CN112055795A - 破裂盘 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种破裂盘(400)，该破裂盘可以包括凸缘部分(401)、反向屈曲穹顶部分(403)以及将凸缘部分接合到反向屈曲穹顶部分的过渡部分(402)。穹顶部分可以限定顶点。穹顶部分可以进一步限定位于顶点和/或弱化线处的凹痕(404)，该弱化线可以接近过渡部分和/或可以包括被配置成引发破裂的相对弱的节段。可以设置一体的应力集中特征。弱化线和/或穹顶部分的基部可以是非圆形的。本公开还涉及一种被压接到保持器(410)中的破裂盘。本公开还涉及一种具有限定可破裂部分的壁的容器。

Description

破裂盘
技术领域
本公开涉及适合与密封、部分密封和/或加压的系统一起使用的破裂盘。
背景技术
存在许多类型的处理、运输、存储或利用流体的系统，该流体可以被密封在容器中。流体可以是液体、气体或者液体和气体的混合物。流体也可以包括固体组分。例如，系统可以容纳包括固体颗粒的气体。作为另一个示例，系统可以运输处于流体环境中的固体组分。密封的容器可以被加压。另选地，密封容器可以包含可能变成加压的过程(例如，化学过程)。为了确保这些类型的密封系统的安全性，各个这样的系统通常包括安全装置，该安全装置被设计成防止系统的超压(或至少在系统超压期间提供警报指示)。在紧急情况下，密封容器内的压力作用在安全装置上，以形成开口，以在选定位置从系统释放流体。除了形成开口之外，安全装置可以简单地提供警报警告，以指示危险的超压情况正在发生或可能将要发生。在实际上破裂或以其它方式打开的装置中，通过该开口将流体排放到环境或安全储液器中会减小系统中的压力，并防止系统的另一部分由于流体的高压而发生故障。
破裂盘是安全装置的一种常用示例。破裂盘可以被附接到密封系统，以使破裂盘的某部分暴露于系统中的流体。破裂盘的暴露于流体的部分被配置成当容器中的流体达到预定压力时破裂或撕裂。破裂盘的撕裂或破裂会形成开口，加压的流体通过该开口流出而减小系统中的压力。破裂盘可以包括弱化线，该弱化线被设计成确保响应于特定压力并以特定“爆裂模式”在特定位置处打开。弱化线可以通过激光、机械移位或变薄或者涉及从盘的一部分去除材料或从盘的一部分置换材料的化学蚀刻处理的方式来提供。如共同拥有的美国专利No.5,934,308中所述，也可以通过部分剪切处理来形成弱化线，该专利的全部内容通过引用结合于此，就如在此阐述了一样。
在“反向屈曲”破裂盘泄压装置领域中，已经使用凹/凸形结构作为提供可靠且可再现的压力响应装置的手段。已知的反向屈曲装置被设计成使得当结构的凸侧暴露于预定的超压力时，结构屈曲并倒转，致使凸侧塌陷成凹形。破裂盘不仅可以被设计成倒转，而且可以借助于弱化线打开。
存在对克服本领域中的一个或更多个缺陷和/或提供附加的益处的压力响应装置的需要。
具体实施方式
现在将详细参照本示例性实施方式，其示例在附图中例示。贯穿附图，将尽可能使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。本申请的附图旨在提供对基础系统的工作元件的一般理解。因此，除非明确说明，否则附图不表示比例尺寸或所例示的相互相关部件的精确位置的文字描述。
