大量程压力变送器受压薄弱部位的强度设计

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指导意义

1引目

压力变送器是工业实践中为常用的一种压力仪表，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，能正确测量流体的压力，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。

2.整体结构和受力分析

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。

通过上述分析可以看出：压力变送器正常工作时，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，依据国家行业标准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P_C≤0.4ＫＳm时，按公式（1）确定壁厚；当设计压力P_C＞0.4ＫＳｍ时，按公式（2）确定壁厚。

在式（1）、（2）中：

δ为圆筒壁厚，mm；

P_C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P_C＝50Mpa，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P_C＝50Mpa，0.4KS＝0.4×1.0×137＝54.7，显然P_C＜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P_C＝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℃），因此强度计算中忽略腐蚀裕量、温度影响等因素。上述强度计算仅仅是最基础的计算，是产品的第一步。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指导意义