CN115899339B - 一种反拱型光纤爆破片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及爆破片安全泄放技术领域，公开了一种反拱型光纤爆破片，包括：爆破膜、密封环、光纤基座、光纤线与分布在光纤线上的光刻光栅，密封环的中部设有用于释放爆破压力的泄放口且密封环上设有直槽。本发明将带有光刻光栅的光纤线安装在爆破膜凹面的拱顶处，用于监测爆破膜拱顶的压力变化；在密封环的直槽内布置有带光刻光栅的光纤线，用于监测爆破膜温度的变化；在监测到爆破膜压力和温度变化时，光刻光栅将压力和温度引起的波长变化通过光纤线传输至光纤波长解调仪，光纤波长解调仪将信号解调成压力和温度的对应值，实现反拱型光纤爆破片的爆破动态特性参数实时监测与输出，可精确地测得爆破膜上压力与温度的实时变化。

Description

一种反拱型光纤爆破片

技术领域

本发明涉及爆破片安全泄放技术领域，尤其涉及一种反拱型光纤爆破片。

背景技术

爆破片作为安全泄放系统的压力敏感元件，其主要有两个方面的用途：一是用于管道、承压容器或设备内，当介质压力超过设定压力时，爆破片迅速爆破泄放介质，降低内部压力，从而保护管道、承压容器或设备的安全；二是用于压力开关场景，当主设备内压力超过设定压力时，爆破片迅速非重闭式爆破，使主设备与次级设备连通，从而主、次设备中的介质可进行融合反应。基于爆破片的以上功能，其被广泛应用于核电、航天、航空、石化、机械和生物科学等领域，而反拱型爆破片因具有高结构稳定性、耐高操作压力比、优异的抗疲劳寿命、爆破时无碎片和撞击火花等特性，成为相同适用工况下首选的爆破片类型。反拱型爆破片的拱面结构尺寸通过了试验设计，是一种可以达到精确控制失稳爆破能的储能元件，当拱形凸面在受压时，拱面上的失稳能量不断积累，当失稳能量达到失稳爆破能时，拱面会在毫秒级的响应时间内迅速爆破泄放介质，降低设备的内压从而保护设备。

反拱型爆破片在爆开的前提下，通常需要保证爆破动态特性指标，爆破动态特性指标主要为爆破压力、爆破温度、爆破响应时间。目前，国内爆破片厂家针对反拱型爆破片的爆破动态特性保证方式，均为按照GB567.1-2012中的爆破试验方法进行出厂抽样爆破试验，在爆开的情况下满足设计爆破压力和爆破温度两指标，爆破片即可出厂；但用户在使用时，通常需要额外增加压力和温度传感设备来对爆破片的爆破动态特性进行监控，由于压力和温度传感设备无法直接安装在爆破片拱面承压位置，故额外增加的监测设备无法准确监测到反拱型爆破片的爆破动态特性。现有技术一公开了一种具有报警功能的反拱形爆破片装置（公开号：CN214063916U），其通过在反拱形爆破片夹持器的出口中段设置闭环报警线，当爆破片爆破后，闭环报警线被破坏，闭环信号中断并传出爆破片爆破信号。由于失稳爆破至闭环报警线被破坏的时间间隔极短，此报警信号在一定范围内可以等同于爆破响应时间信号，但该装置仅可以监测爆破响应时间，不能监测其他爆破特性参数，无法满足用户的需要。

伴随着光纤通信技术的发展，光纤传感技术迅速崛起，光纤传感的基材为玻璃纤维，其具有耐高温、耐酸碱腐蚀、高电绝缘性、高老化寿命、防爆、可远程传输信号等特性，同时利用光纤中光栅波长变化的高灵敏性可以检测诸如压力、温度、流量、弯曲、电流、磁场及辐射等不同性能的物理量，光纤传感技术已广泛应用于核电、航空航天、工业控制、家用电器等领域，因此将光纤传感技术应用于爆破片的爆破特性监测具有高效、准确的优势。现有技术二公开了一种用于正拱型爆破片安全监测及预警的装置（公开号：CN215066635U），首次将光纤光栅和陶瓷应变片粘贴于正拱形爆破片表面，通过光栅中心波长突越和声信号大小提前预警爆破片的爆破信号，其解决了正拱形爆破片在临界爆破前一段时间内的爆破信号的监测与预警，但该装置不能实现爆破片爆破动态特性指标的实时监测与输出。对于反拱型爆破片的爆破特性实时监测与输出目前尚未有相关技术。

