李 岳 于开顺 张兴和 李 典 喻友良 朱永江 姜一昌

（1.大连理工大学化工机械与安全学院；2.大连度达理工安全系统有限公司）

气体绝缘开关设备是一种内置电气开关的压力容器，容器内充满SF6气体；当开关动作时，会释放巨大电弧热能，SF6气体因吸热而膨胀，设备内的压力会快速升高，如果压力超过设备的允许压力， 设备就可能因超压而发生爆炸事故，所以该类设备必须安装爆破片安全装置以防止设备超压， 爆破片安全装置是一种压力泄放装置。当爆破片两侧压力差达到预定温度下的预定值时，爆破片即刻破裂或脱落，泄放出压力介质。 爆破片主要用在气相、液相和易爆粉尘的设备或封闭腔体上，凡是在封闭空间内有可能出现超压工况的，均应设置爆破片或其他泄压装置，通过泄压装置动作将封闭空间内的超压介质泄放出去，使设备内压力降下来，保护设备或建筑物不受超压破坏［1～3］。爆破片安全装置的优点是：动作灵敏、准确、可靠、无泄漏，适合急速超压泄放；排放面积大小不限，适应面广（如高温、高压、真空及强腐蚀等）；结构简单、维护方便等。 缺点是：爆破片是一种非重闭型泄压装置， 爆破片超压破裂后，再也无法重新关闭，介质将完全损失。

对于爆破片安全装置， 从外形上主要分为：正拱形爆破片（凹面受压）、反拱形爆破片（凸面受压）和平板形爆破片。 从受力破坏形式上分为：拉伸破坏型爆破片 （正拱形和平板形爆破片）和失稳破坏型爆破片（反拱形爆破片）。

拉伸破坏型爆破片，膜片内为拉应力，拉应力达到膜片抗拉极限时，爆破片爆破；失稳破坏型爆破片，膜片内为压缩应力，当膜片内压缩应力达到失稳临界应力时，爆破片失稳翻转破坏［4～6］。

反拱形爆破片是压缩失稳破坏型爆破片，在各种爆破片类型中，其急速升压动态响应、耐疲劳性及使用寿命等性能是最好的，在工程中得到了广泛的应用。 尽管反拱形爆破片具有其他两种类型爆破片不具有的独特优点，但也有非常突出的缺点：夹紧部位的边界约束强弱和拱形球面的完好性对压缩失稳压力有非常大的影响，特别是拱形球面受到损伤后， 会导致失稳压力明显降低，大幅缩短了爆破片的使用寿命［7～9］。 反拱形爆破片拱形结构不同，其破坏特点也不同，常见类型有反拱带刀（鳄齿）型爆破片、反拱十字槽型爆破片及反拱环槽型爆破片等，目前绝大多数电力开关所用的爆破片形式为反拱十字槽型爆破片，它是一种靠翻转惯性力自破裂的爆破片，不仅具有反拱形爆破片特点，还具有泄放口径大、无碎片、流阻小、不需要外界辅助结构使之破裂的特点［10，11］。 笔者试验研究了反拱十字槽型爆破片在拱面受到不同的损伤后的性能变化特点，为工程应用提供警示和帮助。

1 试验用爆破片结构形式

目前国内电力开关所用的反拱十字槽型爆破片结构有两种，一种是单片爆破片结构，另一种是爆破片与夹持器焊接一体成套结构。 在进行试验研究时，对于单片爆破片，电力开关上加工有满足反拱形爆破片夹持要求的结构，爆破片安装后采用法兰、螺栓夹紧，爆破片和夹持结构如图1a 所示； 对于爆破片与夹持器焊接一体的成套结构，在设备上的夹持结构如图1b 所示。 比较这两种结构爆破片，单片爆破片由于没有外面的夹持器保护，在搬运中更易受到损伤，并且对边界夹紧要求更严，但成本低，价格便宜；而与夹持器焊接一体的爆破片，爆破片在夹持器中受到夹持器的保护，另外爆破片与夹持器边缘是焊接约束，对法兰螺栓夹持扭矩可以不做严格要求。 笔者分别对两种结构爆破片受到不同形式损伤时的性能变化进行了研究，研究所用爆破片型号与结构列于表1。