图1A至图1C例示了本公开的实施方式。如所例示的，破裂盘100具有通过过渡部分102相连接的凸缘101和中央部分103。如所例示的，凸缘101被定位在上游密封件120与下游支撑环130之间。在所示的实施方式中，凸缘101、密封件120和环130通过压接件(crimp)112抵靠保持器110的凸缘111保持在适当位置。图1C例示了在压接件112已经向下弯曲以将凸缘101、密封件120和环130保持在适当位置之前的图1A至图1C的实施方式。
如图1A至图1C所示，破裂盘100是反向作用破裂盘，其被配置成使其凸表面朝向容器和/或加压容积的密封内部定向。破裂盘100被配置成响应于容器和/或加压容积的密封内部中的超压状态而反转。在一个实施方式中，破裂盘100可以被配置成在反转时“破裂”或撕开，从而允许加压流体逸出。在另一实施方式中，破裂盘100可以被配置成反转而不打开，从而提供超压状态的视觉指示(而不从容器/容积释放加压流体)。
在图1A至图1C所示的实施方式中，从保持器110的下游/出口侧安装破裂盘100。可以设想的是，破裂盘可以另选地从保持器的上游/入口侧安装，如图1D所示。
密封件120可以是任何数量的合适的密封件，包括弹性体垫圈、金属垫圈或粘合剂。还可以设想的是，破裂盘100可以直接抵靠保持器110的凸缘111安装，而无需单独的中间密封件120部件。例如，破裂盘凸缘101和保持器凸缘111中的一者或两者可以设置有表面特征，该表面特征被配置成与另一部件形成机械密封(例如，咬合密封)。
进一步设想的是，当被压接到适当位置中时，压接件112可以在破裂盘凸缘101的下游/出口侧形成不透流体的密封。例如，支撑环130可以是垫圈或弹簧垫片，其可以与压接件112配合和/或被压接件112压缩，从而形成密封。作为另一示例(未例示)，可以提供垫圈或弹簧垫片作为支撑环130的附加部件——例如，可以将弹簧垫片定位在压接件112与支撑环130之间以形成密封。作为又一示例，可以在压接件112与支撑环130之间设置粘合剂以形成密封。作为进一步的示例，压接件112和支撑环130中的一者或两者可以设置有表面特征，该表面特征被配置成与另一部件形成机械密封(例如，咬合密封)。
在图2中例示了密封件的另一实施方式。如图所示，破裂盘200具有与支撑环230接合的凸缘201。袋式垫圈(pocket gasket)220环绕凸缘201和支撑环230的外周。袋式垫圈220可以与保持器210形成密封。图2描绘了在被弯曲以将凸缘201和支撑环230保持到适当位置之前的压接件212。在一个实施方式中，将压接件212弯曲到适当位置可以增加由袋式垫圈220形成的密封的有效性。
尽管图1A至图1D和图2例示了支撑环130、230作为相对于破裂盘100、200分离的部件，但是可以设想的是，破裂盘可以设置有一体的支撑环(例如，可以从单件材料形成这些部件)。在图3A至图3B中例示了一个这样的实施方式。如图所示，破裂盘300具有一体的支撑环301，该支撑环301通过过渡部分302连接至中央部分303。可以通过压接件312以与以上结合图1A至图1D所述的方式类似的方式将支撑环301保持在适当位置中。此外，支撑环301可以设置有密封件320，或者可以以与以上结合图1A至图1D和图2所述的类似的方式设置有上游或下游密封件。
提供具有一体的支撑环301的破裂盘300可以提供若干优点。例如，使用一体的支撑环可以减少安装破裂盘所需的部件的数量。此外，使用一体的支撑环可以减少潜在泄漏路径的数量，从而提高可靠性。
