液位計(jì)相關(guān)文章
當(dāng)前位置：磁翻板液位計(jì) > 液位計(jì)相關(guān)文章高壓型磁翻板液位計(jì)捆綁磁致伸縮組合式液位計(jì)研究
日期：2020-03-25 來(lái)源： 作者：
摘要:依托中石油集采項(xiàng)目為背景，開(kāi)發(fā)了一種公稱(chēng)壓力26MPa、實(shí)驗(yàn)壓力35MPa、介質(zhì)密度為0.7g/cm3的高壓型磁翻板液位計(jì)，同時(shí)捆綁磁致伸縮液位變送器，實(shí)現(xiàn)了就地指示與信號(hào)遠(yuǎn)傳的組合式測(cè)量。采用理論計(jì)算與有限元仿真分析相結(jié)合的方法，確定了薄壁浮子的籠狀分節(jié)的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不易傾斜，十字交叉，環(huán)環(huán)相扣，十分牢固，容易安裝，可以根據(jù)壓力和密度自由組合，以同時(shí)滿(mǎn)足高壓力和低密度的要求，克服了以高壓磁浮子為核心的技術(shù)難題。并且依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定了主體結(jié)構(gòu)，包括主體管的外徑、壁厚、排污結(jié)構(gòu)和排氣結(jié)構(gòu)及法蘭規(guī)格和法蘭密封面結(jié)構(gòu)，還重點(diǎn)探討了排氣口的密封結(jié)構(gòu)及密封墊圈的選擇。另外還通過(guò)有限元仿真的方法對(duì)扇形磁鋼周?chē)艌?chǎng)分布情況進(jìn)行了分析，以此設(shè)計(jì)符合磁致伸縮液位計(jì)捆綁后所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度，保證兩者可以進(jìn)行充分的耦合，可以產(chǎn)生磁致伸縮要求的回波強(qiáng)度，進(jìn)而確定磁鋼結(jié)構(gòu)和外形尺寸。zui終加工了樣機(jī)，通過(guò)了壓力測(cè)試和耦合性能測(cè)試。
引言
公司為了成功入圍中石油高壓磁翻板液位計(jì)產(chǎn)品集采供應(yīng)商，對(duì)高壓磁翻板液位計(jì)產(chǎn)品立項(xiàng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。首先，解決了高壓磁浮子的耐高壓技術(shù)難題［1］，推導(dǎo)總結(jié)出了一套科學(xué)的磁浮子設(shè)計(jì)計(jì)算公式;其次，對(duì)磁浮子磁鋼通過(guò)有限元分析仿真的方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使磁鋼周?chē)艌?chǎng)分布更加均勻，在不增加磁鋼重量的前提下，提高了浮子的外圍磁場(chǎng)強(qiáng)度;然后，又對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐高壓設(shè)計(jì)，匯總了各零部件相關(guān)的計(jì)算公式，并且設(shè)計(jì)了排氣口的密封結(jié)構(gòu);zui后制作了樣機(jī)，成功通過(guò)了各項(xiàng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。
1浮子設(shè)計(jì)
磁翻板液位計(jì)靠浮子隨液位的移動(dòng)來(lái)測(cè)量液位的高度，浮子是高壓磁翻板液位計(jì)的核心部件，決定了整臺(tái)儀表的性能。浮子主要由薄壁圓筒、半球封頭、支撐和磁鋼組件四部分組成，如圖1所示，浮子的這幾個(gè)部分共同決定了整個(gè)浮子的性能，要分別進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)給出的訂貨參數(shù)，壓力、密度、溫度、磁場(chǎng)分布強(qiáng)度以及介質(zhì)度腐蝕性等方面進(jìn)行浮子的設(shè)計(jì)。本文浮子設(shè)計(jì)要求滿(mǎn)足公稱(chēng)壓力26MPa，浮子比重0.7g/cm3，設(shè)計(jì)溫度150℃，為了滿(mǎn)足行業(yè)內(nèi)的通用性需求，浮子長(zhǎng)度小于350mm，浮子外徑應(yīng)不大于50mm。
