爆破片装置及其组装方法与流程

本申请要求于2015年11月6日提交的美国专利申请62/252,176号和于2016年1月20日提交的美国专利申请62/281,016号的权益，这两件申请以其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及一种爆破片装置及其组装，以及更具体地涉及一种密封的爆破片装置及其焊接方法。

背景技术：

爆破片用于各种化学工艺和制造应用中。在这些应用中，可能会使用或产生危险的、腐蚀性和侵蚀性的介质。对于这些系统而言，包括多件式保持器的爆破片组合件是已知的，其中爆破片在栓接法兰的张力下保持在适当的位置。但是，当暴露于苛刻介质时，爆破片的侵蚀和破坏可能会导致爆破片和保持器之间出现不期望的泄漏。在另一种方案中，爆破片组合件已经使用两件式保持器，其中爆破片夹在两个保持器部件之间并焊接在保持器部件和爆破片的外周周围的适当位置，从而将爆破片焊接在两个保持器部件之间。

技术实现要素：

在一个方面，已经发现，由于在焊接过程中产生的沿着爆破片的径向方向上的能量，两件式保持器爆破片组合件的外周边缘接头焊缝可能导致爆破片爆破压力中的不期望的变化。此外，由于焊缝暴露在爆破片组合件的外周表面上，所以焊缝中的任何缺陷都会产生泄漏问题。

因此，本文的爆破片装置具有装置主体，所述装置主体具有实心外表面，使得不存在通到装置径向外周的潜在泄漏路径。为此目的，爆破片和装置主体以及装置主体部件之间的焊缝从装置主体的径向外表面径向向内延伸。在优选的形式中，爆破片具有其易碎拱顶壁部分，所述拱顶壁部分以反向作用的取向布置在装置主体的线性通孔中，使得爆破片的拱顶壁部分的凸出侧朝向装置主体的入口取向。以这种方式，工艺介质的压力在径向向内的焊缝接头中产生压缩力，这有助于由此实现的密封效果。这还允许爆破片与装置主体之间的焊缝接头不太结实，同时仍然在其间实现适当的密封。

在另一方面，本文的爆破片装置被焊接以便能够实现在其期望的爆破压力中的一致性。为此，爆破片在横向于其壁厚的方向上焊接，以及更优选地在轴向方向上焊接。以这种方式，在焊接过程中产生的热量不会在径向向内的方向上沿着爆破片朝向其中心拱顶部分引导。取决于爆破片的冶金特性，这种径向引导的热量会在爆破片的期望爆破压力中产生不期望的变化。利用本文的轴向引导焊接工艺，这种不期望的变化被最小化。此外，由于先前描述的通过本文优选的爆破片装置的反向作用布置来产生较不结实或较低强度的焊缝接头的能力，这进一步有助于降低焊接过程期间所需的热能，这进而有助于保持爆破片的期望爆破压力。

由于沿着爆破片的径向引导热量(诸如当在装置主体的外周处形成焊缝接头时产生)而产生的在爆破压力中的不期望变化的这一问题对于具有较低爆破压力要求的爆破片是特别成问题的。在过去，可以通过周向对接/坡口焊接来焊接较高压应用所需的较厚材料而不会显著影响爆破压力。然而，为了实现包括较低爆破压力要求的全部压力范围，需要较薄的爆破片材料，其更易于受到径向引导焊接的影响，这样的径向引导焊接诸如用于在先前的爆破片组合件中产生外周边缘接头焊缝。因此，本发明的爆破片装置，包括用于产生其焊缝接头的方法，特别适合于具有较薄壁厚(诸如在约0.001英寸至约0.037英寸范围内)的爆破片，用于在较低爆破压力应用中使用。

在另一种形式中，提供具有类似装置主体的爆破片装置，所述装置主体具有实心外表面。在本文的爆破片装置的两种形式中，装置主体可具有两件式构造，其包括较小直径的环形保持环构件和较大直径的环形主装置主体座构件，它们焊接在一起以形成延伸通过装置主体的中心线性通孔。在最初描述的形式中，通过如前所述执行的焊接将爆破片焊接到座构件上。然后将保持环构件装配到座构件的凹入就座区域中以焊接到其上。

然而，通过装置主体的实心外表面，已经发现在替代形式的爆破片装置中将爆破片焊接到较小直径的保持环构件可能是有利的。因为保持环构件和爆破片的构造允许更紧密的焊接夹具夹持，所以可在爆破片的保持环构件的外周之间形成外周边缘接头型焊缝，而不会产生爆破片的爆破压力中的变化的问题。其原因在于在焊接过程期间产生的径向引导的热能不需要太大以形成焊缝，这是因为在焊接过程期间在形成焊缝的同时对保持环构件和爆破片进行更紧密的固定，使得足以在保持环构件和爆破片之间形成密封。