在其中破裂盘100、200、300被设计成在反转时破裂的实施方式中，破裂盘可以设置有一个或更多个弱化线，该弱化线可以限定线，盘可以沿该线撕裂。在图4中示例了示例性弱化线。在图4中，破裂盘400设置有通过过渡部分402联接到中央部分403的凸缘401。如所例示的，凸缘401被定位在密封件420与支撑环430之间。压接件412将凸缘401、密封件420和支撑环430抵靠保持器410的凸缘411保持在适当位置。破裂盘400限定弱化线405，破裂盘400在反转时将沿着该弱化线405撕裂。弱化线可以通过任何合适的方法来形成，诸如冲压、剪切或材料去除(例如，经由刻痕、激光烧蚀、化学蚀刻或其它处理)。
尽管图4示出了单个弱化线，但是也可以设想在破裂盘的凹表面和凸表面中的一者或两者上设置多个弱化线。
如图4所示，弱化线405被定位在破裂盘400的过渡部分402处或附近。这种放置可以提供优点，诸如大的开口，加压流体可以通过该大的开口从密封系统中逸出。然而，还设想的是，可以在破裂盘的其它部分处设置弱化线，以实现期望的破裂盘性能(例如，开口的尺寸和形状、使盘打开的压力)。
弱化线405被例示成圆形弱化线，该圆形弱化线遵循破裂盘400的中央部分的圆形外缘。在一个实施方式中，这种弱化线405可以形成完整的圆。然而，在另一实施方式中，弱化线405可以形成部分圆(例如，半圆、3/4圆、300度弧)。当弱化线仅形成部分圆时，剩余的未弱化部分可以充当铰链。当破裂盘沿着弱化线撕裂时，铰链可以防止撕开的材料(称为“瓣(petal)”)与破裂盘完全分离。
弱化线405被例示成连续的弱化线。然而，可以设想的是，可以另选地提供不连续的、间歇的弱化线。
本公开不限于圆形弱化线。弱化线可以例如遵循不规则的路径，相对于破裂盘直径偏心。另选地，弱化线可以形成完整的角形或部分的角形或多边形形状(例如，三角形、正方形、矩形、五边形、六边形或其它形状)。在一个实施方式中，弱化线可包括弯曲段和笔直段或角形段的组合。
由于传统刻痕技术中普遍认识的局限性，已知的弱化线沿垂直于破裂盘表面的方向被施加到破裂盘材料。例如，在图5A中例示了已知的弱化线。然而，本公开认识到，可以以除了垂直于盘表面的角度施加弱化线。本公开认识到，现代制造技术(包括例如，激光烧蚀)可用于以相对于盘表面的多个角度来施加弱化线。图5B和图5C例示了实施方式，其中，以相对于盘表面倾斜的角度设置一个或更多个弱化线。在图5C中，设置了两个弱化线。本公开设想可以另选地设置多于一个或两个弱化线。此外，本公开认识到，弱化线的角度可以沿着弱化线变化。附加地或另选地，弱化线的横截面形状、宽度、深度和/或其它几何度量可以沿着弱化线变化。例如，尽管图5A、图5B和图5C中的弱化线在横截面中被例示成V形，但是可以设想的是，弱化线的全部或部分可以采用其它形状(例如，正方形、矩形、弯曲的、半圆形或其它形状)。例如，弱化线可以是阶梯状或遵循之字形。
本公开认识到以除了垂直于盘表面的角度施加弱化线的许多优点。例如，可以设想的是，弱化线的角度可以被选择成使得破裂盘上的压力趋于使弱化线闭合，从而在压力下加强破裂盘。
通常，当破裂盘设置有弱化线时，破裂盘还设置有应力集中点，该应力集中点被配置成与弱化线对接并帮助引发盘打开。已知的破裂盘依赖于单独的部件，诸如，从破裂盘支撑环(例如130、230、430)突出的“齿”，该突出的“齿”接近弱化线地安装。然而，可能期望减少破裂盘组件中的部件数量。因此，本公开设想提供具有一体的应力集中特征的破裂盘，以促进弱化线打开。在一个实施方式中，一体的应力集中特征可以是弱化线的受到附加的弱化(例如，通过去除材料、压凹、剪切或其它手段)的部分。在另一实施方式中，一体的应力集中特征可以是与第一弱化线邻近、接近或成角度(例如，切向)地定位的第二弱化点或线。