1.1薄壁圓筒設(shè)計(jì)
薄壁圓管在外力作用下，常因剛度不足使管發(fā)生變形，即被壓扁或折曲成波形，這就是薄壁管的失穩(wěn)現(xiàn)象。薄壁管失穩(wěn)時(shí)的外壓力稱(chēng)為該臨界壓力PCr，其橫截面被折曲成波紋弧形，波數(shù)n可能是2，3，4，5……等任意整數(shù)，如圖2所示。
薄壁管的臨界壓力PCr的大小主要決定于薄壁管的的幾何尺寸(長(zhǎng)度L、外徑D、厚度S)及所用材料的性質(zhì)(泊松比μ、楊氏彈性模量E)的影響，殼體橢圓度與材料的不均勻性，能使臨界壓力PCr的數(shù)值降低。外壓薄壁管根據(jù)管的長(zhǎng)短，可分為長(zhǎng)圓管、短圓管和剛性圓管三種。一般長(zhǎng)圓管、短圓管之間的劃分用臨界長(zhǎng)度LCr表示，如容器長(zhǎng)度L＞LCr為長(zhǎng)圓管，L＜LCr為短圓管［6］。臨界長(zhǎng)度由下式確定［7］:
長(zhǎng)圓管:失穩(wěn)時(shí)波數(shù)為n=2，臨界壓力僅與S/D有關(guān)，與L/D無(wú)關(guān)，計(jì)算式為:
短圓管:失穩(wěn)時(shí)波數(shù)為n＞2，如為3、4、5……，其波數(shù)n可近似地為:
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇公稱(chēng)尺寸，原來(lái)產(chǎn)品選擇的是DN50的標(biāo)準(zhǔn)，及主體管外徑為60mm，難以實(shí)現(xiàn)高壓突破，在此基礎(chǔ)上考慮到提高壓力必然要增加支撐重量，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)低密度必須增大浮子體積，所以要增大浮子外徑，初步選擇為DN65，主體管外徑為73mm，這樣即使由于壓力增大會(huì)使壁厚增大，也可以滿(mǎn)足浮子增大外徑的需求?？梢猿醪酱_定浮子薄壁圓管圓管的規(guī)格:外徑D=50mm，壁厚為S=1，材料選用低密度高強(qiáng)的TC4鈦合金，考慮焊接工藝，將失穏壓力視為設(shè)計(jì)壓力，即PCr=35MPa，代入式(5)得，L=35mm。這說(shuō)明支撐間距至少要35mm。
1.2封頭設(shè)計(jì)
因?yàn)榉忸^是磁翻板液位計(jì)運(yùn)輸裝配工作過(guò)程，浮子zui容易損壞的部位，為了確保具有足夠的強(qiáng)度，特考慮提高封頭的耐壓能力，令式(5)中的L等于D，并且等號(hào)右側(cè)除以2，即為薄壁圓球封頭的失穏變形公式。在這里我們?nèi)∑浔诤駷?.2mm。
1.3支撐設(shè)計(jì)
由于單獨(dú)壓入支撐環(huán)，安裝困難，受壓時(shí)容易發(fā)生傾斜造成支撐失效，浮子被破壞，所以往往做得比較厚。考慮到這些因素，文章將支撐設(shè)計(jì)為籠狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示，將支撐環(huán)的外周用線(xiàn)切割加工出許多狹縫，在支撐環(huán)之間增加卡條作為筋，卡在支撐環(huán)上，并且在每個(gè)結(jié)合點(diǎn)進(jìn)行焊接，這樣就形成了多個(gè)支撐環(huán)固定在一起的籠狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，并不會(huì)增加質(zhì)量，因?yàn)椴捎眠@種結(jié)構(gòu)可以將支撐環(huán)和筋做得很薄，大約在(0.5～0.6)mm，質(zhì)量不但沒(méi)有增加，反而增加了支撐面積，提高了浮子整體耐壓能力。
浮子內(nèi)加入支撐后的浮子應(yīng)力分析如圖4所示。如圖4中，(a)、(b)、(c)、(d)為浮子受外部壓力35MPa時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力分別大于682.734MPa、560.824MPa、438.913MPa、341.384MPa，由圖形可以看出，內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力大于682.734MPa的點(diǎn)很少，大部分集中在438.913MPa。與TC4的屈服極限為1050MPa相比還有很大的安全余量。圖5是實(shí)物照片。
