大量程壓力變送器受壓薄弱部位的強度設計

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

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,，并把它轉換成ＤＣ4￣20ｍＡ的輸出信號。該變送器采用了由微加工技術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)境適應性優(yōu)良,。壓力變送器工作原理如圖1所示，在檢測部內,，輸入壓力被轉化為靜電電容,，在傳輸部對與壓力成正比的檢測信號進行放大運算，發(fā)送輸出ＤＣ4~20ｍＡ的電流信號,。

2.整體結構和受力分析

型壓力變送器的機械部總組件結構如圖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部填充介質進行傳遞，大氣壓力通過密封膜片二和變送器內部填充介質進行傳遞,，因此壓力傳感器高壓側和連接管內部承受的壓力為流體工作壓力,，壓力傳感器低壓側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),。如果管壁設計較薄、焊縫熔深太淺，將使管壁,、焊縫破裂導致被測流體或填充介質泄露,。由于低壓側大氣壓力1.01×10⁵Pa，約為高壓側工作壓力50Mpa的1/500,，受壓非常小,，不再計算低壓側部位的強度。以下針對壓力傳感器高壓側和連接管內部承受壓力進行強度設計,，重點對連接管壁厚以及焊縫Ｗ－I,、焊縫ｗ－II、焊縫Ｗ－III的熔深進行計算,。

3連接管壁厚設計

3.1管壁力學模型

隨著內徑的變化,，連接管實際上是由多個僅承受內壓的圓筒堆積而成，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壁厚設計計算

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

Di為圓筒內徑，mm,；

K為載荷組合系數(shù),；

Sm為設計應力強度，Mpa,；

Ε為自然對數(shù)的底數(shù)

設計計算時,，取設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)》?。耍?/span>1.0,，連接管原材料選用的是0Cr17Ni12Mo2高合金鋼鍛件,，根據(jù)表2《鍛件的設計應力強度》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。分別把不同內徑值和P_C＝50,、Ｋ＝1.0,、Sm＝137代入式（1）計算＜5值：當D1＝27.1時，δ＝6.27,；當Di＝¢24時,，δ＝5.36；當Ｄi＝17.34時,，δ＝3.77,；當Di＝21.22時，δ＝4.74,。設連接管外徑為D,，則D＝Di＋2δ，4個圓筒中內徑最大對應的外徑最大,，其外徑最大值為D＝27.1＋2×6.27＝40.64,。單從設計上講，其它3個圓筒按照外徑,、內徑與壁厚對應關系計算出來的外徑值都比40.64小,，考慮到連接管零件機械加工的工藝性、美觀性和使用的可操作性,，連接管外徑可統(tǒng)一取Ｄ＝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焊縫熔深強度計算

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

σmax≤[σ]                    （3）

式（3）中：

σmax為焊接部最大工作壓力，MPa;

[σ]為材料許用應力,，Mpa,。

4.1焊縫Ｗ－I

設焊縫Ｗ－I即本體和連接管焊接部的工作應力為σ1，則其焊縫的強度條件為：
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《材料許用應力表》取[σ]＝137Mpa

如圖4所示,，Ｐ為設計壓強，設Ｗ－Ｉ焊縫的熔深為L1,，焊接部外徑為¢D1,，則其焊接部工作應力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為設計壓強,，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：Ｄ1＝41時,，Ｌ1≥2.05mm

4.2焊縫ｗ－II

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

式（10）中：

σ2為焊接部工作應力,，Mpa,；

[σ]為材料許用應力，Mpa,。

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

如圖5所示，ｐ為設計壓強,，設焊縫ｗ－II的熔深為Ｌ2,，焊接部外徑為D2，則其焊接部工作應力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的結構型式完全相似,，所以計算方法完全相同。設焊縫Ｗ－III的熔深L3,，焊接部外徑為Ｄ3,，同理可得L3與Ｄ3的數(shù)學關系式為：

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

一般情況下,，壓力變送器內部填充介質和被測液體無強腐蝕性，所處溫度變化范圍較?。ǚ秶?span lang="EN-US">-15℃~75℃）,，因此本文強度設計計算中忽略腐蝕裕量、溫度影響等因素,。上述強度設計計算僅僅是最基礎的設計計算,，是產(chǎn)品設計的第一步,。在實際產(chǎn)品設計中，首先按照理論設計值（考慮腐蝕裕量,、應力集中,、溫度變換等多個因素后的尺寸值）確定具體尺寸值，進行產(chǎn)品樣機試制,，通過壓力試驗,、型式試驗和性能評價試驗等手段進行驗證、評價,。然后通過驗證,、評價結果對尺寸值進行必要調整，包括尺寸放大和縮小,。最后按照調整后的尺寸安排產(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計的最終尺寸,。這樣設計計算,，既避免了材料的浪費，可實現(xiàn)產(chǎn)品設計的小型化,，又使產(chǎn)品的安全可靠性得到了保證,。本文所運用的力學建模和設計方法對其它高壓壓力容器、管道的強度設計計算具有一定的借鑒和指導意義