图1 气体绝缘开关常见两种爆破片安装夹持结构

表1 研究损伤对爆破片性能影响选用的爆破片规格型号

2 爆破片损伤后性能变化试验

爆破片是一种精密的超压泄放元件，要求爆破片必须受到良好的保护， 特别是反拱形爆破片，拱面受到损伤将对其性能有显著影响，严重损伤会使其爆破压力下降50%以下，因此，不允许爆破片拱面受到人为的有意或无意损伤；当爆破片安装在户外设备上时， 必须有良好的防护罩，防止雨、雪或冰雹落到爆破片表面，对爆破片造成冰冻损伤或撞击损伤。 对于爆破片受到冰冻损伤，多发生在中原和南方的冬季；这些地区冬季白天温度往往在0℃以上， 而夜晚温度又经常在0℃以下，发生冰冻。 如果爆破片防护不好，雨、雪会积聚在爆破片的凹面，白天冰雪融化，夜晚又会冰冻，而水冰冻时会发生膨胀，这样反复冰冻、融化，爆破片凹面受到反复的膨胀力作用，数次之后爆破片拱形就会发生变形或沿槽破裂，导致爆破片承压或爆破压力显著降低。 因此，笔者人工模拟单片爆破片和爆破片与夹持器焊接一体结构的损伤，并对损伤后的爆破片进行性能变化试验。

2.1 试样制备

模拟单片爆破片（YC102-1.15-20）的两种损伤方式（按每种损伤方式做2 片试样）：

a. 模拟未拿住，爆破片从高约1.2m 位置掉落到硬物尖角上， 造成爆破片拱面损伤 （图2a）；

b. 采用插口扳手敲击爆破片拱形球面中间位置，使拱面形成凹坑状损伤（图2b）。

模拟爆破片与夹持器焊接一体结构（YCH50-0.8-90）的两种损伤方式：

a. 用重量为70g，长为140mm，宽为36mm，厚度为1.8mm 的金属板从一定高度H（30、55、75、75mm） 掉落到与夹持器焊接一体爆破片的凹面或凸面上，模拟对爆破片形成的损伤（图3a）；

图2 单片爆破片（YC102-1.15-20）的两种损伤方式

b. 在爆破片凹面和夹持工装内装入高度约30mm 的水，然后冰冻、融化反复5 次，模拟对爆 破片形成的损伤（图3b）。

图3 爆破片与夹持器焊接一体结构（YCH50-0.8-90）的两种损伤方式

2.2 加压爆破试验

对试样进行加压爆破试验以研究爆破片损伤后的性能变化。 图4 为单片爆破片YC102-1.15-20 两种损伤后的爆破开裂形态。将不同方式损伤后单片爆破片爆破压力和爆破压力变化率列于表2。

图4 单片爆破片不同损伤后的爆破开裂形态

表2 单片爆破片在不同损伤方式和损伤程度下的性能变化

图5 为爆破片与夹持器焊接一体结构受到两种损伤后的爆破开裂形态。 图5a 为金属板从55mm 高度掉落损伤后爆破片的爆破开裂形态（1/4 开裂）。 金属板从不同高度掉落，对爆破片损伤后的爆破压力和下降率见表3。 爆破片冰冻损伤后，当承压达到额定爆破压力的50%时，爆破片尖顶处发生明显凹陷变形， 并沿槽出现裂缝，发生气体泄漏，变形如图5b 所示。

图5 爆破片与夹持器焊接一体结构损伤后的爆破开裂形态

表3 与夹持器焊接一体爆破片掉落损伤后的性能变化

3 结论

3.1 反拱形爆破片拱面损伤会严重影响爆破片的性能，造成失稳爆破压力降低，损伤越严重压力下降越厉害； 而爆破压力的降低又会造成爆破片无法沿槽四瓣全开， 大多数仅能开裂一条缝。

3.2 反拱形爆破片拱面顶部受到的损伤对其性能的影响远大于拱面中下部受到的损伤，即反拱形爆破片拱面顶部的损伤会使爆破压力降低程度远大于相同的损伤发生在拱面的中下部。

3.3 反复的冰冻与融化会使爆破片受到严重损伤，会明显影响爆破片性能，爆破片必须受到严密防护，杜绝爆破片泄压侧积聚雨、雪、冰雹等。