1.4磁鋼設(shè)計(jì)
根據(jù)浮子實(shí)際內(nèi)徑設(shè)計(jì)磁鋼尺寸，文章采用八塊扇形磁鋼組合在一起的結(jié)構(gòu)，通過(guò)Ansys有限元軟件，采用單元ElementPlan53對(duì)永磁體進(jìn)行仿真分析，如圖6所示。在距離磁鋼外22mm的場(chǎng)強(qiáng)為1300高斯，滿(mǎn)足磁致伸縮對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度大約(1000～1500)高斯的磁場(chǎng)要求。
2 主體設(shè)計(jì)
2. 1 主體管設(shè)計(jì)
主體管在一定意義上可以當(dāng)作壓力容器來(lái)看待。可以近似歸屬于厚壁容器處理，所謂厚壁與薄壁并不是按容器厚度的大小來(lái)劃分，而是一種相對(duì)概念，通常根據(jù)容器外徑 DO 與內(nèi)徑 D1 的比值 K 來(lái)判斷，K＞1. 2 為厚壁容器，K≤1. 2 為薄壁容器。工程實(shí)際中的壓力容器大多為薄壁容器。外徑/內(nèi)徑＞1. 1 的圓筒形容器，通常在高溫、高壓下工作。厚壁圓筒的應(yīng)力特點(diǎn):
(1)徑向應(yīng)力相對(duì)較大，不能忽略，即三向應(yīng)力狀態(tài);
(2)軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力沿壁厚出現(xiàn)應(yīng)力梯度，不能視為均勻分布;
(3)在高溫下工作時(shí)，熱應(yīng)力沿壁厚出現(xiàn)應(yīng)力梯度。
厚壁圓筒應(yīng)力分析方法:屬超靜定問(wèn)題，應(yīng)該從平衡、幾何、物理等三個(gè)方面列方程求解。
如圖 7 所示，P i 為內(nèi)壓;p 0 為外壓;D 0 為外徑;D i為內(nèi)徑;令 k =D 0 /D i 為徑比。
代入以上公式得出，外徑 73 mm 的管，設(shè)計(jì)壓力35 MPa，壁厚應(yīng)該為 9 mm。
3 排氣封頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
磁翻板液位計(jì)頂部封頭處采用如圖 10 所示的密封結(jié)構(gòu)，此種密封結(jié)構(gòu)采用硅橡膠 O 型密封圈，適用于 100 MPa 以下的密封。
4 試驗(yàn)
制作了樣機(jī)如圖 11 所示，并對(duì)其進(jìn)行壓力實(shí)驗(yàn)和耦合實(shí)驗(yàn)。
4. 1 壓力實(shí)驗(yàn)
采用水壓試驗(yàn)工裝，進(jìn)行壓力試驗(yàn)，打壓到35 MPa，保壓 15 分鐘，沒(méi)有泄壓或泄露，試驗(yàn)設(shè)備如圖 12 所示。
4. 2 耦合性實(shí)驗(yàn)
將磁浮子裝入磁翻板液位計(jì)主體的浮子室內(nèi)，移動(dòng)浮子，磁翻板翻柱翻轉(zhuǎn)自如，并且磁致伸縮液位變送器回波強(qiáng)度較好?；夭◤?qiáng)度達(dá)到了 500 mV，并且波形的第一個(gè)波峰zui大，是理想波形，如圖 13 所示。
5 結(jié)論
文章總結(jié)了一套解決遠(yuǎn)傳型磁翻板液位計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)知識(shí)，找到了一套專(zhuān)門(mén)用于解決浮子設(shè)計(jì)問(wèn)題的方法。并且對(duì)永磁體的電磁場(chǎng)仿真做了簡(jiǎn)單的介紹，掌握了用于分析永磁體磁場(chǎng)分布的有效方法。zui后制作了樣機(jī)，成功通過(guò)了 35 MPa 的壓力實(shí)驗(yàn)和磁場(chǎng)耦合測(cè)試，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
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