杏鑫招商大量程压力变送器受压薄弱部位的强度

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杏鑫注册登录【直属QQ304-724】摘要:从大量程压力变送器工作原理入手,对其机械部总组件进行整体结构的受力分析,通过构造力学模型、确定受压薄弱部位满足的强'度条件,转换成包含壁厚、熔深等物理量的数学关系式,计算出具体尺寸数值,为强度设计提供可靠依据。此设计方法对其它高压压'力容器、管道的强度设计具有一定的借鉴和引导意义
 
1引目
 
压力变送器是工业实践中最为常用的一种压力仪表,杏鑫代理其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。一种大量程(测量范围0~50Mpa)、螺纹连接安装型压力变送器,能精确测量流体的压力,并把它转换成DC4 ̄20mA的输出信号。该变送器采用了由微加工技术制成的硅微电容传感器和微处理器,具有优异的特性和功能,小巧、轻便,环境适应性优良。压力变送器工作原理如图1所示,在检测部内,输入压力被转化为静电电容,在传输部对与压力成正比的检测信号进行放大运算,发送输出DC4~20mA的电流信号。
 
压力变送器工作原理图
 
2.整体结构和受力分析
 
型压力变送器的机械部总组件结构如图2所示。压力变送器与现场压力管道通过连接管采用NPT1/2圆锥管螺纹密封连接,正常工作时被测流体充满连接管,管内部压力为流体工作压力,流体压力通过密封膜片一和变送器内部填充介质进行传递,大气压力通过密封膜片二和变送器内部填充介质进行传递,因此压力传感器高压侧和连接管内部承受的压力为流体工作压力,压力传感器低压侧承受的压力为大气压力。
 
压力变送器机械部总组件结构图
 
通过上述分析可以看出:压力变送器正常工作时,杏鑫总代理其机械部总组件的连接管壁和焊缝是受压部位中最为薄弱的环节。如果管壁设计较薄、焊缝熔深太浅,将使管壁、焊缝破裂导致被测流体或填充介质泄露。由于低压侧大气压力1.01×105Pa,约为高压侧工作压力50Mpa的1/500,受压非常小,不再计算低压侧部位的强度。以下针对压力传感器高压侧和连接管内部承受压力进行强度设计,重点对连接管壁厚以及焊缝W-I、焊缝w-II、焊缝W-III的熔深进行计算。
 
3连接管壁厚设计
 
3.1管壁力学模型
 
随着内径的变化,连接管实际上是由多个仅承受内压的圆筒堆积而成,如图3所示,自上而下,连接管可以近似看作是由内径分别为¢18.1mm、¢24mm、¢17.34mm、¢21.22mm的4个圆筒粘接而成。
 
 
 
3.2壁厚设计计算
 
作用在筒壁上的工作压力为50Mpa,设计压力范围在0.1Mpa~100Mpa之间,依据中华人民共和国行业标准JB4732-1995(2005年确认)《钢制压力容器一分析设计标准》中规定:当设计压力PC≤0.4KSm时,按公式(1)确定壁厚;当设计压力PC>0.4KSm时,按公式(2)确定壁厚。
 
 
 
在式(1)、(2)中:
 
δ为圆筒壁厚,mm;
 
PC为设计压力,Mpa;
 
Di为圆筒内径,mm;
 
K为载荷组合系数;
 
Sm为设计应力强度,Mpa;
 
Ε为自然对数的底数
 
设计计算时,取设计压力等于压力变送器工作时的最大工作压力即PC=50Mpa,杏鑫招商根据表1《载荷组合系数》取K=1.0,连接管原材料选用的是0Cr17Ni12Mo2高合金钢锻件,根据表2《锻件的设计应力强度》取Sm=137Mpa。
 
