一种基于流体阻断试验的爆管模拟装置及其试验方法

技术领域

本发明属于流体阻断试验技术领域，具体涉及一种基于流体阻断试验的爆管模拟装置及其试验方法。

背景技术

流体阻断试验旨在确定止回阀关键性能参数，验证核电厂爆管失水事故工况下发生逆流后阀门紧急关断的能力，同时对阀门瞬间关闭所引起的管道压力波动水平作足够保守的预估。流体阻断试验中，需要用到爆管模拟装置，以实现失水喷放要求。传统的爆管模拟装置的基本原理是采用某种膜片，并将该膜片固定于进气道出口与高压供气管路之间，通过瞬时高压造成膜片破裂形成锤激波，从而达到冲击目的。然而，由于真实的爆管事故，初期失水喷放时间均在毫秒级左右，现有公开流体阻断试验技术中采用的爆管模拟装置均为常规的单膜片结构，动作时间缓慢且爆管时间难以控制，显然无法满足毫秒级的试验要求，亟待解决。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于流体阻断试验的爆管模拟装置，其对爆管压力及爆管时间的可控性更强，并具备使用简便快捷和构造紧凑合理的优点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于流体阻断试验的爆管模拟装置，包括外管体以及位于外管体管腔内的压溃膜片，其特征在于：该装置还包括爆破片，所述爆破片与压溃膜片沿外管体管腔依序布置，从而在爆破片与压溃膜片之间的一段外管体管腔之间形成密闭的调压腔，所述调压腔通过贯穿外管体管壁的流道连通压力气源或压力液源。

优选的，以固定压溃膜片的一端为外管体底端，沿所述外管体的轴向由底端向首端依序同轴布置压溃膜片、膜片压环、碟簧、弹簧底座及膜片支承圈；弹簧底座固定在外管体内壁处，而膜片支承圈固定在弹簧底座上；膜片支承圈上同轴向下延伸有外延管，外延管内壁构成爆破流道，外延管外壁同轴套设膜片压环；碟簧的顶端抵紧在弹簧底座上，碟簧的底端与膜片支承圈之间彼此抵靠，从而将膜片支承圈弹性的下压在压溃膜片的上表面处。

优选的，所述外管体的底端设置内翻边状的收口，进口环盖由下而上的固定在该收口处，且进口环盖与该收口配合共同夹紧压溃膜片的外缘。

优选的，膜片压环的外环面与收口之间存有配合缝隙，该配合缝隙处的压溃膜片上同轴凹设圆环状的槽口朝下的减弱环槽；当膜片压环的底部环面弹性的下压在压溃膜片上时，压溃膜片与进口环盖之间存有可供介质进入减弱环槽槽腔的预留通道。

优选的，所述膜片支承圈外形呈二段式的阶梯套筒状，膜片支承圈的大直径段构成与弹簧底座间螺纹配合的配合段，膜片支承圈的小直径段构成所述外延管；该大直径段的筒腔呈现上粗下细的喇叭孔状，从而与弹簧底座的上粗下细的喇叭孔状筒腔共同组合形成膨胀锥形流道结构。

优选的，弹簧底座的喇叭孔状筒腔为两段式的变径孔，包括位于上方的上喇叭段和与上喇叭段的底部孔径吻合的下喇叭段；在外管体的轴向截面上，所述大直径段的筒腔与爆破流道中心线呈55°夹角，弹簧底座处小喇叭孔的孔壁与爆破流道中心线呈35°夹角，大喇叭孔的孔壁与爆破流道中心线呈10°夹角。

优选的，所述碟簧为外开槽式构造；碟簧的环壁处径向凹设有T型槽，T型槽的两段槽深相等，且位于槽口处的外槽槽宽为位于槽底处的内槽槽宽的两倍，碟簧高度尺寸H与厚度尺寸h的比值H/h≥3，载荷位移曲线呈非线性负刚度特性。

