大量程壓力變送器受壓薄弱部位的強(qiáng)度設(shè)計

摘要：從大量程壓力變送器工作原理入手,，對其機(jī)械部總組件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的受力分析,，通過構(gòu)造力學(xué)模型,、確定受壓薄弱部位滿足的強(qiáng)＇度條件,，轉(zhuǎn)換成包含壁厚,、熔深等物理量的數(shù)學(xué)關(guān)系式,，計算出具體尺寸數(shù)值，為強(qiáng)度設(shè)計提供可靠依據(jù),。此設(shè)計方法對其它高壓壓＇力容器,、管道的強(qiáng)度設(shè)計具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義

1引目

壓力變送器是工業(yè)實踐中最為常用的一種壓力儀表,，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電,、鐵路交通,、智能建筑、生產(chǎn)自控,、航空航天,、軍工、石化,、油井,、電力、船舶,、機(jī)床,、管道等眾多行業(yè)。一種大量程（測量范圍0~50Mpa）,、螺紋連接安裝型壓力變送器,，能精確測量流體的壓力，并把它轉(zhuǎn)換成ＤＣ4￣20ｍＡ的輸出信號,。該變送器采用了由微加工技術(shù)制成的硅微電容傳感器和微處理器,，具有優(yōu)異的特性和功能，小巧,、輕便,，環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)良。壓力變送器工作原理如圖1所示,，在檢測部內(nèi),，輸入壓力被轉(zhuǎn)化為靜電電容，在傳輸部對與壓力成正比的檢測信號進(jìn)行放大運(yùn)算,，發(fā)送輸出ＤＣ4~20ｍＡ的電流信號,。

2.整體結(jié)構(gòu)和受力分析

型壓力變送器的機(jī)械部總組件結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓力變送器與現(xiàn)場壓力管道通過連接管采用NPT1/2圓錐管螺紋密封連接,，正常工作時被測流體充滿連接管,，管內(nèi)部壓力為流體工作壓力，流體壓力通過密封膜片一和變送器內(nèi)部填充介質(zhì)進(jìn)行傳遞,，大氣壓力通過密封膜片二和變送器內(nèi)部填充介質(zhì)進(jìn)行傳遞,，因此壓力傳感器高壓側(cè)和連接管內(nèi)部承受的壓力為流體工作壓力，壓力傳感器低壓側(cè)承受的壓力為大氣壓力,。

通過上述分析可以看出：壓力變送器正常工作時,，其機(jī)械部總組件的連接管壁和焊縫是受壓部位中最為薄弱的環(huán)節(jié)。如果管壁設(shè)計較薄、焊縫熔深太淺,，將使管壁,、焊縫破裂導(dǎo)致被測流體或填充介質(zhì)泄露。由于低壓側(cè)大氣壓力1.01×10⁵Pa,，約為高壓側(cè)工作壓力50Mpa的1/500,，受壓非常小,，不再計算低壓側(cè)部位的強(qiáng)度,。以下針對壓力傳感器高壓側(cè)和連接管內(nèi)部承受壓力進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計，重點對連接管壁厚以及焊縫Ｗ－I,、焊縫ｗ－II,、焊縫Ｗ－III的熔深進(jìn)行計算。

3連接管壁厚設(shè)計

3.1管壁力學(xué)模型

隨著內(nèi)徑的變化,，連接管實際上是由多個僅承受內(nèi)壓的圓筒堆積而成,，如圖3所示，自上而下,，連接管可以近似看作是由內(nèi)徑分別為¢18.1mm,、¢24mm、¢17.34mm,、¢21.22mm的4個圓筒粘接而成,。

3.2壁厚設(shè)計計算

作用在筒壁上的工作壓力為50Mpa，設(shè)計壓力范圍在0.1Mpa~100Mpa之間,，依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ＪＢ4732－1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定：當(dāng)設(shè)計壓力P_C≤0.4ＫＳm時,，按公式（1）確定壁厚；當(dāng)設(shè)計壓力P_C＞0.4ＫＳｍ時,，按公式（2）確定壁厚,。

在式（1）、（2）中：

δ為圓筒壁厚,，mm,；

P_C為設(shè)計壓力，Mpa,；

Di為圓筒內(nèi)徑,，mm；

K為載荷組合系數(shù),；

Sm為設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度,，Mpa；

Ε為自然對數(shù)的底數(shù)

設(shè)計計算時,，取設(shè)計壓力等于壓力變送器工作時的最大工作壓力即P_C＝50Mpa,，根據(jù)表1《載荷組合系數(shù)》取Ｋ＝1.0，連接管原材料選用的是0Cr17Ni12Mo2高合金鋼鍛件,，根據(jù)表2《鍛件的設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度》取Sm＝137Mpa,。