在又一进一步的实施方式中，应力诱导特征可以是与第一弱化线邻近、接近或成角度地定位的强度点或线。在另一实施方式中，破裂盘可以设置有递增应力诱导特征，诸如，附接到(例如，点焊或粘附)或增材制造的(例如，3-D打印)接近或邻近弱化线的齿或突起。在制造破裂盘期间，可以在形成弱化线之前或之后将这种附接的或增材制造的特征添加到破裂盘。根据一个实施方式，当破裂盘设置有一体的应力集中特征时，可以省略支撑环(例如，130、230、430)，并且破裂盘可以直接定位在保持器内，诸如图3A和图3B所示。
在图1A至图1D所示的实施方式中，破裂盘100的中央部分103设置有凹痕104。凹痕104可以放置在破裂盘的凸表面上(如图所示)和/或凹痕可以放置在破裂盘的凹表面上(未示出)中。凹痕104可以通过任何合适的手段来形成。通过非限制性示例，可以通过冲压、剪切或通过去除材料(例如，通过刻痕、激光烧蚀、化学蚀刻或其它处理)来形成凹痕104。
凹痕104可以被配置成提供用于中央部分103的反转的起始点。如所例示的，凹痕104被定位在中央部分103的顶点处，以便在中央部分103的顶点处引发中央部分103反转。然而，可以设想的是，凹痕可以另选地被远离顶点地定位以在破裂盘的另一部分处引发行反转。
尽管例示了凹痕104，但是可以设想的是，可以设置其它特征来提供反转的起始点。例如，代替凹痕或除了凹痕之外，可以提供弱化点、强度点、材料的局部变薄或其它特征。此外，进一步设想的是，破裂盘可以未设置有凹痕或其它特征以提供用于反转的特定起始点。
图1A至图1D、图2、图3A、图3B和图4所示的破裂盘具有穹顶形的中央部分。本公开不限于这样的配置。例如，可以设想的是，本公开的原理可以与诸如图6所示的截去顶端的截头锥体形破裂盘一起使用。
图1A至图1D、图2、图3A、图3B和图4所示的破裂盘大体是圆形的。本公开不限于这样的配置。例如，可以设想的是，本公开的原理可以与具有非圆形穹顶或截头锥体基部的破裂盘一起使用。在一个实施方式中，破裂盘穹顶基部可以采取五边形、六边形、正方形、矩形或其它形状。在一个实施方式中，如上所述，这样的盘可以设置有不规则弱化线。根据本公开，弱化线可以放置在穹顶或截头锥体本身上(而不是放置在破裂盘的过渡部分或凸缘上)。这样的放置可以允许改进破裂时的力传递和材料的撕裂。
图1A至图1D、图2、图3A、图3B和图4所示的破裂盘大体是径向对称的。本公开不限于这样的配置。例如，可以设想的是，本公开的原理可以与具有偏移穹顶形状(例如，其中穹顶的顶点远离破裂盘的中心径向轴线定位)或偏移截头锥体形状(例如，其中，截头锥体的中央部分的中心远离破裂盘的中心径向轴线定位)的破裂盘一起使用。在一个实施方式中，如上所述，这样的盘可以设置有不规则的弱化线。根据本公开，弱化线可以放置在偏移穹顶穹顶或截头锥体自身的成角度的部分上(而不是放置在破裂盘的过渡部分或凸缘上)。这样的放置可以允许改进破裂时的力传递和材料的撕裂。
破裂盘可以被定位在保持器(例如110、210、310、410)内以形成破裂盘组件。在一个实施方式中，该组件可以密封地附接到容器的开口，由此破裂盘被配置成响应于容器中的超压状态而反转和/或破裂。
然而，本公开认识到可能期望将可破裂元件直接一体地形成到要密封的容器的材料中。例如，容器或容器的一部分可以由金属板(例如，铝)制成，该金属板可以被成形为包括可破裂元件。这种设计提供以下优点，诸如：节省材料成本、节省制造成本、安装更简单或更快速以及减少或消除潜在的泄漏点。