优选的，所述压溃膜片为波形金属膜片。

优选的，外管体的顶端同轴设置出口环盖，出口环盖上同轴布置上压环从而将爆破片夹紧式的固定在出口环盖处。

优选的，一种应用基于流体阻断试验的爆管模拟装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

令爆管模拟装置的进口端压力为P1、调压腔压力为P2、出口端压力为P3、碟簧预紧力为F、压溃膜片破裂压力为P、爆破片爆破压力为P′，其中P＝P′；

试验初期，调压腔内压力P2＝(70％～80％)P，此时作用在爆破片上的压强P2-P3＝(70％～80％)P，而作用在压溃膜片的压强为P1-P2＝P-(70％～80％)P＝(20％～30％)P；压溃膜片与爆破片均保持在稳定状态；

调节调压腔压力至P2＞P＝P′，爆破片发生爆破，P2＝P3＝0，作用在压溃膜片的压强为P1-P2＝P，压溃膜片轴向推动膜片压环动作，带动碟簧产生屈曲变形，直至碟簧动作至失效位置，此时弹簧力瞬间降为0，同时减弱环槽移动至膜片支承圈位置并产生局部塑形变形，压溃膜片发生破裂。

本发明的有益效果在于：

1)、通过上述方案，本发明以爆破片作为主动破裂部，并以压溃膜片作为被动破裂部，从而实现了爆管可控效果；更为重要的是，通过设置中腔也即调节腔，工作时通过向调压腔充入高压介质，待调压腔升压至所需的试验压力即爆破片破裂压力时，同时打开爆破片破裂，调压腔升压力瞬间泄放至大气压，压差作用下压溃膜片随之发生位移，减弱环处产生局部塑形变形，压溃膜片发生破裂，爆管工况即产生，操作极为方便可靠。

至此，本发明具备了使用简便快捷和构造紧凑合理的优点，其对爆管压力及爆管时间的可控性更强，爆管时间的精确性也更高，可应用于各类爆管失水试验场合中。

2)、在上述结构的基础上，本发明还增设有碟簧，从而搭配前述的调节腔，进一步的实现了对爆管压力及毫秒级爆管时间等试验参数的精确控制目的。具体而言，由于碟簧的存在，一方面，在试验之前，碟簧可依靠本身的弹性力，确保了将膜片压环对压溃膜片的硬性抵压转变为相对柔性的弹性抵压，此时碟簧可实现整个膜片系统的力的自平衡效果，这为后续爆管数据的精确性提供了基础保证。另一方面，在试验时，压溃膜片产生形变并至最终破裂时，膜片压环受压上行，推动碟簧形变，使得碟簧由原本的抵压状态瞬间切换为失效状态，也即弹性力变为零；这能有效抛开因碟簧等的存在而对爆管试验的可能的影响性，从而更进一步的确保了后续爆管数据的精确性，成效显著。

3)、本发明所述的爆管模拟器，可根据不同试验阀门种类及试验参数要求合理选择中腔气体增压试验方法或液体增压试验方法，测试方法简单易行、灵活可变；同时装置所用的二级爆破片无固定结构形式要求及限制，可根据试验所需参数灵活调整选用。

4)、本发明的碟簧采用了外开槽膜片式结构，其与传统膜片碟簧采取截然不同的设计理念和使用环境，传统膜片碟簧设计时重点考虑如何防屈曲自复位以及使用寿命等特性，其高度H与厚度h的比值H/h通常小于2，其载荷位移曲线的使用范围也与本发明有所不同。本发明所设计的外开槽膜片式碟簧在使用过程中重点利用其过载失效不可恢复产生负刚度的载荷特性，其H/h≥3，其载荷位移曲线的使用范围进一步前移，且在进行一次试验弹簧失效后即进行更换，使用方便快捷。

5)、本发明的弹簧底座与膜片支承圈彼此筒腔配合构成二段式的膨胀锥形流道结构，可适用于饱和水和过冷水试验介质下闪蒸喷射流的爆管试验，减缓爆管产生的反向流体推力，可避免对整个试验管路造成破坏。

