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高温高真空远传法兰变送器制作工艺设计分析

作时间:2016-06-02  来源:  作者:
   

摘要:介绍了远传法兰变送器的特点及其应用场合,详细分析了高温高真空场合下使用的SC3151远传法兰变送器的设计、制作工艺。通过与普通法兰变送器试验对比,证明高温高真空法兰变送器在特殊应用场合具有优良性能。该制作工艺也可以对其他特殊测量仪器的设计制作起到一定的参考作用。

0 引言
        远传法兰变送器的测量原理和一般的差压、压力变送器相似,不同之处是在原有差压、压力变送器的基础上增加了远传毛细管和法兰膜盒,将测量点从变送器表体膜盒通过远传毛细管延伸到法兰膜盒表面处。由于毛细管内的填充液可随意选择,因而比一般差压、压力变送器用途更广泛。
远传法兰变送器一般使用在如下场合:被测介质用
        引压管引出时易固化或结晶;被测介质含有悬浮物,或过于粘稠,易堵塞引压接头或导压管;被测介质超出变送器正常使用温度范围,增加引压管也无法使温度降到正常范围;被测介质对一般变送器具有腐蚀性。

1 硅油填充液特性
        由于硅油具有良好的热稳定性及不易挥发性,价格便宜,因此一般变送器均使用硅油作为填充液。普通硅油的特性:从硅油的特性可知,当温度升高时,黏度降低,挥发性显著增高,沸点同时降低;当压力降低时,黏度也相应降低。当硅油用于高温高真空场合时,压力降低显著,温度又高,其黏度也降低很多,从而导致硅油的挥发性增大、沸点降低、热膨胀性增大,硅油部分汽化,体积膨胀,产生额外的附加压力,硅油填充液可能从密封不严的漏点泄漏,或导致测量膜片膨胀变形,造成变送器的漂移现象或者无法测量。硅油是不可压缩液体,在温度变化时,其体积变化将在密封腔体内产生额外的压力,这个压力是有规律的,可以通过膜片的设计来补偿。但是,如果硅油中存在可挥发性杂质,如水、空气等,当温度变化时,这些杂质的膨胀或压缩没有规律,将造成变送器测量的不稳定。

2 普通法兰变送器结构及制作工艺
        普通远传法兰变送器测量部件结构示意图如图1 所示。它由检测器部件1、连接盖2、连接口3、毛细管4、连接口5、法兰膜片组件6、密封螺钉7、密封钢球8 及支撑柱9 等组成。其中连接盖及法兰膜片组件的充灌液工艺孔密封方式采用密封钢球及密封螺钉螺纹密封,与填充液接触的各连接零部件均采取室温脱气,填充液为SH200 普通硅油。被测量介质通过法兰膜片将压力信号通过毛细管传递到检测器部件,检测器通过放大转换电路(放大转换电路图1 中未示意出),转化成标准的4-20 mA信号。对于一般工艺场合,普通远传法兰变送器基本能满足使用要求。

普通远传法兰变送器测量部件结构示意图


3 高温高真空变送器结构及制作工艺
        但对于少数特殊工艺过程,例如炼油厂生产中减压塔液位的测量,煤焦化蒸馏工艺过程中压力的测量等,常常在高温负压下工作(温度大于200℃,真空度小于10 kPa),普通远传法兰变送器则不能正常使用。
 
针对以上高温高真空条件下的硅油特性,SC3151高温高真空远传法兰变送器从密封、焊接、填充液冲灌、真空脱气等各个方面进行工艺设计。具体体现在以下7 个方面:
1)改变填充液工艺孔密封方式。普通法兰变送器的填充液密封工艺孔采用密封钢球和密封螺钉螺纹密封方式;高温高真空法兰变送器采用焊接密封方式,见图2所示,将传感器侧密封组件7 和法兰侧密封组件8 焊接在图示位置处,填充液冲灌完成后立即进行焊接密封。焊接密封方式与钢球螺纹密封方式相比较密封更加可靠。普通远传法兰变送器毛细管与连接口5 直接连接,而高温高真空远传法兰变送器毛细管与连接口5 之间添加密封硅胶10,这样可以将法兰侧与毛细管之间由于温度差造成的湿气隔离。以上两种密封方式很好地解决高温高真空条件下填充液的外泄和外界气体进入填充液的问题。

