隔膜式差壓變送器在負壓工況下典型故障

摘要:對隔膜式差壓變送器在負壓應用場景下的一種典型故障進行分析。結合隔膜式差壓變送器的構造和導壓液的特性討論了該故障產生的各種可能原因，使用層流泄漏模型著重討論了密封面細微缺陷這一可能的故障源，定量分析的結論顯示密封面上細微缺陷導致的層流泄漏足以解釋該典型故障的現象。提出了進一步驗證的方法和改進設備消除故障的方案。
0引言
       隔膜式差壓變送器是一種常見的儀表,它包含一張密封隔膜用以防止管道中的介質直接進入差壓變送器里的壓力傳感器組件中。
       本文的分析針對在煤化工行業工程實踐中發現的一種隔膜式差壓變送器的典型故障田:當隔膜式差壓變送器的膜片工作在負壓(即膜片接觸的待測介質壓強低于大氣壓。反之稱為正壓)工況下時，變送器在使用一段時間后易發生故障。檢查發生故障的變送器,往往發現膜片下出現了氣體,膜片鼓起到極限，不再能傳導介質壓力。在煤化工廠的蒸餾精制和煤氣脫硫液的再生等工序都曾發現此類問題。作為對比，同類隔膜式差壓變送器在正壓工況下則未發現此類故障。
1隔膜式差壓變送器的誤差
       隔膜式差壓變送器典型構造如圖1所示。

       隔膜膜片、隔膜腔、毛細管和變送器本體的一-部分圍成一-密閉空間(下文中將其稱作導壓腔)，導壓腔內充滿導壓液(通常是硅油)，被測量的工藝介質的壓力通過膜片和導壓液傳遞給變送器本體
在膜片處,膜片兩側導壓液的壓力、工藝介質的壓力與膜片彈性形變的應力構成平衡關系。

       故膜片處導壓液壓強p導壓液與介質壓強P介質滿足
以下關系式:
S·P導壓液=S·P介質+L·K(1)
       其中,S為膜片面積,L為膜片在垂直于膜片方向.上彈性形變的平均值(當膜片向介質方向凸起時L取值為正),K為膜片在該方向.上的彈性系數。
       導壓腔內充滿導壓液，故導壓液體積V導壓液與導壓腔各部分容積V本體小、V毛細管V。隔，膜腔和V膜片滿足以下關系:
       V導壓液=V本體+V毛細管+V隔膜腔+V膜片(2)
因此，

而變送器處實際測得的壓強P本體則滿足以下關系式:
P本體-P導壓波=ρ導壓液·g·ΔH(5)
       其中，導壓液密度ρ導壓液、重力加速度g和變送器本體與膜片的高度差△H在實際應用中均可視為固定值，故可以通過計算或現場標定來校正消除P本體與p導壓液間的偏差。因此，可以認為公式(4)等號右側的表達式:

即為隔膜式差壓變送器的主要誤差。
       可以看到,誤差與膜片的彈性系數正相關,與膜片面積負相關，因此大而柔軟的膜片有助于降低誤差。誤差還與ΔV導壓液-ΔV本體一ΔV毛細管-△V隔膜腔的取值正相關。其中導壓液是液體，而變送器本體、毛細管和隔膜腔主要是固體。它們的體積變化一-般來自兩個方面:
其一是溫度的影響，對膜片而言，導壓液的熱膨脹與導壓腔的熱膨脹帶來的體積變化會相互抵消，.兩者熱膨脹系數差值與溫度變化帶來的誤差正相關。
其二是壓力的影響，壓力增大時導壓液趨于被壓縮，而作為容器的導壓腔(不含膜片)在內部壓力增大時則趨于膨脹。兩種趨勢都使隔離膜片趨于內凹。因此,誤差與導壓液的壓縮系數正相關,與導壓腔(不含膜片)的剛度負相關。
       溫度和壓力帶來的體積變化量均與導壓腔的容積正相關，因此，降低導壓腔容積也是減小誤差的有效手段。在實用的隔膜式差壓變送器上可以看到纖細的毛細管、厚重的隔膜腔和變送器本體、寬大柔軟有波紋的隔離膜片，這些都是可以降低誤差的設計。
       問題描述中的故障發生時，導壓腔中出現氣體，.相當于在公式(3)和公式(4)中ΔV導壓液廢處加入了新的項V氣，因此有:

       氣體的出現導致膜片形變加大,擴大了測量誤差。另外，由于氣體體積和壓力隨溫度變化明顯，這種誤差不能通過標定來消除。當進入導壓腔的氣體稍多時，形變量L還可能超過膜片的彈性極限，使儀表徹底失效。
       典型的隔膜式差壓變送器的膜片直徑為50mm或80mm,對于直徑80mm的膜片，導壓腔內25mL氣體足以使膜片發生5mm的平均形變。而對于50mm的膜片,形變將超過12mm。這樣的形變量足以造成巨大的誤差乃至使儀表失效。
2導致故障的氣體來源
       從環境條件.上看,出現該故障的儀表--般位于各種蒸餾塔的頂部,周邊沒有嚴重的腐蝕性泄漏源.變送器的外部材質為不銹鋼和涂環氧樹脂的鑄.鋁0.4.7.,有較好的耐久性，可以耐受工況下的環境影響。現場的環境溫度也并未超出廠家資料給出的范圍，可以基本排除環境因素的影響。初步分析，導壓腔內氣體的可能來源包括:
(1)內壁材料與導壓液的化學反應;
(2)導壓液的氣化;
(3)外部氣體滲漏進入。
對這三種可能的氣體來源逐項分析如下:
       關于化學反應產生氣體的可能性，隔膜膜片、隔膜腔、毛細管和變送器本體與導壓液的接觸部分一般以不銹鋼、氟塑料等耐腐性能較好的材料制成，導壓液-般選用硅油、氟油、乙二醇等化學穩定性較好的液體。因此，可以排除化學反應產生大量氣體的可能性。
       關于導壓液氣化的可能性，典型的變送器用導壓液硅油0.4在合理的工況溫度范圍內飽和蒸汽壓極低，通常的負壓情況下不致發生氣化。以兩種常用導壓液PMX-200和DC-704為例，其主要參數如下:

       注意此處的飽和蒸氣壓均為絕對壓強，對應的相對壓強在-100kPa左右。發生故障的儀表所在的工況并不會達到這樣的低壓和高溫，因此可以排除導壓液氣化的可能性。
       關于外界氣體滲漏的可能性,對于隔膜式差壓變送器，構成導壓腔的隔離膜片、隔膜腔、毛細管和變送器本體幾個部分之間和各部分內部構件間存在接縫。一般來說，膜片與隔膜腔之間的接縫為焊接。毛細管與變送器本體、隔膜腔之間的接縫密封方式暫未找到資料。而變送器本體則通常至少有一處接縫使用墊片密封(如圖3所示)。

       從密封的角度.上看,焊接密封在排除了氣孔沙眼等嚴重缺陷的前提下是可靠的。而墊片密封則受較多因素的影響。
      理想狀態下，絕對光滑、絕對平行的兩個剛性平面在均勻壓力下壓緊即可實現密封。現實中連接件的兩個密封面總是存在粗糙度,兩者也不是絕對平行的，在緊固件作用下還會發生形變,使兩個密封面不能完全貼合。為了彌補這些缺陷，通常在兩個密封面間插入一.墊片，并施加足夠的壓力(稱為墊片預緊應力),使墊片發生形變來適應密封面的不規則性,填塞密封面的變形,堵塞界面泄漏的通道,實現密封[8。
       然而,墊片密封并不能實現絕對的無泄漏。一般認為墊片密封的泄漏方式有界面泄漏、滲透泄漏、吹出泄漏三種
       界面泄漏:密封面上殘留的未被墊片堵塞的粗糙度,如加工紋理、劃痕等，一-些細微缺陷未能被墊片材料的變形完全填補,構成泄漏通道時,流體通過泄漏通道通過密封面國。
滲透泄漏:對于非金屬材質的墊片,材料本身的微觀結構存在微小縫隙或細微的毛細管,使具有壓力的劉略差通過它們滲漏出來。
       吹出泄漏:當夾緊墊片的總載荷過小(接近作用于接頭端部的流體靜壓力)時，密封面趨于分離導致泄漏。或墊片機械強度不足，當壓緊載荷較小而流體壓力過大時,墊片被撕裂導致泄漏。
其中界面泄漏占據主導地位。以下討論主要針對界面泄漏的情形。
3泄漏的定量分析
       界面泄漏中,連接件表面粗糙度造成的泄漏通道通常十分狹小,尺度一般在微米級。此時流體的阻力占主導地位，流體流動方式為層流,其流量服從如以下公式