附图说明

图1为本发明的初始状态示意图；

图2为本发明爆管后的状态示意图；

图3为膨胀锥形流道结构的结构示意图；

图4为碟簧的剖视图；

图5为碟簧的俯视图；

图6为碟簧的载荷位移曲线图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

10-外管体 11-收口

20-压溃膜片 21-减弱环槽

30-爆破片 40-膜片压环 50-碟簧 51-T型槽

60-弹簧底座 70-膜片支承圈 71-外延管

80-进口环盖 90-出口环盖 91-上压环

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-6，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明的具体结构如图1-2所示，其以外管体10为载体，外管体10底端面布置收口11从而整体形成柱塞缸状，并在外管体10筒腔内如图1所示的由下向上依序布置进口环盖80、压溃膜片20、膜片压环40、碟簧50、带有外延管71的膜片支承圈70、弹簧底座60、上压环、爆破片30及出口环盖90。当然，爆破片30作为标准件，可以根据试验参数合理选用现有成熟爆破片30产品，并不局限于特定的结构形式。其中：

实际装配时，进口环盖80处可设有法兰螺栓孔，并与测试管道通过螺栓相互连接，并通过金属密封圈形成密封；对于不同规格的测试阀门可通过更换不同进口环盖80法兰进行测试。进口环盖80内端面设有定位环面，以便于外管体的收口11处的定位环槽接触后，通过螺栓进行连接；定位环面处设有密封圈，用于保证进口环盖80与收口11间的密封。

如图1-2所示，弹簧底座60与外管体10之间、膜片支承圈70与弹簧底座60之间均采用螺纹连接，弹簧底座60与膜片支承圈70安装构成膨胀锥形流道结构，可适用于饱和水和过冷水试验介质下闪蒸喷射流的破管试验。其中，参照图3所示，膜片支承圈70处的L1段也即大直径段与爆管流道中心线的夹角α＝55°，弹簧底座60处的L2段也即下喇叭段与爆管流道中心线的夹角β＝35°，L3段也即大喇叭孔与爆管流道中心线的夹角γ＝10°。上述夹角设计，可有效减缓爆管产生的反向流体推力，最大化的避免对整个试验管路造成破坏。

对于碟簧50而言，其外形参照图4-5所示，外环面设有均布的异形槽或者说是T型槽51，异形槽外部长度与内部长度相等，外部宽度为内部宽度的两倍，碟簧50高度尺寸H与厚度尺寸h的比值H/h≥3，其载荷位移曲线呈非线性负刚度特性。至此，传统膜片碟簧设计时重点考虑如何防屈曲自复位以及使用寿命等特性，其高度H与厚度h的比值H/h通常小于2，其载荷位移曲线的使用范围通常在图6所示的AB段；而本发明所设计的碟簧50在使用过程中重点利用其过载失效不可恢复产生负刚度的载荷特性，其H/h≥3，其载荷位移曲线的使用范围在图6所示的BC段，在进行一次试验弹簧失效后即进行更换。图5中的异型槽为16个，当然也可以视情况酌情增删数目。

本发明实际安装时，其顺序通常为：先将压溃膜片20焊固在收口11处后，再在外管体10内部依次装入膜片压环40、碟簧50、膜片支承圈70、弹簧底座60；随后，将出口环盖90、爆破片30、上压环91单独安装连接后，再整体与外管体10通过螺栓连接，最后将进口环盖80与外管体10进行连接，以便起到进一步夹持和固定压溃膜片20的效果。压溃膜片20在设计时，为如图1所示的双弧形结构，第一弧形位于中心区域，同时被套在外延管71管腔内，第二弧形根部设有减弱环槽21，以便在收到冲击时产生如图2所示的形变。

本发明的试验方法则包括以下步骤：

令爆管模拟装置的进口端压力为P1、调压腔压力为P2、出口端压力为P3、碟簧预紧力为F、压溃膜片20破裂压力为P、爆破片30爆破压力为P′，其中P＝P′；

试验初期，调压腔内压力P2＝(70％～80％)P，此时作用在爆破片30上的压强P2-P3＝(70％～80％)P，而作用在压溃膜片20的压强为P1-P2＝P-(70％～80％)P＝(20％～30％)P；压溃膜片20与爆破片30均保持在稳定状态；

调节调压腔压力至P2＞P＝P′，爆破片30发生爆破，P2＝P3＝0，作用在压溃膜片20的压强为P1-P2＝P，压溃膜片20轴向推动膜片压环40动作，带动碟簧50产生屈曲变形，直至碟簧50动作至失效位置，此时弹簧力瞬间降为0，同时减弱环槽21移动至膜片支承圈70位置并产生局部塑形变形，压溃膜片20即发生破裂。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。