高温高真空远传法兰变送器测量部件结构示意图


2)增加测量膜片的厚度。普通法兰变送器测量膜片厚度为0.08 mm,在高温高真空下填充液容易膨胀,并导致0.08 mm 厚的膜片易于变形。为减少测量膜片的变形,增加膜片的弹性,高温高真空法兰变送器采用0.2 mm 厚度的测量膜片。
3)波纹法兰结构改变。普通法兰变送器的法兰波纹面如图3 所示,它的波形弯曲半径R=1.59,测量膜片厚度为0.08 mm,该结构的膜下液量为V1=1 800 mm3,它的PV 特性为0.2。高温高真空法兰变送器的法兰波形见图4,它的波形弯曲半径R=3.19,是普通法兰变送器波形弯曲半径的2 倍,测量膜片厚度为0.2 mm,该结构的膜下液量为V2=3 100 mm3,它的PV 特性为1.8。膜片的PV 特性是指它的压力—容积的转化,也即膜片材料的刚度。它是使膜下腔体的体积变化1 mm3 时在膜片上所施加的力。PV 特性的数值越大,则刚度越硬。膜片材料的刚度取决于膜片的动作直径、膜片材料、膜片的厚度和波纹的深度、形状等诸多因素。普通法兰变送器和高温高真空法兰变送器,两者的直径、材料相同,高温高真空的膜片厚度和波纹弯曲半径、深度均比普通法兰变送器大。波纹弯曲半径大,则它的刚度也越大。图5为两者的PV 特性对比图。高温高真空远传法兰变送器的膜片刚度大,也即膜下容积变化1 mm3 产生的较大的压力。其膜下腔体容积大,填充液量多,在高温真空条件下,腔体容积稍有变化,将产生较大的作用力,该力施加在填充液和波纹法兰上,进一步降低填充液的挥发性,同时也减少了波纹法兰材料中氢等非金属含量的游离到填充液中。这些结构设计均可增加膜片刚度的结构,提高了高温高真空远传法兰变送器稳定性能。
 

普通远传法兰变送器和高温高真空远传法兰变送器法兰波纹面

PV 特性对比图

4)真空脱气工艺的改善。脱气就是将材料或填充液放置在在真空炉内,在一定的温度下,尽可能地去除材料或填充液中所含的H 元素等非金属含量。由于氢原子直径很小,在高温真空条件下易于从材料中游离出来,形成氢分子,进入填充液中,造成变送器的漂移误差,严重时,膜片产生膨胀现象,使变送器无法进行测量。

高温高真空变送器的脱气工艺分为:零部件的脱气和填充液的脱气。

        普通远传法兰变送器只有毛细管填充液接触的零部件进行脱气处理。脱气条件为195℃、常压,脱气时间1.5 h。高温高真空法远传兰变送器在制造过程中,凡是与所有填充液接触的零部件,如检测器部件内部各种零部件,连接盖、连接口、毛细管、波纹法兰、密封组件等,都要进行脱气处理。脱气工艺条件是350℃、0.133Pa,脱气8 h 以上。在该条件下进行脱气处理,可以尽可能地将这些零部件材质中的H、N 等非金属去除掉,以减少气体扩散到填充液中,造成测量误差。
        法兰侧填充液脱气处理。普通法兰侧填充液是SH200 硅油,脱气条件为130℃,真空度为4Pa,脱气时间为3 h。高温高真空使用填充液是SH704,脱气条件为350℃,真空度为 0.133 Pa,脱气时间 72 h 以上,在此条件下能将填充液和零部件(法兰侧)中氢气体含量减到最低(如表1)。
5)填充液的选择。SH200 普通硅油的温度膨胀系数为0.001 07/℃,压缩率为0.001/MPa,高温高真空法兰变送器使用的是SH704 硅油,它的温度膨胀系数为0.0007/℃,压缩率为0.000 65/MPa,膨胀系数和压缩率比普通硅油降低约为35%。尽可能减少了填充液的因温度和压力变化而体积变化的趋势。
6)零部件材料的选用。为了减少在高温时不锈钢材料中的非金属的含量,减少氢元素游离到填充液中,严格控制不锈钢材料中的氢含量(如表2)。
4 试验结果
按照以上设计和工艺条件,制作的SC3151高温高真空远传法兰变送器于2011 年5 月进行漂移试验,漂移误差为0.1%,远小于0.5%的设计误差指标

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