       其中,Q為體積流量,R為密封面上所有泄漏通道的等效半徑，η為流體的動力粘度,L為泄漏通道長度,p1、P2為密封面兩側壓強。由公式(9)可見,泄漏量與流體的動力粘度成反比。
       對于隔膜式差壓變送器導壓腔而言，當介質壓強高于大氣壓時，導壓腔內導壓液傾向于向外滲漏，滲漏通道內流體為導壓液。反之，當介質壓強低于大氣壓時，導壓腔外空氣傾向于向內滲漏,滲漏通道內流體為空氣。
       常溫常壓下空氣的粘度為18.25×10^-6Pa·s。而表1中兩種典型硅油導壓液的動力粘度分別為9.3×10^-3Pa·s和41.7×10-3Pa·s,分別是空氣的510倍和2287倍,遠高于空氣的動力粘度。由公式(9),泄漏量與流體的動力粘度成反比，故對于同一泄漏通道，負壓下空氣的漏入量也將遠高于相同絕對值正壓下導壓液的漏出量。
       假定介質相對大氣的壓強為50kPa的正壓或負壓，泄漏通道的長度為2mm,使用公式(9)計算得到不同的泄漏通道等效半徑下1年內的泄漏量如下:

       表2中的“膜片形變”按直徑80mm隔離膜片發生的平均形變計算“失效時間”按上述膜片發生10mm形變所需時間計算。
       可以看到，導壓腔上--處等效半徑1.5μm的泄漏通道就足以在短期內使負壓工況下的隔膜式差壓變送器發生故障失效。而同樣的泄漏通道在正壓下泄:漏導壓液的速度在--般儀表的使用壽命范圍內不致暴露出問題。正壓下長期工作正常，負壓下迅速發生故障，這種結果與工程實踐中發現的故障現象吻合得很好。
       從加工工藝的角度看,1μum~1.5μm已經接近了-般的切削加工手段所能提供的表面粗糙度的尺.度回。一般認為表面粗糙度達到Ra=0.8μm即可稱作鏡面加工。即使使用昂貴的加工手段提高了降低了密封面的整體粗糙度，也很難絕對保證整.個密封面上不出現單個的缺陷制造出足夠尺度的泄漏通道,加工和裝配中意外沾染的塵埃等也可能造成這樣的泄漏通道。另一方面，健康人眼的分辨能力在60角秒左右叫，相當于在25cm的距離上可以分辨72μm的細節。這意味著，當密封面上出現足以形成泄漏通道的缺陷或塵埃時，常規的肉眼檢查將無法發現。
4結論
       綜上所述，導壓腔密封面上的微米級細微缺陷造成的泄漏可以導致隔膜式差壓變送器的故障失效,而空氣與導壓液粘度的巨大差異導致了相同時間內負壓下故障發生的可能性遠高于正壓下的可能性。這可以解釋負壓工況下隔膜式差壓變送器在工程實踐中出現的典型故障,并且在變送器生產中確實可能存在。
       分析的故障源主要存在于使用導壓腔上使用墊片密封的情況。要消除該故障源，從制造工藝上說，可以把導壓腔上所有使用墊片密封的位置改為焊接密封或注膠密封等方式，或采取其他手段有效提高導壓腔的密封性。從應用選型上說，則應避免在可能出現負壓的場景中應用可能存在該故障源的隔膜式差壓變送器。進-一步，對于微正壓測量的情形，也應注意避免使毛細管和變送器主體低于隔離膜片的高度,以避免在變送器主體處出現負壓。如能與儀表制造商取得合作，獲得不同型號產品的詳細資料，.選取符合要求的產品或相應改良產品，并在實驗室或實際應用中與常規產品做--定規模的觀察和對比，則可以對該故障源做進一步確認，并為設計選型和設備改進給出確切的依據。