Могут ли высокопрочные датчики перепада давления выдерживать гидравлические удары в трубопроводе

При пуске и остановке насосных агрегатов, быстром открытии и закрытии клапанов, пульсациях компрессоров, реверсировании гидравлических исполнительных механизмов и в других подобных условиях в трубопроводе могут возникать кратковременные скачки давления. Для высокопрочного датчика перепада давления способность стабильно выдерживать такие режимы определяется не только номинальным диапазоном перепада давления, но и классом статического давления, допустимой односторонней и двусторонней перегрузкой, конструкцией мембраны, свойствами среды и способом монтажа на объекте.

Датчик перепада давления измеряет разницу давлений между стороной высокого и низкого давления, однако фактический риск отказа часто обусловлен неравномерным воздействием давления на обе стороны. Например, при внезапном повышении давления на стороне высокого давления с запаздыванием реакции на стороне низкого давления либо при закупорке импульсной трубки, не позволяющей своевременно передать давление на одну из сторон, чувствительный элемент может подвергнуться кратковременной нагрузке, значительно превышающей нормальный измеряемый перепад давления.

Поэтому высокая прочность не означает возможность неограниченно выдерживать гидроудары или пневмоудары. Только при наличии достаточного запаса безопасности между номинальным рабочим давлением датчика, допустимым диапазоном перегрузки и пиковым значением скачка давления, а также при правильном отборе давления, применении клапанного блока и демпфирующих мер можно одновременно обеспечить точность измерений, срок службы оборудования и безопасность трубопроводной системы.

I. Сначала необходимо различать диапазон перепада давления и способность выдерживать давление

Диапазон перепада давления не означает допустимое давление на обеих сторонах

Диапазон перепада давления обычно обозначает диапазон разности давлений, который датчик способен точно измерять, например 0～10kPa, 0～100kPa, 0～1MPa и т. д. Это значение главным образом связано с линейностью выходного сигнала, классом точности и разрешением, но не позволяет напрямую определить, какое статическое давление трубопровода или кратковременный удар способны выдержать стороны высокого и низкого давления датчика.

Например, дифференциальный преобразователь давления с диапазоном 0～10kPa при использовании конструкции для высокого статического давления может выдерживать на обеих сторонах общее давление в несколько MPa или даже выше; напротив, обычный низконапорный дифференциальный чувствительный элемент с тем же диапазоном может быть непригоден для установки на магистральном трубопроводе высокого давления. При выборе необходимо отдельно проверять параметры «диапазон перепада давления» и «максимальное рабочее статическое давление».

Когда давление на стороне высокого и низкого давления одновременно повышается, а перепад остается практически неизменным, датчик испытывает воздействие статического давления; когда давление на обеих сторонах изменяется несинхронно, возникает риск перегрузки по перепаду давления. Скачки давления в трубопроводе часто сочетают обе эти особенности, особенно при быстром срабатывании клапана, когда мгновенный перепад давления может значительно превышать перепад при нормальной работе системы.

Четыре категории параметров, требующие особой проверки

При инженерном подборе разрывное давление может использоваться только как последний ориентир конструкционной безопасности и не заменяет номинальные показатели допустимого давления. Даже если пиковое значение удара не достигает разрывного давления, длительное повторяющееся воздействие может вызвать усталость мембраны, смещение нуля, снижение чувствительности или ухудшение герметичности.

Для жидкостных трубопроводов с выраженным гидроударом следует в первую очередь получить фактическую диаграмму давления либо как минимум оценить пиковое давление в режимах пуска и остановки. Длительность удара может составлять всего несколько десятков миллисекунд, однако его пик может достигать 1.5, 2 или более раз нормального рабочего давления, поэтому нельзя выбирать оборудование только по установившемуся давлению.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. может подобрать соответствующую конструкцию датчика перепада давления и комплексное защитное решение с учетом фактической среды, диаметра трубопровода, рабочего давления, диапазона перепада давления и условий монтажа, предотвращая риски применения, возникающие при выборе только по обычному диапазону.

II. Какие факторы определяют стойкость к скачкам давления

Чувствительный элемент и разделительная конструкция являются ключевыми факторами

Стойкость высокопрочного датчика перепада давления к ударам прежде всего зависит от материала чувствительного ядра, толщины мембраны, расчета напряжений и качества сварной герметизации. Различные технические решения, такие как диффузионный кремний, керамическая емкость и металлическая емкость, имеют свои особенности по допустимому давлению, скорости отклика, температурной адаптации и устойчивости к перегрузке, поэтому их следует выбирать в соответствии с условиями эксплуатации.