一体破裂元件的一个实施方式在图7A和图7B中例示。如图所示，处理部或容器壁700可以被成形为包括可破裂部分710。可破裂部分710被配置成响应于处理部或容器内部的预定压力而反转和/或破裂。在所示的实施方式中，可破裂部分710是圆形的并且是穹顶形的。如上所述，可以另选地使用其它形状的可破裂部分。在所示的实施方式中，可破裂部分710设置有剪切弱化线705和顶点凹痕704。如上所述，可以设想的是，可以使用其它弱化线和/或其它凹痕。
一体可破裂部分的另一实施方式在图8A和图8B中例示。如图所示，处理部或容器壁800可以被成形为包括可破裂部分810，该可破裂部分810通过过渡部分802接合到壁800。可破裂部分810被配置成响应于处理部或容器内部的预定压力而反转和/或破裂。在所示的实施方式中，可破裂部分810和过渡部分802是圆形的，并且可破裂部分810是穹顶形的。如上所述，可以另选地使用其它形状的可破裂部分。在所示的实施方式中，在过渡部分802与可破裂部分810之间设置有剪切弱化线805，并且在可破裂部分810中设置有顶点凹痕804。如上所述，可以设想的是，可以使用其它弱化线和/或其它凹痕。
图9A和图9B例示了一体可破裂部分的另一实施方式。如所例示的，处理部或容器壁900可以被成形为包括圆柱形壁920和可破裂部分910。可破裂部分910被配置成响应于处理部或容器内部的预定压力而反转和/或破裂。可以设置一个或更多个弱化线(未示出)以在反转时促进可破裂部分910破裂。
图10A和图10B例示了一体可破裂部分的又一实施方式。如所例示的，处理部或容器壁1000可以被成形为包括圆柱形壁1020和可破裂部分1010。沿着圆柱形壁1020设置有支撑构件1030。支撑构件1030可以被配置成向可破裂部分添加爆裂直径刚度，或者提供应力集中点、齿构件或切割元件(未例示)以与弱化线(未例示)相互作用以在反转时促进破裂。
在图9A至图10B所示的实施方式中，可破裂部分和圆柱形壁是圆形的，并且可破裂部分是穹顶形的。如上所述，可以另选地使用其它形状的可破裂部分和圆柱形壁。
尽管上面公开了反向屈曲破裂盘和可破裂部分，但是本公开的原理也可以与处理部/容器壁的前向作用的破裂盘(即，承受拉力的破裂盘)或前向作用的可破裂部分一起使用。
可以设想的是，根据本公开，上述实施方式的一个或更多个特征可以彼此组合。
考虑到本文的公开内容的说明书和实践，其它实施方式对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和示例旨在仅被认为是示例性的，本公开的真实范围和精神由所附权利要求表示。

Claims (21)

1.一种破裂盘，所述破裂盘包括：
凸缘部分；
反向屈曲穹顶部分；以及
过渡部分，所述过渡部分将所述凸缘部分接合到所述反向屈曲穹顶部分；
其中，所述穹顶部分限定顶点，并且其中，所述穹顶部分进一步限定位于所述顶点处的凹痕；
其中，所述穹顶部分进一步限定弱化线。
2.根据权利要求1所述的破裂盘，其中，所述弱化线被接近所述过渡部分定位。
3.根据权利要求1所述的破裂盘，其中，所述破裂盘进一步包括一体的应力集中特征，所述一体的应力集中特征被配置成在所述穹顶部分反转时向所述弱化线施加集中应力。
4.根据权利要求1所述的破裂盘，其中，所述弱化线被配置成包括相对弱的节段；并且其中，所述穹顶部分被配置成在反转时在所述相对弱的节段处引发破裂。
5.根据权利要求1所述的破裂盘，其中，至少一个弱化线是非圆形的、相对于所述破裂盘的直径偏心的、角形的或者弯曲和角形的组合。
