高壓型磁翻板液位計捆綁磁致伸縮組合式液位計研究
引言:助推中中國石油集采業務為經驗,建設一種公稱負擔26MPa、調查負擔35MPa、物質孔隙率計算措施為0.7g/cm3的各種壓型磁翻板液位計,互相捆邦磁致伸收液位渦街流量計,具備了就地技巧與手機信號遠傳的結合起來式估測。完成系統理論計算措施與是有限的制的元逼真技藝研究緊密相結合起來的措施,制定了厚壁浮子的籠狀分節的里面的支撐架的形式,一些的形式的的優點都是易傾倒,十字相互,九連環解法,10分堅固,便捷按照,不錯依照負擔和孔隙率計算措施獨立結合起來,以互相具備高負擔和低孔隙率計算措施的準則的標準,排解了以各種壓磁浮子為核心思想的技藝大問題。然而提高準則制定了整體的形式,以及整體管的外徑、管厚、外排的形式和res排氣管的形式及活套法蘭片型號規格和活套法蘭片封密面的形式,還關鍵性討論了res排氣管口的封密的形式及封密墊圈的會選擇。額外還應該確認是有限的制的元逼真技藝的措施對扇形磁鋼邊上電場分布圖制作具體情況完成了研究,并借此裝修設計具備磁致伸收液位計捆邦后所需要要的電場屈服承載力,提高兩種不錯完成更加充分的合體,不錯造成磁致伸收準則的標準的回波屈服承載力,轉而制定磁鋼的形式和內部結構的尺寸。zui終生產了演示機,應該確認了負擔自測和合體特性自測。
如下圖 7 一樣,P i 為壓力;p 0 為外壓;D 0 為外徑;D i為內徑;令 k =D 0 /D i 為徑比。
引言
公司為了成功入圍中石油高壓磁翻板液位計產品集采供應商,對高壓磁翻板液位計產品立項進行了開發。首先,解決了高壓磁浮子的耐高壓技術難題[1],推導總結出了一套科學的磁浮子設計計算公式;其次,對磁浮子磁鋼通過有限元分析仿真的方法進行了優化設計,使磁鋼周圍磁場分布更加均勻,在不增加磁鋼重量的前提下,提高了浮子的外圍磁場強度;然后,又對主體結構進行了耐高壓設計,匯總了各零部件相關的計算公式,并且設計了排氣口的密封結構;zui后制作了樣機,成功通過了各項測試實驗。
1浮子設計
靠浮子隨液位的移動來測量液位的高度,浮子是高壓磁翻板液位計的核心部件,決定了整臺儀表的性能。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,浮子的這幾個部分共同決定了整個浮子的性能,要分別進行研究。設計時要根據給出的訂貨參數,壓力、密度、溫度、磁場分布強度以及介質度腐蝕性等方面進行浮子的設計。本文浮子設計要求滿足公稱壓力26MPa,浮子比重0.7g/cm3,設計溫度150℃,為了滿足行業內的通用性需求,浮子長度小于350mm,浮子外徑應不大于50mm。
1.1薄壁圓筒設計
薄壁圓管在外力作用下,常因剛度不足使管發生變形,即被壓扁或折曲成波形,這就是薄壁管的失穩現象。薄壁管失穩時的外壓力稱為該臨界壓力PCr,其橫截面被折曲成波紋弧形,波數n可能是2,3,4,5……等任意整數,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(長度L、外徑D、厚度S)及所用材料的性質(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的數值降低。外壓薄壁管根據管的長短,可分為長圓管、短圓管和剛性圓管三種。一般長圓管、短圓管之間的劃分用臨界長度LCr表示,如容器長度L>LCr為長圓管,L<LCr為短圓管[6]。臨界長度由下式確定[7]:
長圓管:失穩時波數為n=2,臨界壓力僅與S/D有關,與L/D無關,計算式為:
短圓管:失穩時波數為n>2,如為3、4、5……,其波數n可近似地為:
根據標準選擇公稱尺寸,原來產品選擇的是DN50的標準,及主體管外徑為60mm,難以實現高壓突破,在此基礎上考慮到提高壓力必然要增加支撐重量,同時要實現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使壁厚增大,也可以滿足浮子增大外徑的需求。可以初步確定浮子薄壁圓管圓管的規格:外徑D=50mm,壁厚為S=1,材料選用低密度高強的TC4鈦合金,考慮焊接工藝,將失穏壓力視為設計壓力,即PCr=35MPa,代入式(5)得,L=35mm。這說明支撐間距至少要35mm。
