隔膜式差壓變送器在負(fù)壓工況下典型故障

摘要:對隔膜式差壓變送器在負(fù)壓應(yīng)用場景下的一種典型故障進(jìn)行分析。結(jié)合隔膜式差壓變送器的構(gòu)造和導(dǎo)壓液的特性討論了該故障產(chǎn)生的各種可能原因，使用層流泄漏模型著重討論了密封面細(xì)微缺陷這一可能的故障源，定量分析的結(jié)論顯示密封面上細(xì)微缺陷導(dǎo)致的層流泄漏足以解釋該典型故障的現(xiàn)象。提出了進(jìn)一步驗(yàn)證的方法和改進(jìn)設(shè)備消除故障的方案。
0引言
       隔膜式差壓變送器是一種常見的儀表,它包含一張密封隔膜用以防止管道中的介質(zhì)直接進(jìn)入差壓變送器里的壓力傳感器組件中。
       本文的分析針對在煤化工行業(yè)工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的一種隔膜式差壓變送器的典型故障田:當(dāng)隔膜式差壓變送器的膜片工作在負(fù)壓(即膜片接觸的待測介質(zhì)壓強(qiáng)低于大氣壓。反之稱為正壓)工況下時(shí)，變送器在使用一段時(shí)間后易發(fā)生故障。檢查發(fā)生故障的變送器,往往發(fā)現(xiàn)膜片下出現(xiàn)了氣體,膜片鼓起到極限，不再能傳導(dǎo)介質(zhì)壓力。在煤化工廠的蒸餾精制和煤氣脫硫液的再生等工序都曾發(fā)現(xiàn)此類問題。作為對比，同類隔膜式差壓變送器在正壓工況下則未發(fā)現(xiàn)此類故障。
1隔膜式差壓變送器的誤差
       隔膜式差壓變送器典型構(gòu)造如圖1所示。

       隔膜膜片、隔膜腔、毛細(xì)管和變送器本體的一-部分圍成一-密閉空間(下文中將其稱作導(dǎo)壓腔)，導(dǎo)壓腔內(nèi)充滿導(dǎo)壓液(通常是硅油)，被測量的工藝介質(zhì)的壓力通過膜片和導(dǎo)壓液傳遞給變送器本體
在膜片處,膜片兩側(cè)導(dǎo)壓液的壓力、工藝介質(zhì)的壓力與膜片彈性形變的應(yīng)力構(gòu)成平衡關(guān)系。

       故膜片處導(dǎo)壓液壓強(qiáng)p導(dǎo)壓液與介質(zhì)壓強(qiáng)P介質(zhì)滿足
以下關(guān)系式:
S·P導(dǎo)壓液=S·P介質(zhì)+L·K(1)
       其中,S為膜片面積,L為膜片在垂直于膜片方向.上彈性形變的平均值(當(dāng)膜片向介質(zhì)方向凸起時(shí)L取值為正),K為膜片在該方向.上的彈性系數(shù)。
       導(dǎo)壓腔內(nèi)充滿導(dǎo)壓液，故導(dǎo)壓液體積V導(dǎo)壓液與導(dǎo)壓腔各部分容積V本體小、V毛細(xì)管V。隔，膜腔和V膜片滿足以下關(guān)系:
       V導(dǎo)壓液=V本體+V毛細(xì)管+V隔膜腔+V膜片(2)
因此，

而變送器處實(shí)際測得的壓強(qiáng)P本體則滿足以下關(guān)系式:
P本體-P導(dǎo)壓波=ρ導(dǎo)壓液·g·ΔH(5)
       其中，導(dǎo)壓液密度ρ導(dǎo)壓液、重力加速度g和變送器本體與膜片的高度差△H在實(shí)際應(yīng)用中均可視為固定值，故可以通過計(jì)算或現(xiàn)場標(biāo)定來校正消除P本體與p導(dǎo)壓液間的偏差。因此，可以認(rèn)為公式(4)等號右側(cè)的表達(dá)式:

即為隔膜式差壓變送器的主要誤差。
       可以看到,誤差與膜片的彈性系數(shù)正相關(guān),與膜片面積負(fù)相關(guān)，因此大而柔軟的膜片有助于降低誤差。誤差還與ΔV導(dǎo)壓液-ΔV本體一ΔV毛細(xì)管-△V隔膜腔的取值正相關(guān)。其中導(dǎo)壓液是液體，而變送器本體、毛細(xì)管和隔膜腔主要是固體。它們的體積變化一-般來自兩個(gè)方面:
其一是溫度的影響，對膜片而言，導(dǎo)壓液的熱膨脹與導(dǎo)壓腔的熱膨脹帶來的體積變化會相互抵消，.兩者熱膨脹系數(shù)差值與溫度變化帶來的誤差正相關(guān)。
其二是壓力的影響，壓力增大時(shí)導(dǎo)壓液趨于被壓縮，而作為容器的導(dǎo)壓腔(不含膜片)在內(nèi)部壓力增大時(shí)則趨于膨脹。兩種趨勢都使隔離膜片趨于內(nèi)凹。因此,誤差與導(dǎo)壓液的壓縮系數(shù)正相關(guān),與導(dǎo)壓腔(不含膜片)的剛度負(fù)相關(guān)。
       溫度和壓力帶來的體積變化量均與導(dǎo)壓腔的容積正相關(guān)，因此，降低導(dǎo)壓腔容積也是減小誤差的有效手段。在實(shí)用的隔膜式差壓變送器上可以看到纖細(xì)的毛細(xì)管、厚重的隔膜腔和變送器本體、寬大柔軟有波紋的隔離膜片，這些都是可以降低誤差的設(shè)計(jì)。
       問題描述中的故障發(fā)生時(shí)，導(dǎo)壓腔中出現(xiàn)氣體，.相當(dāng)于在公式(3)和公式(4)中ΔV導(dǎo)壓液廢處加入了新的項(xiàng)V氣，因此有:

       氣體的出現(xiàn)導(dǎo)致膜片形變加大,擴(kuò)大了測量誤差。另外，由于氣體體積和壓力隨溫度變化明顯，這種誤差不能通過標(biāo)定來消除。當(dāng)進(jìn)入導(dǎo)壓腔的氣體稍多時(shí)，形變量L還可能超過膜片的彈性極限，使儀表徹底失效。
       典型的隔膜式差壓變送器的膜片直徑為50mm或80mm,對于直徑80mm的膜片，導(dǎo)壓腔內(nèi)25mL氣體足以使膜片發(fā)生5mm的平均形變。而對于50mm的膜片,形變將超過12mm。這樣的形變量足以造成巨大的誤差乃至使儀表失效。
2導(dǎo)致故障的氣體來源
       從環(huán)境條件.上看,出現(xiàn)該故障的儀表--般位于各種蒸餾塔的頂部,周邊沒有嚴(yán)重的腐蝕性泄漏源.變送器的外部材質(zhì)為不銹鋼和涂環(huán)氧樹脂的鑄.鋁0.4.7.,有較好的耐久性，可以耐受工況下的環(huán)境影響。現(xiàn)場的環(huán)境溫度也并未超出廠家資料給出的范圍，可以基本排除環(huán)境因素的影響。初步分析，導(dǎo)壓腔內(nèi)氣體的可能來源包括:
(1)內(nèi)壁材料與導(dǎo)壓液的化學(xué)反應(yīng);
(2)導(dǎo)壓液的氣化;
(3)外部氣體滲漏進(jìn)入。
對這三種可能的氣體來源逐項(xiàng)分析如下:
       關(guān)于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體的可能性，隔膜膜片、隔膜腔、毛細(xì)管和變送器本體與導(dǎo)壓液的接觸部分一般以不銹鋼、氟塑料等耐腐性能較好的材料制成，導(dǎo)壓液-般選用硅油、氟油、乙二醇等化學(xué)穩(wěn)定性較好的液體。因此，可以排除化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量氣體的可能性。
       關(guān)于導(dǎo)壓液氣化的可能性，典型的變送器用導(dǎo)壓液硅油0.4在合理的工況溫度范圍內(nèi)飽和蒸汽壓極低，通常的負(fù)壓情況下不致發(fā)生氣化。以兩種常用導(dǎo)壓液PMX-200和DC-704為例，其主要參數(shù)如下:

       注意此處的飽和蒸氣壓均為絕對壓強(qiáng)，對應(yīng)的相對壓強(qiáng)在-100kPa左右。發(fā)生故障的儀表所在的工況并不會達(dá)到這樣的低壓和高溫，因此可以排除導(dǎo)壓液氣化的可能性。
       關(guān)于外界氣體滲漏的可能性,對于隔膜式差壓變送器，構(gòu)成導(dǎo)壓腔的隔離膜片、隔膜腔、毛細(xì)管和變送器本體幾個(gè)部分之間和各部分內(nèi)部構(gòu)件間存在接縫。一般來說，膜片與隔膜腔之間的接縫為焊接。毛細(xì)管與變送器本體、隔膜腔之間的接縫密封方式暫未找到資料。而變送器本體則通常至少有一處接縫使用墊片密封(如圖3所示)。

       從密封的角度.上看,焊接密封在排除了氣孔沙眼等嚴(yán)重缺陷的前提下是可靠的。而墊片密封則受較多因素的影響。
      理想狀態(tài)下，絕對光滑、絕對平行的兩個(gè)剛性平面在均勻壓力下壓緊即可實(shí)現(xiàn)密封。現(xiàn)實(shí)中連接件的兩個(gè)密封面總是存在粗糙度,兩者也不是絕對平行的，在緊固件作用下還會發(fā)生形變,使兩個(gè)密封面不能完全貼合。為了彌補(bǔ)這些缺陷，通常在兩個(gè)密封面間插入一.墊片，并施加足夠的壓力(稱為墊片預(yù)緊應(yīng)力),使墊片發(fā)生形變來適應(yīng)密封面的不規(guī)則性,填塞密封面的變形,堵塞界面泄漏的通道,實(shí)現(xiàn)密封[8。
       然而,墊片密封并不能實(shí)現(xiàn)絕對的無泄漏。一般認(rèn)為墊片密封的泄漏方式有界面泄漏、滲透泄漏、吹出泄漏三種
       界面泄漏:密封面上殘留的未被墊片堵塞的粗糙度,如加工紋理、劃痕等，一-些細(xì)微缺陷未能被墊片材料的變形完全填補(bǔ),構(gòu)成泄漏通道時(shí),流體通過泄漏通道通過密封面國。
滲透泄漏:對于非金屬材質(zhì)的墊片,材料本身的微觀結(jié)構(gòu)存在微小縫隙或細(xì)微的毛細(xì)管,使具有壓力的劉略差通過它們滲漏出來。
       吹出泄漏:當(dāng)夾緊墊片的總載荷過小(接近作用于接頭端部的流體靜壓力)時(shí)，密封面趨于分離導(dǎo)致泄漏。或墊片機(jī)械強(qiáng)度不足，當(dāng)壓緊載荷較小而流體壓力過大時(shí),墊片被撕裂導(dǎo)致泄漏。
其中界面泄漏占據(jù)主導(dǎo)地位。以下討論主要針對界面泄漏的情形。
3泄漏的定量分析
       界面泄漏中,連接件表面粗糙度造成的泄漏通道通常十分狹小,尺度一般在微米級。此時(shí)流體的阻力占主導(dǎo)地位，流體流動(dòng)方式為層流,其流量服從如以下公式

       其中,Q為體積流量,R為密封面上所有泄漏通道的等效半徑，η為流體的動(dòng)力粘度,L為泄漏通道長度,p1、P2為密封面兩側(cè)壓強(qiáng)。由公式(9)可見,泄漏量與流體的動(dòng)力粘度成反比。
       對于隔膜式差壓變送器導(dǎo)壓腔而言，當(dāng)介質(zhì)壓強(qiáng)高于大氣壓時(shí)，導(dǎo)壓腔內(nèi)導(dǎo)壓液傾向于向外滲漏，滲漏通道內(nèi)流體為導(dǎo)壓液。反之，當(dāng)介質(zhì)壓強(qiáng)低于大氣壓時(shí)，導(dǎo)壓腔外空氣傾向于向內(nèi)滲漏,滲漏通道內(nèi)流體為空氣。
       常溫常壓下空氣的粘度為18.25×10^-6Pa·s。而表1中兩種典型硅油導(dǎo)壓液的動(dòng)力粘度分別為9.3×10^-3Pa·s和41.7×10-3Pa·s,分別是空氣的510倍和2287倍,遠(yuǎn)高于空氣的動(dòng)力粘度。由公式(9),泄漏量與流體的動(dòng)力粘度成反比，故對于同一泄漏通道，負(fù)壓下空氣的漏入量也將遠(yuǎn)高于相同絕對值正壓下導(dǎo)壓液的漏出量。
       假定介質(zhì)相對大氣的壓強(qiáng)為50kPa的正壓或負(fù)壓，泄漏通道的長度為2mm,使用公式(9)計(jì)算得到不同的泄漏通道等效半徑下1年內(nèi)的泄漏量如下:

       表2中的“膜片形變”按直徑80mm隔離膜片發(fā)生的平均形變計(jì)算“失效時(shí)間”按上述膜片發(fā)生10mm形變所需時(shí)間計(jì)算。
       可以看到，導(dǎo)壓腔上--處等效半徑1.5μm的泄漏通道就足以在短期內(nèi)使負(fù)壓工況下的隔膜式差壓變送器發(fā)生故障失效。而同樣的泄漏通道在正壓下泄:漏導(dǎo)壓液的速度在--般儀表的使用壽命范圍內(nèi)不致暴露出問題。正壓下長期工作正常，負(fù)壓下迅速發(fā)生故障，這種結(jié)果與工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的故障現(xiàn)象吻合得很好。
       從加工工藝的角度看,1μum~1.5μm已經(jīng)接近了-般的切削加工手段所能提供的表面粗糙度的尺.度回。一般認(rèn)為表面粗糙度達(dá)到Ra=0.8μm即可稱作鏡面加工。即使使用昂貴的加工手段提高了降低了密封面的整體粗糙度，也很難絕對保證整.個(gè)密封面上不出現(xiàn)單個(gè)的缺陷制造出足夠尺度的泄漏通道,加工和裝配中意外沾染的塵埃等也可能造成這樣的泄漏通道。另一方面，健康人眼的分辨能力在60角秒左右叫，相當(dāng)于在25cm的距離上可以分辨72μm的細(xì)節(jié)。這意味著，當(dāng)密封面上出現(xiàn)足以形成泄漏通道的缺陷或塵埃時(shí)，常規(guī)的肉眼檢查將無法發(fā)現(xiàn)。
4結(jié)論
       綜上所述，導(dǎo)壓腔密封面上的微米級細(xì)微缺陷造成的泄漏可以導(dǎo)致隔膜式差壓變送器的故障失效,而空氣與導(dǎo)壓液粘度的巨大差異導(dǎo)致了相同時(shí)間內(nèi)負(fù)壓下故障發(fā)生的可能性遠(yuǎn)高于正壓下的可能性。這可以解釋負(fù)壓工況下隔膜式差壓變送器在工程實(shí)踐中出現(xiàn)的典型故障,并且在變送器生產(chǎn)中確實(shí)可能存在。
       分析的故障源主要存在于使用導(dǎo)壓腔上使用墊片密封的情況。要消除該故障源，從制造工藝上說，可以把導(dǎo)壓腔上所有使用墊片密封的位置改為焊接密封或注膠密封等方式，或采取其他手段有效提高導(dǎo)壓腔的密封性。從應(yīng)用選型上說，則應(yīng)避免在可能出現(xiàn)負(fù)壓的場景中應(yīng)用可能存在該故障源的隔膜式差壓變送器。進(jìn)-一步，對于微正壓測量的情形，也應(yīng)注意避免使毛細(xì)管和變送器主體低于隔離膜片的高度,以避免在變送器主體處出現(xiàn)負(fù)壓。如能與儀表制造商取得合作，獲得不同型號產(chǎn)品的詳細(xì)資料，.選取符合要求的產(chǎn)品或相應(yīng)改良產(chǎn)品，并在實(shí)驗(yàn)室或?qū)嶋H應(yīng)用中與常規(guī)產(chǎn)品做--定規(guī)模的觀察和對比，則可以對該故障源做進(jìn)一步確認(rèn)，并為設(shè)計(jì)選型和設(shè)備改進(jìn)給出確切的依據(jù)。