pb。整理爆破压力Pb和s/D的关系曲线,推导石墨型爆破片的设计计算公式或方法。
2.2 试验研究过程及记录
2.2.1 上下加工平面石墨型爆破片
取同炉批、相同煅烧和浸渍工艺、不同口径、不同剩余厚度的中粗石墨和细结构石墨分别制造上下加工平面石墨型爆破片进行爆破试验,具体试验数据如表1和表2。
2.2.2 上下加工凹槽面石墨型爆破片
取同炉批、相同煅烧和浸渍工艺、不同口径、不同剩余厚度的中粗石墨和细结构石墨分别制造上下加工凹槽面石墨型爆破片进行爆破试验,具体试验数据如表3和表4。
2.3 试验研究结论
分别对表1、表2、表3和表4数据进行整理分析,得到Pb与s/D关系曲线如图3。
由上述关系曲线可得到爆破压力计算公式如下:
上下加工平面中粗石墨爆破片的爆破压力计算公式为:
(1)
上下加工平面细结构石墨爆破片的爆破压力计算公式为:
(2)
上下加工凹槽面中粗石墨爆破片的爆破压力计算公式为:
(3)
上下加工凹槽面细结构石墨爆破片的爆破压力计算公式为:
(4)
式中 Pb—— 爆破压力(MPa)
s—— 剩余厚度(mm)
D—— 泄放口径(mm)
3 结语
以往,我们对石墨型爆破片的理解为膜片受力后发生纯粹的剪切破坏,但是通过试验研究发现,石墨型爆破片在受力后,整个膜片发生拉伸而变形,也就是石墨型爆破片在破坏之前受到拉伸和剪切的双重作用。当膜片剩余厚度相对较小时,膜片受到的拉伸力起主导作用,石墨爆破片反映出来的强度较低;当膜片剩余厚度相对较大时,膜片受到的剪切力起主导作用,石墨爆破片的强度就较高。
当爆破压力较高时,建议选择上下加工凹槽面结构,爆破片受压后基本不发生拉伸变形,可以提高产品的耐疲劳性能。当爆破压力较低时,可以选择上下加工平面结构,有效提高石墨剩余厚度,减少加工难度。
石墨型爆破片常用的材料都是人造石墨,也就是特种石墨,按其成型方式分为等静压石墨、模压石墨和挤压石墨。挤压石墨一般做电极使用,等静压石墨和模压石墨可以制造爆破片。
由于每批石墨的成型、颗粒、煅烧和浸渍都不相同,无法保证所有石墨强度一致,本文中推导出来的计算公式只适合本试验购买的石墨,正常生产石墨型爆破片的尺寸及爆破压力只有通过试验和检验来保证。
参考文献
[1] TSG ZF003-2011,爆破片装置安全技术监察规程[S].
[2] GB567-1999,爆破片与爆破片装置[S].
[3] HG2370-2005,石墨制化工设备技术条件[S].
[4] 李志义,喻健良.爆破片技术及应用[M].北京:化学工业出版社,2005.12.