附图说明

图1是爆破片装置的示意图，示出焊接到装置主体的爆破片；

图2是爆破片装置的俯视图，示出其装置主体的环形结构；

图3是沿着图2中的线3-3截取的横截面视图；

图4是爆破片装置的分解横截面视图，其示出保持环构件以及具有焊接到其上的爆破片的主座构件的子组合件；

图5是图4中所示的座构件与爆破片之间的焊缝接头的放大横截面视图；

图6是示出焊接到座构件的直立环形壁部分上的保持环构件的放大横截面视图；

图7是在入口凸缘构件和出口凸缘构件之间以反向作用取向夹持的爆破片装置的横截面视图；

图8是替代爆破片装置的放大横截面视图，示出焊接到装置主体的爆破片；

图9是图8所示的爆破片装置的子组合件的横截面视图，示出焊接到保持环构件的爆破片；以及

图10是现有技术的爆破片组合件的示意图，示出两件式装置主体和在其之间的外周焊缝接头处密封的爆破片。

具体实施方式

图1示出了具有装置主体12和固定到其上的爆破片14的爆破片装置10。爆破片14具有平坦的外部环形部分16和位于爆破片14的径向中心处的中心的易碎拱顶壁部分18。爆破片14的中心拱顶壁部分18具有凸出表面20和凹入表面22，它们之间可具有恒定的厚度。易碎拱顶壁部分18配置成在预定爆破压力下破裂，这取决于与其配置相关的多种因素，包括拱顶壁部分18的厚度以及设置在其凸出表面20和凹入表面22中的任一者或两者中的任何刻痕的量、类型和配置。

如可以看出的那样，装置主体12具有径向外表面24，并且爆破片14经由与主体外表面24径向向内间隔开的焊缝接头26固定到装置主体12，从而不会在外表面处暴露出来。通过与图10对照并参照图10，现有的爆破片组合件具有两件式装置主体和夹在其间的爆破片，其中在装置主体的外周表面处形成焊缝接头。因此，当以反向作用配置使用时，其中爆破片的中央拱顶部分的凸出表面朝向爆破片装置入口取向并且暴露于工艺介质，如由示出通过组合件的流动路径的箭头所示，其压力在焊缝接头上产生径向指向的向外的力，从而产生使得由此提供的密封失效的可能性。然而，通过设置在爆破片14与装置主体12之间的径向内部焊缝接头26，由于装置主体12的材料相对于焊缝接头26位于径向向外处，焊缝接头26上的任何这种径向向外指向的力将焊缝接头26置于压缩状态下，如下文将进一步描述的那样。

参照图2至图6，可以看出，优选的爆破片装置10具有环形配置，使得主体外表面24具有圆形的横截面形状，并且装置主体12具有延伸通过其中的线性通孔42。装置主体12优选为两件式装置主体12，其包括环形保持环构件28和环形主体座构件30，它们焊接在一起以形成延伸通过其中的线性通孔42。主座构件30具有凹入就座区域32，爆破片14和保持环构件28被接收在就坐区域32中。更具体地，主座构件30具有环形主体部分34和直立的轴向延伸的外部环形壁部分36，其中环形肩部表面38形成在它们之间。肩部表面38具有形成于其中的凹入的环形凹穴39，环形凹穴39具有在其周围延伸的轴向台阶表面40。

爆破片14的平坦的外部环形部分16位于凹穴39中，以在环形部分16的圆形外周16a处焊接到座构件30，使得环形部分16在外周16a处沿着肩部表面38、凹入的凹穴39和其轴向台阶表面40熔合到主座构件30的材料，以在它们之间形成焊缝接头26。因为凹穴39从直立的环形壁部分36径向向内设置，所以为轴向焊接束提供径向间隙以在爆破片16和座构件30之间形成焊缝接头，并且提供更多的金属材料以覆盖焊接的爆破片环形部分外周16a，如图5中所示。可以使用各种焊接技术，其中电子束焊接是用于形成本文所述的焊缝接头的一种优选技术。包括保持环构件28和座构件30的装置主体12以及爆破片14的材料优选为金属材料，诸如钢和钢合金材料。例如，爆破片材料可包括316/316l、c-276、哈氏合金(hastellloy)、蒙乃尔合金(monel)、镍400、镍600、镍625、铬镍铁合金600、铬镍铁合金625、镍200/201、钛、钽、a-36和1018。爆破片14、保持环构件28和座构件30的金属材料可以彼此相同或不同。