发明内容

本发明提供了一种反拱型光纤爆破片，解决现有的反拱型爆破片缺乏实时监测其爆破特性指标的问题。

一种反拱型光纤爆破片，包括：爆破膜、用于检测爆破动态特性参数的检测组件以及与爆破膜匹配的密封环；

检测组件包括光纤基座、光纤线与分布在光纤线上的光刻光栅，光纤线通过光纤基座对称设置在爆破膜的凹面一侧；两个光纤基座以爆破膜拱顶中心轴对称布置，两个光纤基座的间距小于爆破膜起拱直径的三分之一，两个光纤基座之间的光刻光栅与光纤基座具有拉应力；

密封环的中部设有用于释放爆破压力的泄放口，密封环的边缘上设有支耳，支耳内侧开设有直槽，光纤线穿过直槽与水晶头连接。

进一步地，上述水晶头的外部设有光纤耦合头，光纤耦合头的一端为圆柱面，另一端为方形槽面，其圆柱面一侧设有通道槽，其方形槽面一侧设有卡扣槽，卡扣槽的外卡块一端面形成外斜角面，外斜角面向外倾斜。

进一步地，上述光纤线的外侧设有耐高温密封胶，耐高温密封胶从爆破膜内侧拱顶处延伸至通道槽。

进一步地，上述光纤基座包括中部的高台阶面与两侧的低台阶面，高台阶面内部开设有通孔，通孔的轴向朝着高台阶面的长边方向，通孔内安装有光纤套筒，低台阶面上设有多个焊接点。

进一步地，上述光纤套筒呈空心柱状结构，其内壁焊接有光纤固定头。

进一步地，上述密封环的端面上设有多个限位孔，多个限位孔位于同一圆周直径上。

进一步地，上述密封环为法兰支座，法兰支座包括螺栓连接端面与焊接端面，螺栓连接端面上分布有多个螺栓孔，焊接端面与爆破膜的凹面一侧焊接固定，爆破膜的凸面一侧设有压环。

进一步地，上述法兰支座的内壁面开设有竖直槽，竖直槽内设有两个用于安装光纤耦合头的半圆形柱状槽，竖直槽的内部通过耐高温密封胶固定有光纤线与光刻光栅，耐高温密封胶的外侧通过螺钉固定有密封胶固定片。

进一步地，上述焊接端面的外径与爆破膜的外径相同，焊接端面的内径小于爆破膜的起拱外径。

进一步地，上述压环为圆环结构，其内径与爆破膜的起拱外径相同，压环的内径棱边进行圆角处理。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供了一种反拱型光纤爆破片，将带有光刻光栅的光纤线安装在爆破膜凹面的拱顶处，用于监测爆破膜拱顶的压力变化；在密封环的直槽内布置有带光刻光栅的光纤线，用于监测爆破膜温度的变化；在监测到爆破膜压力和温度变化时，光刻光栅将压力和温度引起的波长变化通过光纤线传输至光纤波长解调仪，光纤波长解调仪将信号解调成压力与温度的对应值，实现反拱光纤爆破片的爆破动态特性实时监测与输出。

（2）本发明中爆破膜凹面拱顶处的光刻光栅与光纤线固定在两个光纤基座之间，两个光纤基座以爆破膜拱顶中心轴对称布置，且两个光纤基座间的光刻光栅承受一定的拉应力，使光纤线与光刻光栅绷直，便于作用在拱顶的微小压力变化也可通过光刻光栅精确地测得。