由于P_C＝50Mpa，0.4KS＝0.4×1.0×137＝54.7,，顯然P_C＜0.4KSm所以選取公式（1）來計算連接管的壁厚,。分別把不同內(nèi)徑值和P_C＝50、Ｋ＝1.0,、Sm＝137代入式（1）計算＜5值：當(dāng)D1＝27.1時,，δ＝6.27；當(dāng)Di＝¢24時,，δ＝5.36,；當(dāng)Ｄi＝17.34時，δ＝3.77,；當(dāng)Di＝21.22時,，δ＝4.74。設(shè)連接管外徑為D,，則D＝Di＋2δ,，4個圓筒中內(nèi)徑最大對應(yīng)的外徑最大，其外徑最大值為D＝27.1＋2×6.27＝40.64,。單從設(shè)計上講,，其它3個圓筒按照外徑、內(nèi)徑與壁厚對應(yīng)關(guān)系計算出來的外徑值都比40.64小,，考慮到連接管零件機(jī)械加工的工藝性,、美觀性和使用的可操作性，連接管外徑可統(tǒng)一?。模?/span>41mm,，在圓筒3和4得外圓柱面銑加工出兩個平行平面，保證剩余部分壁厚不小于上述計算出的圓筒壁厚數(shù)值,。

4焊縫熔深強(qiáng)度計算

為保證焊縫在工作時不致因強(qiáng)度不夠而破壞,，焊接部的最大工作應(yīng)力不得超過材料的許用應(yīng)力，即要求焊縫焊接部的強(qiáng)度條件為：

σmax≤[σ]                    （3）

式（3）中：

σmax為焊接部最大工作壓力,，MPa;

[σ]為材料許用應(yīng)力,，Mpa。

4.1焊縫Ｗ－I

設(shè)焊縫Ｗ－I即本體和連接管焊接部的工作應(yīng)力為σ1,，則其焊縫的強(qiáng)度條件為：
σ1≤[σ]               （4）

本體和連接管的原材料都選用的是不銹鋼0Cr17Ni12Mo2鍛件,，查表3《材料許用應(yīng)力表》取[σ]＝137Mpa

如圖4所示，Ｐ為設(shè)計壓強(qiáng),，設(shè)Ｗ－Ｉ焊縫的熔深為L1,，焊接部外徑為¢D1,，則其焊接部工作應(yīng)力σ1，計算方法如下

式（5）~（7）中：

F1為產(chǎn)生壓力,，Ｎ,；

A1為焊接部截面積，mm²,；

P為設(shè)計壓強(qiáng),，Mpa；

S1為受壓面積,，mm²,。

先后把式（7）和Ｐ＝50代入式（6），然后把式（6）,、（7）代入式（5）,，最后把式（5）和[σ]＝137代入式（4），整理得關(guān)于Ｌ,，的一元二次不等式（D1），為常量）為：

75L1²－75D₁ L1+4D1²≤0            （9）

解不等式（9）得：

0.05Ｄ≤Ｌ1≤0.95Ｄ

故：Ｌ1≥0.05Ｄ1

當(dāng)：Ｄ1＝41時,，Ｌ1≥2.05mm

4.2焊縫ｗ－II

設(shè)焊縫ｗ－II即本體和鑲件焊接部的工作應(yīng)力為σ2,，則其焊縫的強(qiáng)度條件為：
σ2≤[σ]             (10)

式（10）中：

σ2為焊接部工作應(yīng)力，Mpa,；

[σ]為材料許用應(yīng)力,，Mpa。

本體和鑲件的原材料都選用的是不銹鋼0Cr17Ni12Mo2鍛件,，查表3《材料許用應(yīng)力表》取[σ]＝137Mpa

如圖5所示,，ｐ為設(shè)計壓強(qiáng)，設(shè)焊縫ｗ－II的熔深為Ｌ2,，焊接部外徑為D2,，則其焊接部工作應(yīng)力σ2計算方法如下

顯然，焊縫Ｗ－III即本體和玻封組件焊接部與焊縫Ｗ－II的結(jié)構(gòu)型式完全相似,，所以計算方法完全相同,。設(shè)焊縫Ｗ－III的熔深L3，焊接部外徑為Ｄ3,，同理可得L3與Ｄ3的數(shù)學(xué)關(guān)系式為：

把玻封組件的外徑尺寸Ｄ3＝14mm代入式（16）,，得L3≥1.270mm。
5結(jié)束語

一般情況下,，壓力變送器內(nèi)部填充介質(zhì)和被測液體無強(qiáng)腐蝕性,，所處溫度變化范圍較小（范圍在-15℃~75℃）,，因此本文強(qiáng)度設(shè)計計算中忽略腐蝕裕量,、溫度影響等因素。上述強(qiáng)度設(shè)計計算僅僅是最基礎(chǔ)的設(shè)計計算，是產(chǎn)品設(shè)計的第一步,。在實際產(chǎn)品設(shè)計中,，首先按照理論設(shè)計值（考慮腐蝕裕量、應(yīng)力集中,、溫度變換等多個因素后的尺寸值）確定具體尺寸值,，進(jìn)行產(chǎn)品樣機(jī)試制，通過壓力試驗,、型式試驗和性能評價試驗等手段進(jìn)行驗證,、評價。然后通過驗證,、評價結(jié)果對尺寸值進(jìn)行必要調(diào)整,，包括尺寸放大和縮小。最后按照調(diào)整后的尺寸安排產(chǎn)品小批量試制,、試驗和工業(yè)化考核,，驗證合格后的尺寸就是設(shè)計的最終尺寸。這樣設(shè)計計算,，既避免了材料的浪費(fèi),，可實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的小型化，又使產(chǎn)品的安全可靠性得到了保證,。本文所運(yùn)用的力學(xué)建模和設(shè)計方法對其它高壓壓力容器,、管道的強(qiáng)度設(shè)計計算具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義