为了将爆破片环形部分16的外周16a焊接在凹入的凹穴39中，焊接束沿着轴线41在大致轴向方向上被引导。如图所示，轴线41大体延伸通过爆破片装置10的中心通孔42。因为由焊接过程产生的热量在横向方向上并且更具体地在垂直于外部环形部分16的厚度的方向上在其上表面44和下表面46之间引导，径向向内传导到爆破片14的拱顶壁部分18的热能保持最小。以这种方式，按如上所述产生焊缝接头26也不会在爆破片14的期望爆破压力中产生不期望的变化。对于较薄的爆破片14尤其如此，较薄的爆破片诸如厚度在约0.001英寸至0.037英寸量级的爆破片。这种较薄的爆破片14对于热量对爆破片14的冶金特性(特别是其易碎拱顶壁部分18的冶金特性)的影响更敏感。

在将爆破片14焊接到座构件30上以形成子组合件49之后，通过将保持环构件28焊接到子组合件49而进行爆破片装置10的组装，使得保持环构件28放置并固定在座构件30的凹入就座区域32中。保持环构件28具有的外径与由直立的环形壁部分36形成的跨过凹入就座区域32的直径之间存在间隙，以便能够配合到凹入就座区域32内，如图1和图3中所示。沿着其下部外侧拐角47，环构件28被倒角，使得当配合在就座区域32内时，环构件28不接合爆破片环形部分16与座构件30之间的焊缝接头26上并且不直接将负载置于爆破片环形部分16与座构件30之间的焊缝接头26上，如图6中可见。如图所示，由于拐角47的倒角，拐角47具有倾斜延伸的表面47a。

保持环构件28在环构件28的上部外侧拐角28a和直立壁部分36的上部内端36a处焊接到座构件30，以在其间形成焊缝接头48，如图1中所示。焊缝接头48与焊缝接头26轴向间隔开并且从焊缝接头26略微径向错位或偏移，从而焊缝接头48位于焊缝接头26径向向外处。比较图1至图10，可以看出，相比于现有的爆破片组合件的单个焊缝接头，本发明的爆破片装置10具有多个焊缝接头26和48。这是有利的，因为焊缝接头26仅需要被形成为将两个部件即爆破片14和座构件30熔合在一起，以在其间提供密封连接，而不需要焊缝接头26同时提供结构支撑来克服爆破片装置10在其安装期间以及在使用时所经受的负载。这使得焊缝接头26的焊接深度更浅，同时仍然实现爆破片14与座构件30之间的适当密封。相比之下，第二焊缝接头48被认为是以保持主体构件28和30牢固地连接的结构焊缝，并且因此优选地形成为比焊缝接头26更大和更深，如图6中所示。在这方面，由于焊缝接头26不需要像焊缝接头48或适于图7所示现有爆破片组合件的焊缝接头那样结实，在其焊接过程中产生的热能可以较低，因此对爆破片14(特别是如前所述的较薄爆破片14)的预期爆破压力影响较小。

对于爆破片装置10而言，所有可能的泄漏路径都形成在装置主体12的外表面50的整个径向内侧。以此方式，任何泄漏路径都被包含在装置主体12内，使得它们不会沿着装置主体12的径向外表面50暴露于其外部。具体地，装置主体12的泄漏路径包括具有径向路径区段52和轴向路径区段54的横向延伸区段。径向路径区段52在保持环构件28的底表面56和座构件30的凹入的凹穴39之间沿着爆破片环形部分16定位。径向路径部分52由焊缝接头26密封。此外，当如图7中所示安装时，由夹持的凸缘构件58和60(诸如带凸缘的管)施加的夹持压力将抵靠爆破片的外部环形部分16的面对表面44来密封保持环构件28，因为保持环构件28取向成使得其底表面56位于凹入的凹穴39中，与爆破片的环形部分表面44接合。另外，即使诸如由于不完美的焊缝接头26而导致沿径向路径区段52的泄漏，由于径向路径区段52和轴向路径区段54都不暴露于装置主体12的外表面50，工艺介质也将不会逸出到周围的工作区域。介质通过径向路径区段52并且经过由焊缝接头26形成的密封的任何泄漏将仍然被位于轴向路径区段54的端部处的焊缝接头48阻止而防止泄漏到外表面50。因此，爆破片装置10的泄漏路径是包括其横向区段52和54的非线性的或曲折的路径，以便进一步最小化其中发生的潜在泄漏。