附图说明

图1为本发明反拱型光纤爆破片的轴测示意图；

图2为本发明反拱型光纤爆破片的俯视示意图；

图3为图2中A-A断面的剖视示意图；

图4为本发明中光纤耦合头与光纤线的连接图；

图5为本发明中光纤耦合头与光纤线连接的正视图；

图6为图5中B-B断面的剖视示意图；

图7为本发明中光纤基座与光刻光栅连接示意图；

图8为实施例二中光纤爆破片结构的俯视示意图；

图9为图8中C-C断面的剖视示意图。

图中：1-爆破膜；101-刻槽；2-密封环；201-泄放口；202-限位孔；203-支耳；3-光纤基座；301-高台阶面；302-光纤套筒；303-光纤固定头；304-焊接点；4-光刻光栅；5-光纤线；6-水晶头；601-倒角；7-光纤耦合头；701-通道槽；702-卡扣槽；703-外斜角面； 8-法兰支座；801-螺栓连接端面；802-焊接端面；803-螺栓孔；804-密封胶固定片；805-螺钉；806-压环；807-耐高温密封胶。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明提供了一种反拱型光纤爆破片，包括：反拱型的爆破膜1、用于检测爆破动态特性参数的检测组件、以及与爆破膜1匹配的密封环2；

参考图1至图3，爆破膜1的中部为弧形的拱面，其余部分为平面，平面一侧设有沿径向的支耳，爆破膜1的凹面一侧开设有四条刻槽101，用于在爆破膜1拱面上形成受力弱位，刻槽101从爆破膜1拱顶延伸至拱面边缘，相邻的刻槽101之间的夹具为90°；爆破膜1一般为金属材质，多数由奥氏体不锈钢和镍基合金钢制成。

爆破膜1的平环面部分上设有密封环2，密封环2包括圆环状的主体与连接在主体边缘上的支耳203，主体的中部为用于释放爆破压力或介质的泄放口201，泄放口201的直径比爆破膜1拱面起拱直径小2mm；圆环状的主体平面上开设有三个限位孔202，三个限位孔202的圆心位于同一圆周直径上，从左至右相邻两个限位孔202之间的夹角依次为120°和60°，用于保证与爆破膜1叠放组装时的精确性；密封环2上的支耳203与爆破膜1上的支耳尺寸相同，密封环2上的支耳203上对称设置有两条相同尺寸的直槽，两条直槽径向延伸至支耳203的边缘，直槽用于安装带有光刻光栅4的光纤线5。

爆破膜1的拱面内侧设有检测组件，检测组件包括光纤基座3、光纤线5与间隔分布在光纤线5上的光刻光栅4；本实施例中设置有一长一短两条带有光刻光栅4的光纤线5，每条光纤线5的一端均采用镀层的方式进行光纤固定头303的镀金，紧接着设置一段长度为10mm的光刻光栅4，再接着将另一个光纤固定头303镀金。

参考图7，光纤基座3包括中部的高台阶面301与两侧的低台阶面，两侧的低台阶面相对称，高台阶面301内部开设有通孔，通孔轴向朝着高台阶面301的长边方向，通孔内安装有光纤套筒302，光纤套筒302的内径为0.4mm，光纤套筒302的壁厚为0.2mm，由不锈钢制成空心柱状结构，光纤套筒302的孔口内壁采用电阻焊的方式固定有光纤固定头303，用于光刻光栅4的设置，光纤套筒302整体通过电阻焊的方式固定在光纤基座3的通孔内部；光纤基座3的低台阶面上设有多个焊接点304，便于与爆破膜1进行焊接固定。当光纤线5、光刻光栅4与光纤基座3在爆破膜1凹面安装完成后，将爆破膜1与密封环2叠放安装，且在距圆周边缘2mm处使用电阻焊工艺沿圆周均匀点焊六处，形成一个光纤爆破片的成品。

长度较长的光纤线5通过两个光纤基座3安装在爆破膜1的拱面内侧，两个光纤基座3以爆破膜1拱顶中心轴对称布置且避开刻槽101，光纤线5上的光刻光栅4布置在爆破膜1拱顶内侧，用于监测爆破膜1拱顶的形变过程，两个光纤基座3的间距小于爆破膜1起拱直径的三分之一，两个光纤基座3之间的光刻光栅4与光纤基座3具有一定的拉应力，使每条光刻光栅4处于较为张紧的状态，便于爆破膜1有微小形变时也可以通过光刻光栅4测得。该条光纤线5一端穿过密封环2上的一个直槽与水晶头6连接，水晶头6用于将监测到的爆破膜1拱顶形变信号传输至外界。

