石墨型爆破片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算

摘 要:簡述了石墨型爆破片的常用結(jié)構(gòu)，通過實(shí)際應(yīng)用及理論分析推薦兩種較好的爆破片結(jié)構(gòu)。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(yàn)研究推導(dǎo)出石墨型爆破片爆破壓力的實(shí)際計(jì)算公式。

關(guān)鍵詞:石墨 爆破片 爆破壓力 剪切 拉伸 結(jié)構(gòu) 計(jì)算

中圖分類號:TB41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(qiáng)的介質(zhì)，膜片爆破后能提供較大的泄放面積，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性優(yōu)異，適應(yīng)急速相變超壓、氣相化學(xué)燃爆超壓及粉塵燃爆超壓工況，廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源及冶金等行業(yè)。

1 石墨型爆破片的結(jié)構(gòu)

爆破片裝置分為正拱形、反拱形、平板形和石墨型四個(gè)類別，石墨型爆破片按照結(jié)構(gòu)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(yīng)力或彎曲應(yīng)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(qiáng)環(huán)進(jìn)行加強(qiáng)，在受壓側(cè)可設(shè)置密封膜。

1.3 結(jié)構(gòu)選擇

由于石墨是一種脆性材料，其工作機(jī)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(yīng)力[τ]、泄放口徑D和石墨剩余厚度s有關(guān)。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(jié)構(gòu)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(yuǎn)，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(jié)構(gòu)。

2 石墨型爆破片設(shè)計(jì)計(jì)算試驗(yàn)研究

通過大量石墨型爆破片制造經(jīng)驗(yàn)，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(guān)系，而且當(dāng)泄放口徑D一定，石墨剩余厚度s小到一定程度時(shí)，對于細(xì)結(jié)構(gòu)石墨和中粗石墨兩種具有不同材料強(qiáng)度的爆破片，其爆破壓力幾乎一致。

為了讓爆破片設(shè)計(jì)人員有依可據(jù)，同時(shí)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(shè)計(jì)計(jì)算公式勢在必行。

2.1 試驗(yàn)研究方案

2.1.1 材料

試驗(yàn)采用細(xì)結(jié)構(gòu)石墨和中粗石墨兩種材料。同一試驗(yàn)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(jié)構(gòu)

試驗(yàn)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(jié)構(gòu)。

2.1.3 試驗(yàn)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(guān)系曲線，推導(dǎo)石墨型爆破片的設(shè)計(jì)計(jì)算公式或方法。

2.2 試驗(yàn)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(xì)結(jié)構(gòu)石墨分別制造上下加工平面石墨型爆破片進(jìn)行爆破試驗(yàn)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xì)結(jié)構(gòu)石墨分別制造上下加工凹槽面石墨型爆破片進(jìn)行爆破試驗(yàn)，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3和表4。

2.3 試驗(yàn)研究結(jié)論

分別對表1、表2、表3和表4數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到Pb與s/D關(guān)系曲線如圖3。

由上述關(guān)系曲線可得到爆破壓力計(jì)算公式如下:

上下加工平面中粗石墨爆破片的爆破壓力計(jì)算公式為:

(1)

上下加工平面細(xì)結(jié)構(gòu)石墨爆破片的爆破壓力計(jì)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(jì)算公式為:

(3)

上下加工凹槽面細(xì)結(jié)構(gòu)石墨爆破片的爆破壓力計(jì)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(jié)語

以往，我們對石墨型爆破片的理解為膜片受力后發(fā)生純粹的剪切破壞，但是通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，石墨型爆破片在受力后，整個(gè)膜片發(fā)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(dāng)膜片剩余厚度相對較小時(shí)，膜片受到的拉伸力起主導(dǎo)作用，石墨爆破片反映出來的強(qiáng)度較低;當(dāng)膜片剩余厚度相對較大時(shí)，膜片受到的剪切力起主導(dǎo)作用，石墨爆破片的強(qiáng)度就較高。

當(dāng)爆破壓力較高時(shí)，建議選擇上下加工凹槽面結(jié)構(gòu)，爆破片受壓后基本不發(fā)生拉伸變形，可以提高產(chǎn)品的耐疲勞性能。當(dāng)爆破壓力較低時(shí)，可以選擇上下加工平面結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度一致，本文中推導(dǎo)出來的計(jì)算公式只適合本試驗(yàn)購買的石墨，正常生產(chǎn)石墨型爆破片的尺寸及爆破壓力只有通過試驗(yàn)和檢驗(yàn)來保證。

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