焦仁雷，談樂(lè)斌，潘孝斌

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

爆破片是壓力容器、壓力管道的斷裂型安全泄放裝置。在規(guī)定的溫度下，當(dāng)壓力容器內(nèi)的壓力達(dá)到爆破片的標(biāo)定壓力時(shí)，爆破片會(huì)自行爆破，瀉放出壓力介質(zhì)，但泄壓后壓力容器、壓力管道也中斷運(yùn)行，以保障生命財(cái)產(chǎn)的安全[1～2]。隨著爆破片技術(shù)的快速發(fā)展，需要安裝爆破片裝置的壓力容器日益增多，而不同壓力容器的設(shè)計(jì)參數(shù)各不相同，為了保證爆破片在特定的設(shè)計(jì)壓力下準(zhǔn)確爆破，每批爆破片裝置都必須針對(duì)特定的壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，設(shè)計(jì)任務(wù)非常繁重。由于爆破片的可靠性要求較高，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)速度慢，效率低以及造成材料的浪費(fèi)等缺陷。通過(guò)ANSYS軟件的有限元分析與優(yōu)化，理論結(jié)合實(shí)際，從而最大限度的將問(wèn)題解決在設(shè)計(jì)階段，節(jié)省設(shè)計(jì)經(jīng)費(fèi)，縮短設(shè)計(jì)周期，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 正拱帶槽爆破片

正拱帶槽爆破片是在普通的正拱型爆破片的拱面(通常在凸面?zhèn)?上加工有“十”字形減弱槽，在爆破壓力下，減弱槽處因強(qiáng)度不足而斷裂，整個(gè)拱面沿減弱槽掀起成為4瓣，如圖1所示。正拱帶槽型爆破片的最大特點(diǎn)是，爆破不產(chǎn)生碎片[3]。與其他正拱形爆破片相比，在一定爆破壓力下，允許的工作應(yīng)力較高，疲勞強(qiáng)度較好。

爆破片能否達(dá)到預(yù)期的功能，能否真正保護(hù)壓力設(shè)備，配置、安裝與維護(hù)是非常重要的。爆破片可以單獨(dú)設(shè)置，作為唯一的安全泄壓設(shè)備，爆破壓力應(yīng)不大于保護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力[3]。爆破片可以是并聯(lián)或者串聯(lián)設(shè)置，爆破片還可以與安全閥串聯(lián)或者并聯(lián)使用。當(dāng)爆破片與安全閥串聯(lián)使用時(shí)，爆破片串聯(lián)在安全閥的入口側(cè)；而當(dāng)爆破片與安全閥并聯(lián)使用時(shí)，爆破片串聯(lián)在安全閥的出口側(cè)，否則，安全閥將失去作用。爆破片安裝正確與否，對(duì)爆破片及其設(shè)備具有較大的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，爆破片安裝不當(dāng)會(huì)造成安全事故[3]。因此，在使用爆破片過(guò)程中，不要損傷爆破片的拱面，因?yàn)楣靶谓饘俦∑潜破拿舾性?，極易損傷。鑒于爆破片的安全性能對(duì)整個(gè)設(shè)備的重要性，所以要定期檢查、更換。

圖1 正拱帶槽性爆破片爆破前后狀態(tài)

圖2 正拱帶槽性爆破片的結(jié)構(gòu)尺寸

2 爆破片力學(xué)模型

在室溫下工作，材料選用SUS316，材料密度為7 930 kg/m3，坯料的厚度 S0=0.881 mm，槽寬 b=0.8 mm，d=80 mm，選 H/a=0.4[4]，如圖 2 所示，其抗拉強(qiáng)度1 360 MPa，屈服強(qiáng)度820 MPa[11]，彈性模量195 GPa，泊松比0.3，正常的操作壓力為0.2 MPa。正拱帶槽爆破片的爆破壓力可由下式估算[3～4]。

式中，

hc為剩余槽深；

R為拱頂處曲率半徑。

在拱頂高度H不很大時(shí)，可由式（2）確定

其中，K為材料常數(shù)，取K=216.6 MPa。

當(dāng)爆破片爆破壓力偏差<4%時(shí)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

由（2）公式知 R=58 mm，hc預(yù)定 =0.65 mm；由公式（1）知 Pb=0.42 MPa。

如果預(yù)拱的拱面為一厚度均勻的球面，當(dāng)成形前后材料的體積不變時(shí)，成形前后材料的厚度關(guān)系式為[4]

由公式（3）知S=0.762 mm。為了方便建立模型，厚度均用0.762 mm。

為了滿(mǎn)足穩(wěn)定性能則有半球體臨界壓力[8～10]

式中，

E為彈性模量；

μ為泊松比。

由（4）式求得Pcr=0.41 MPa。當(dāng)在正常操作壓力時(shí)，爆破片不發(fā)生失穩(wěn)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 有限元模型和結(jié)果分析

3.1 有限元模型建立

首先使用UC建立模型，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，選擇爆破片的1/4建立幾何模型，如圖3所示。將此模型導(dǎo)入ANSYS中，選擇solid92體單元，該單元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變能力。定義材料屬性和設(shè)置溫度，劃分網(wǎng)格后的有限元模型，如圖4所示。加載求解，最后進(jìn)行后處理。

圖3 爆破片三維幾何模型

圖4 爆破片有限元模型

3.2 結(jié)果分析

（1）在正常操作壓力為0.2 MPa時(shí)，等效應(yīng)力場(chǎng)等值線(xiàn)圖如圖5所示。在常溫下，材料的屈服強(qiáng)度為820 MPa，由ANSYS等效應(yīng)力場(chǎng)等值線(xiàn)圖知，最大應(yīng)力為655 MPa，在設(shè)備正常工作的條件下，爆破片能保證設(shè)備的安全性能。

（2）在設(shè)計(jì)爆破片壓力時(shí)，等效應(yīng)力場(chǎng)等值線(xiàn)圖如圖6所示。由ANSYS等效應(yīng)力場(chǎng)等值線(xiàn)圖知，最大應(yīng)力為1 380 MPa，在室溫下材料的抗拉強(qiáng)度為1 360 MPa，最大應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度，能使材料發(fā)生破壞。

圖6 設(shè)計(jì)爆破片壓力等效應(yīng)力場(chǎng)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)爆破片的有限元分析表明，ANSYS有限元分析軟件是對(duì)爆破片應(yīng)力計(jì)算和分析的有效工具，得到的分析結(jié)果可以應(yīng)用于實(shí)際工程中，有限元軟件為爆破片的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)，與理論知識(shí)較好的匹配，對(duì)爆破片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。通過(guò)對(duì)有限元軟件輔助分析，最大限度的降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

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