参考图4至图6，水晶头6的外部设有光纤耦合头7，光纤耦合头7靠近密封环2的一端为圆柱面，另一端为方形槽面，水晶头6设置在圆柱面一侧并被卡紧，圆柱面一侧设有通道槽701，通道槽701便于光纤线5与水晶头6的连接，方形槽面一侧的壁面上设有卡扣槽702，卡扣槽702上的外卡块一端面形成外斜角面703，外斜角面703向外倾斜45°，其作用是形成LC型式的光纤跳线快插标准接口。

长度较短的光纤线5布置在密封环2的另一条直槽内，用于监测爆破膜1温度的变化情况；两个相同的光纤固定头303之间为光刻光栅4，光纤固定头303的外端为光纤线5，光纤线5连接有水晶头6。安装时将光纤固定头303点焊于密封环2的直槽内，再使用耐高温密封胶807填充固定。

水晶头6的端部进行了倒角601处理，便于水晶头6插入至光纤耦合头7。

光纤线5的外侧设有耐高温密封胶807，耐高温密封胶807从爆破膜1内侧拱顶处延伸至通道槽701处，对光纤线5起到密封定位的作用，同时密封环2的直槽内也布满耐高温密封胶807，耐高温密封胶807呈长薄条状，对直槽内的光纤线5和光刻光栅4剩余的空间起到密封的作用。

在使用时，当爆破膜1拱面受到压力和温度变化时，一长一短两条光纤线5上的光刻光栅4分别将压力和温度引起的波长变化通过光纤线5传递至光纤波长解调仪，解调仪将光信号解调成压力和温度的对应值，显示并输出至用户信息处理中心系统，从而实现反拱型光纤爆破片的爆破动态特性监控与输出功能。

本发明利用光纤传感的优势，将带有光刻光栅4的光纤线5布置于反拱型爆破膜的本体表面，实现以解调光纤光栅波长的变化实时监测并输出反拱型爆破片的压力和温度变化，得到准确的爆破压力、爆破温度和爆破响应时间等爆破动态特性参数。

实施例二

参考图8与图9，本实施例中密封环2的结构采用法兰支座8，法兰支座8包括螺栓连接端面801与焊接端面802，焊接端面802的直径小于螺栓连接端面801，螺栓连接端面801上分布有多个螺栓孔803，便于连接固定，焊接端面802与爆破膜1的凹面一侧焊接固定，爆破膜1的凸面一侧设有压环806。

焊接端面802的外径与爆破膜1的外径相同，焊接端面802的内径比爆破膜1的起拱外径小4mm，采用环焊的方式将爆破膜1、法兰支座8和压环806同时焊接在一起。

压环806为圆环结构，其内径与爆破膜1的起拱外径相同，外径尺寸与爆破膜1相同，在与法兰支座8配合固定爆破膜1时，压环806叠装在爆破膜1的平面上；压环806的内径棱边进行圆角处理，圆角半径为1.6mm。

法兰支座8上靠近内壁面一侧开设有竖直槽，竖直槽内设有两个半圆形柱状槽，用于限位焊接安装光纤耦合头7；带有光刻光栅4的光纤线5从竖直槽的底部向上延伸并连接在光纤耦合头7内的水晶头6上，光纤耦合头7、水晶头6的形状与尺寸与实施例一中的相同。竖直槽中的光纤线5通过耐高温密封胶807定位固定，由于耐高温密封胶807呈长薄条状，在竖直槽内容易脱落，因此在耐高温密封胶807的外侧通过螺钉805固定有密封胶固定片804，防止其脱落。