6.根据权利要求1所述的破裂盘，其中，所述穹顶部分的基部是非圆形的。
7.根据权利要求6所述的破裂盘，其中，所述穹顶部分的所述基部是正方形、多边形、矩形、五边形或六边形中的一者。
8.根据权利要求7所述的破裂盘，其中，所述穹顶部分限定至少一个弱化线，其中，所述至少一个弱化线是非圆形的、相对于所述破裂盘的直径偏心的、角形的或者弯曲和角形的组合。
9.根据权利要求1所述的破裂盘，其中，所述顶点从所述破裂盘的中心径向直径偏移。
10.一种破裂盘组件，所述破裂盘组件包括：
破裂盘，所述破裂盘具有凸缘部分和反向屈曲穹顶部分；以及
保持器，其中，所述保持器被配置成将所述破裂盘压接在所述保持器内的位置中。
11.根据权利要求10所述的破裂盘组件，所述破裂盘组件进一步包括：
密封件，所述密封件被配置成在所述破裂盘与所述保持器之间形成不透流体的屏障。
12.根据权利要求11所述的破裂盘组件，其中，所述密封件是袋式密封件。
13.一种密封容器，所述密封容器包括：
至少一个容器壁；
其中，所述至少一个容器壁限定可破裂部分。
14.一种破裂盘，所述破裂盘包括：
凸缘部分；
反向屈曲穹顶部分；以及
过渡部分，所述过渡部分将所述凸缘部分接合到所述反向屈曲穹顶部分；
其中，所述穹顶部分限定顶点，并且其中，所述穹顶部分进一步限定位于所述顶点处的凹痕；
其中，所述穹顶部分进一步限定接近所述过渡部分的弱化线；并且
其中，所述弱化线被配置成包括相对弱的节段；
其中，所述穹顶部分被配置成在反转时在所述相对弱的节段处引发破裂。
15.一种破裂盘，所述破裂盘包括：
凸缘部分；
反向屈曲穹顶部分；以及
过渡部分，所述过渡部分将所述凸缘部分接合到所述反向屈曲穹顶部分；
其中，所述穹顶部分限定顶点，并且其中，所述穹顶部分进一步限定位于所述顶点处的凹痕；
其中，所述穹顶部分进一步限定至少一个弱化线，其中，所述至少一个弱化线是非圆形的、相对于所述破裂盘的直径偏心的、角形的或者弯曲和角形的组合。
16.一种破裂盘，所述破裂盘包括：
凸缘部分；
反向屈曲穹顶部分；以及
过渡部分，所述过渡部分将所述凸缘部分接合到所述反向屈曲穹顶部分；
其中，所述穹顶部分限定至少一个弱化线，其中，所述至少一个弱化线是非圆形的、相对于所述破裂盘的直径偏心的、角形的或者弯曲和角形的组合。
17.一种破裂盘，所述破裂盘包括：
凸缘部分；
反向屈曲穹顶部分，所述反向屈曲穹顶部分具有基部；以及
过渡部分，所述过渡部分将所述凸缘部分接合到所述反向屈曲穹顶部分；
其中，所述穹顶部分限定顶点，并且其中，所述穹顶部分进一步限定位于所述顶点处的凹痕；
其中，所述穹顶部分的所述基部是非圆形的。
18.根据权利要求17所述的破裂盘，其中，所述穹顶部分的所述基部是正方形、多边形、矩形、五边形或六边形中的一者。
19.根据权利要求18所述的破裂盘，其中，所述穹顶部分限定至少一个弱化线，其中，所述至少一个弱化线是非圆形的、相对于所述破裂盘的直径偏心的、角形的或者弯曲和角形的组合。
20.一种破裂盘，所述破裂盘包括：
凸缘部分；
反向屈曲穹顶部分；以及
过渡部分，所述过渡部分将所述凸缘部分接合到所述反向屈曲穹顶部分；
其中，所述穹顶部分限定顶点，并且其中，所述顶点从所述破裂盘的中心径向直径偏移；
其中，所述穹顶部分进一步限定弱化线，其中，所述弱化线是非圆形的。
21.根据权利要求20所述的破裂盘，其中，所述顶点进一步限定凹痕。
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