1.2封頭設計
因為封頭是磁翻板液位計運輸裝配工作過程,浮子zui容易損壞的部位,為了確保具有足夠的強度,特考慮提高封頭的耐壓能力,令式(5)中的L等于D,并且等號右側除以2,即為薄壁圓球封頭的失穏變形公式。在這里我們取其壁厚為1.2mm。
1.3支撐設計
由于單獨壓入支撐環,安裝困難,受壓時容易發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,文章將支撐設計為籠狀結構,如圖3所示,將支撐環的外周用線切割加工出許多狹縫,在支撐環之間增加卡條作為筋,卡在支撐環上,并且在每個結合點進行焊接,這樣就形成了多個支撐環固定在一起的籠狀結構。這種結構,并不會增加質量,因為采用這種結構可以將支撐環和筋做得很薄,大約在(0.5~0.6)mm,質量不但沒有增加,反而增加了支撐面積,提高了浮子整體耐壓能力。
浮子內加入支撐后的浮子應力分析如圖4所示。如圖4中,(a)、(b)、(c)、(d)為浮子受外部壓力35MPa時,內部產生應力分別大于682.734MPa、560.824MPa、438.913MPa、341.384MPa,由圖形可以看出,內部產生應力大于682.734MPa的點很少,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是實物照片。
1.4磁鋼設計
根據浮子實際內徑設計磁鋼尺寸,文章采用八塊扇形磁鋼組合在一起的結構,通過Ansys有限元軟件,采用單元ElementPlan53對永磁體進行仿真分析,如圖6所示。在距離磁鋼外22mm的場強為1300高斯,滿足磁致伸縮對磁場強度大約(1000~1500)高斯的磁場要求。
2 主體設計
2. 1 主體管設計
主體管在一定意義上可以當作壓力容器來看待。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劃分,而是一種相對概念,通常根據容器外徑 DO 與內徑 D1 的比值 K 來判斷,K>1. 2 為厚壁容器,K≤1. 2 為薄壁容器。工程實際中的壓力容器大多為薄壁容器。外徑/內徑>1. 1 的圓筒形容器,通常在高溫、高壓下工作。厚壁圓筒的應力特點:
(1)徑向應力相對較大,不能忽略,即三向應力狀態;
(2)軸向應力和環向應力沿壁厚出現應力梯度,不能視為均勻分布;
(3)在高溫下工作時,熱應力沿壁厚出現應力梯度。
厚壁圓筒應力分析方法:屬超靜定問題,應該從平衡、幾何、物理等三個方面列方程求解。
代入以上公式得出,外徑 73 mm 的管,設計壓力35 MPa,壁厚應該為 9 mm。
3 排氣封頭密封結構設計
磁翻板液位計頂部封頭處采用如圖 10 所示的密封結構,此種密封結構采用硅橡膠 O 型密封圈,適用于 100 MPa 以下的密封。
4 試驗
制作了樣機如圖 11 所示,并對其進行壓力實驗和耦合實驗。
4. 1 壓力實驗
采用水壓試驗工裝,進行壓力試驗,打壓到35 MPa,保壓 15 分鐘,沒有泄壓或泄露,試驗設備如圖 12 所示。
4. 2 耦合性實驗
將磁浮子裝入磁翻板液位計主體的浮子室內,移動浮子,磁翻板翻柱翻轉自如,并且磁致伸縮液位變送器回波強度較好。回波強度達到了 500 mV,并且波形的第一個波峰zui大,是理想波形,如圖 13 所示。
5 結論
文章總結了一套解決遠傳型磁翻板液位計的關鍵技術的設計知識,找到了一套專門用于解決浮子設計問題的方法。并且對永磁體的電磁場仿真做了簡單的介紹,掌握了用于分析永磁體磁場分布的有效方法。zui后制作了樣機,成功通過了 35 MPa 的壓力實驗和磁場耦合測試,滿足設計要求。
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