一旦如上所述将爆破片装置10焊接在一起，将装置主体12的焊缝48和环形轴向端部表面62机加工到期望的表面光洁度，以提供用于安装装置10的均匀密封表面。更具体地并且参照图7，示出爆破片装置10以其反向作用取向安装，其中流动由箭头66所示通过栓接的凸缘组合件64，使得易碎拱顶壁部分18以其凸出侧或凸出表面20面向由保持环构件28形成的装置线性通孔42的入口42a，并以其凹入侧或凹入表面22面向由主座构件30形成的装置线性通孔42的出口42b。为了安装，将环形垫圈构件68放置在机加工的轴向端部表面62上以便齐平地安放在其上。此后，环形凸缘70和72与相应的装置构件28和30相邻对准，并且螺纹螺柱74插入通过凸缘70和72的对准的螺柱孔76，其中螺母78拧到螺柱76的突出端部上，以抵靠爆破片装置10的相应轴向端部夹持凸缘构件70和72。垫圈构件68抵靠包括其上的焊缝接头48的轴向端部表面62而被凸缘70紧密地夹持，从而进一步密封爆破片装置10，即使在焊缝接头26和48两者都在其周围发生泄漏的情况下也能密封爆破片装置10。

如图7中所示，在爆破片装置10处于使用中的情况下，由于易碎裂的拱顶壁部分18的凸出侧20暴露于工艺介质的压力下，作用在爆破片14上的力有助于由焊缝接头26提供的密封功能。如前所述，这在爆破片14的环形部分16中产生径向向外的力，其将焊缝接头26更加牢固地抵靠凹穴39中的轴向台阶表面40，从而改善由此提供的密封。并且如前所述，焊缝接头26不经受任何其他负载，因为保持环构件28具有拐角倒角47以倾斜地延伸到保持构件底表面56，从而为焊缝接头26提供间隙，以去除来自由栓接凸缘组合件64产生的夹持力的在焊缝接头上的任何直接负载。如图6中可见，保持环构件28的尺寸可以设计成延伸到凹穴39中，尽管由于保持环构件28的倒角拐角47而与沿着凹穴轴向台阶表面40延伸的焊缝接头26存在间隙。

在另一个实施例中，提供如图8中所示的爆破片装置10a，其与前述爆破片装置10类似，使得相同的附图标记将用于其相应的部件。爆破片装置10a还优选包括两件式装置主体12，该装置主体具有焊接到其上的爆破片14。然而，爆破片14被焊接到保持环构件28上，而不是焊接到座构件30上。如图9中所示，爆破片14直接安装到保持环构件28，它们相应的外径对准，并且爆破片环形部分16与环构件底部56齐平地安置，以形成外周边缘接头型焊缝80(示意性示出)，该焊缝80将爆破片14和保持环构件28密封在一起并形成子组合件82。

就此而言，爆破片装置10a的环构件28不像先前所述的爆破片装置10的环构件28那样包括倒角的下部外侧拐角，而是具有形成在下部外侧拐角86处的环形沟槽84，其中拐角86具有与爆破片环形部分16的外周16a基本相同的直径。当使用径向方向上引导的热量以便形成外周焊缝80时，爆破片装置10a避免在爆破片14的爆破压力中产生不期望的变化，因为在焊接过程中能够容易地将爆破片14的外周和环构件28紧密对准。这导致能够形成下述周边焊缝接头80，其具有有效的密封能力，同时用于形成该焊缝接头所需的电流强度较低(即，所需热量降低)。考虑到较低的爆破压力(例如约50psi及以下)需要较薄的爆破片(其更易于受到应力)，外周焊缝80所需的较低电流强度减少了爆破片14的潜在缺陷。简单地使用夹具固定来形成焊接子组合件82还允许快速有效地制造爆破片装置10a。

此外，爆破片装置10a中的每个焊缝接头48和80保持从装置主体12的外表面50径向向内布置，特别是从其径向上较大的座构件30的外表面50径向向内布置，使得爆破片装置10a总体上具有与前述爆破片装置10相同的横向延伸的泄漏路径区段52和54。因此，由于外周焊缝80上可能导致泄漏的应力压力而产生的任何缺陷仍将被保持环构件28和座构件30之间的焊缝接头48所限制。

为了完成爆破片装置10a，子组合件82通过下述而固定至座构件30：即在具有已经焊接到其上的爆破片14的环构件28的上部拐角28a与座构件30的直立壁部分36的上部内端部36a之间形成焊缝接头48。然后以与图7中所示相同的方式，爆破片装置10a以反向作用取向夹持在入口凸缘构件58和出口凸缘构件60之间。

在两个爆破片装置10和10a中，座构件30可具有切割元件86，切割元件86形成为围绕其环形主体部分34的上部内边缘部分88沿周向间隔开。当装置主体12中的工艺介质达到爆破片14的预定爆破压力时，切割元件86协助爆破片14的拱顶壁部分18破裂。如图2中最佳可见，分段的成形部分90从边缘部分88伸出，并提供一个支点，当爆破片拱顶壁部分18破裂时，拱顶壁部分18围绕该支点弯曲，使得拱顶壁部分18在爆破和弯曲之后保持附接到外部环形部分16上。

本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改、变更和组合，并且这些修改、变更和组合应被视为在本发明的范围内。