本实施例的爆破片在制作过程中，应先将爆破膜1进行刻槽101，然后将法兰支座8、爆破膜1和压环806按图9的位置关系进行组合后，沿着焊接端面802进行圆周焊接，焊接完成后再进行爆破膜1的成型以及光纤基座3、光刻光栅4与光纤线5的安装。

本实施例中未提及的其余部件和功能均与实施例一中的相同，区别在于密封环2的结构以及带来的安装形式不同。

以上所述仅为本发明的较优实施例，这些实施例不代表本发明的所有可能形式，本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种变形与改进，这些变形与改进仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种反拱型光纤爆破片，其特征在于，包括：爆破膜（1）、用于检测爆破动态特性参数的检测组件以及与所述爆破膜（1）匹配的密封环（2）；

所述检测组件包括光纤基座（3）、光纤线（5）与分布在所述光纤线（5）上的光刻光栅（4），所述光纤线（5）包括一长一短两条，长度较长的所述光纤线（5）通过所述光纤基座（3）对称设置在所述爆破膜（1）的凹面一侧；两个所述光纤基座（3）以所述爆破膜（1）拱顶中心轴对称布置，两个所述光纤基座（3）的间距小于所述爆破膜（1）起拱直径的三分之一，两个所述光纤基座（3）之间的光刻光栅（4）与所述光纤基座（3）具有拉应力；

所述密封环（2）的中部设有用于释放爆破压力的泄放口（201），所述密封环（2）的边缘上设有支耳（203），所述支耳（203）内侧开设有两条相同尺寸的直槽，长度较长的一条所述光纤线（5）穿过一条所述直槽与水晶头（6）连接，用于监测所述爆破膜（1）拱顶的压力变化；

长度较短的一条所述光纤线（5）布置在密封环（2）的另一条直槽内，用于监测所述爆破膜（1）的温度变化。

2.根据权利要求1所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述水晶头（6）的外部设有光纤耦合头（7），所述光纤耦合头（7）的一端为圆柱面，另一端为方形槽面，其圆柱面一侧设有通道槽（701），其方形槽面一侧设有卡扣槽（702），所述卡扣槽（702）的外卡块一端面形成外斜角面（703），所述外斜角面（703）向外倾斜。

3.根据权利要求2所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述光纤线（5）的外侧设有耐高温密封胶（807），所述耐高温密封胶（807）从所述爆破膜（1）内侧拱顶处延伸至所述通道槽（701）。

4.根据权利要求1所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述光纤基座（3）包括中部的高台阶面（301）与两侧的低台阶面，所述高台阶面（301）内部开设有通孔，所述通孔的轴向朝着所述高台阶面（301）的长边方向，所述通孔内安装有光纤套筒（302），所述低台阶面上设有多个焊接点（304）。

5.根据权利要求4所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述光纤套筒（302）呈空心柱状结构，其内壁焊接有光纤固定头（303）。

6.根据权利要求1所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述密封环（2）的端面上设有多个限位孔（202），多个所述限位孔（202）位于同一圆周直径上。

7.根据权利要求2所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述密封环（2）为法兰支座（8），所述法兰支座（8）包括螺栓连接端面（801）与焊接端面（802），所述螺栓连接端面（801）上分布有多个螺栓孔（803），所述焊接端面（802）与所述爆破膜（1）的凹面一侧焊接固定，所述爆破膜（1）的凸面一侧设有压环（806）。

8.根据权利要求7所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述法兰支座（8）的内壁面开设有竖直槽，所述竖直槽内设有两个用于安装所述光纤耦合头（7）的半圆形柱状槽，所述竖直槽的内部通过耐高温密封胶（807）固定有光纤线（5）与光刻光栅（4），所述耐高温密封胶（807）的外侧通过螺钉（805）固定有密封胶固定片（804）。

9.根据权利要求7所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述焊接端面（802）的外径与所述爆破膜（1）的外径相同，所述焊接端面（802）的内径小于所述爆破膜（1）的起拱外径。

10.根据权利要求7所述的反拱型光纤爆破片，其特征在于：所述压环（806）为圆环结构，其内径与所述爆破膜（1）的起拱外径相同，所述压环（806）的内径棱边进行圆角处理。

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