由于PC=50Mpa,0.4KS=0.4×1.0×137=54.7,显然PC<0.4KSm所以选取公式(1)来计算连接管的壁厚。分别把不同内径值和PC=50、K=1.0、Sm=137代入式(1)计算<5值:当D1=27.1时,δ=6.27;当Di=¢24时,δ=5.36;当Di=17.34时,δ=3.77;当Di=21.22时,δ=4.74。设连接管外径为D,则D=Di+2δ,4个圆筒中内径最大对应的外径最大,其外径最大值为D=27.1+2×6.27=40.64。单从设计上讲,其它3个圆筒按照外径、内径与壁厚对应关系计算出来的外径值都比40.64小,考虑到连接管零件机械加工的工艺性、美观性和使用的可操作性,连接管外径可统一取D=41mm,在圆筒3和4得外圆柱面铣加工出两个平行平面,保证剩余部分壁厚不小于上述计算出的圆筒壁厚数值。
 
 
4焊缝熔深强度计算
 
为保证焊缝在工作时不致因强度不够而破坏,焊接部的最大工作应力不得超过材料的许用应力,即要求焊缝焊接部的强度条件为:
 
σmax≤[σ]                    (3)
 
式(3)中:
 
σmax为焊接部最大工作压力,MPa;
 
[σ]为材料许用应力,Mpa。
 
4.1焊缝W-I
 
设焊缝W-I即本体和连接管焊接部的工作应力为σ1,则其焊缝的强度条件为:
σ1≤[σ]               (4)
 
本体和连接管的原材料都选用的是不锈钢0Cr17Ni12Mo2锻件,查表3《材料许用应力表》取[σ]=137Mpa
 
 
 
如图4所示,P为设计压强,设W-I焊缝的熔深为L1,焊接部外径为¢D1,则其焊接部工作应力σ1,计算方法如下
 
 
 
式(5)~(7)中:
 
F1为产生压力,N;
 
A1为焊接部截面积,mm2;
 
P为设计压强,Mpa;
 
S1为受压面积,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),整理得关于L,的一元二次不等式(D1),为常量)为:
 
75L12-75D1 L1+4D12≤0            (9)
 
解不等式(9)得:
 
0.05D≤L1≤0.95D
 
故:L1≥0.05D1
 
当:D1=41时,L1≥2.05mm
 
4.2焊缝w-II
 
设焊缝w-II即本体和镶件焊接部的工作应力为σ2,则其焊缝的强度条件为:
σ2≤[σ]             (10)
 
式(10)中:
 
σ2为焊接部工作应力,Mpa;
 
[σ]为材料许用应力,Mpa。
 
本体和镶件的原材料都选用的是不锈钢0Cr17Ni12Mo2锻件,查表3《材料许用应力表》取[σ]=137Mpa
 
如图5所示,p为设计压强,设焊缝w-II的熔深为L2,焊接部外径为D2,则其焊接部工作应力σ2计算方法如下
 
 
 
显然,焊缝W-III即本体和玻封组件焊接部与焊缝W-II的结构型式完全相似,所以计算方法完全相同。设焊缝W-III的熔深L3,焊接部外径为D3,同理可得L3与D3的数学关系式为:
 
 
把玻封组件的外径尺寸D3=14mm代入式(16),得L3≥1.270mm。
5结束语
 
一般情况下,压力变送器内部填充介质和被测液体无强腐蚀性,所处温度变化范围较小(范围在-15℃~75℃),因此本文强度设计计算中忽略腐蚀裕量、温度影响等因素。上述强度设计计算仅仅是最基础的设计计算,是产品设计的第一步。在实际产品设计中,首先按照理论设计值(考虑腐蚀裕量、应力集中、温度变换等多个因素后的尺寸值)确定具体尺寸值,进行产品样机试制,通过压力试验、型式试验和性能评价试验等手段进行验证、评价。然后通过验证、评价结果对尺寸值进行必要调整,包括尺寸放大和缩小。最后按照调整后的尺寸安排产品小批量试制、试验和工业化考核,验证合格后的尺寸就是设计的最终尺寸。这样设计计算,既避免了材料的浪费,可实现产品设计的小型化,又使产品的安全可靠性得到了保证。本文所运用的力学建模和设计方法对其它高压压力容器、管道的强度设计计算具有一定的借鉴和引导意义


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