Для агрессивных жидкостей, суспензий с твердыми частицами или высокотемпературных сред обычно требуются разделительные мембраны из нержавеющей стали, коррозионно-стойкие смачиваемые материалы или дистанционные уплотнительные конструкции. Если материал, контактирующий со средой, несовместим с ней, то после коррозии и истончения мембраны срок службы при ударных нагрузках существенно сокращается даже при изначально высоком расчетном давлении.

Если внутри датчика предусмотрены механические ограничители или конструкции защиты от перегрузки, они могут ограничивать чрезмерную деформацию чувствительного элемента при резком увеличении перепада давления. Такая конструкция положительно влияет на устойчивость к кратковременным ударам, однако использовать ее необходимо в соответствии с техническими параметрами изделия; защитную конструкцию нельзя рассматривать как основание для длительной работы при избыточном давлении.

Источники ударов и оценка рисков

Следует учитывать, что для скачков давления важен не только пик, но и частота повторения. Кратковременные удары, возникающие 1–2 раза в час, и высокочастотные пульсации, происходящие десятки раз в минуту, совершенно по-разному влияют на усталостный ресурс мембраны. В высокочастотных условиях необходимо особо проверить данные изделия по циклической долговечности.

Температура также влияет на ударостойкость. Высокая температура изменяет характеристики уплотнений и заполняющей жидкости, а низкая температура может повысить вязкость среды или вызвать замерзание импульсной трубки. Фактическая рабочая температура должна находиться в пределах, установленных для датчика, с запасом на суточные перепады температуры, колебания обогрева или нештатные условия.

На сложных объектах химической, энергетической и металлургической отраслей рекомендуется одновременно предоставлять техническим специалистам сведения о коррозионности среды, твердых частицах, температуре, классе давления и количестве ударов. Полная информация об условиях эксплуатации полезнее для выбора надежного решения по измерению перепада давления, чем отдельный вопрос о величине давления в трубопроводе.

III. Правильный монтаж важнее увеличения диапазона

Предотвращение несинхронной передачи давления с обеих сторон

При монтаже датчика перепада давления пути отбора давления со стороны высокого и низкого давления должны быть по возможности симметричными; длина, внутренний диаметр и направление импульсных трубок не должны существенно различаться. Если трубопровод с одной стороны слишком длинный, в нем скапливается жидкость или газ либо имеется засорение, то при резком изменении давления реакция обеих сторон будет несинхронной, и датчик подвергнется дополнительному мгновенному перепаду давления.

При измерении жидких сред необходимо предотвращать накопление газа в импульсных трубках; при измерении газовых сред следует исключать попадание конденсата в трубки отбора давления. Для пара или высокотемпературных сред необходимо в соответствии со свойствами среды устанавливать конденсационные петли, конденсационные сосуды или разделительные устройства, чтобы условия передачи давления с обеих сторон оставались одинаковыми.

Трехвентильный или пятивентильный блок не только облегчает пуск, остановку и калибровку, но и уменьшает риск одностороннего удара давления вследствие ошибочных действий. При вводе в эксплуатацию следует сначала открыть уравнительный вентиль, затем медленно открыть запорные вентили высокого и низкого давления и в конце закрыть уравнительный вентиль; при выводе из эксплуатации необходимо сначала открыть уравнительный вентиль, а затем закрыть запорные вентили с обеих сторон.

Меры защиты, которые можно применять на объекте

Для трубопроводов с выраженным гидроударом жидкости рядом с точкой отбора давления можно установить буфер, демпфер или дросселирующую шайбу, чтобы снизить скорость прямой передачи мгновенной волны давления к датчику. Нельзя необоснованно уменьшать отверстие демпфирующего элемента, иначе возникнет запаздывание отклика, влияющее на оценку системой управления фактического перепада давления.

Корпус датчика следует размещать вдали от зон интенсивной турбулентности, таких как выход насоса, отводы, сужения и участки ниже по потоку от клапанов. При наличии условий точку отбора давления рекомендуется располагать на прямом участке с относительно стабильным потоком и закреплять с помощью кронштейна, предотвращая прямую передачу вибраций трубопровода на корпус прибора и места подключения проводов.

Если в системе с нормальным рабочим давлением 1.0MPa на объекте зафиксирован мгновенный пик около 2.0MPa, номинальное допустимое давление датчика и арматуры не должно выбираться только исходя из 1.0MPa. Конкретный запас безопасности следует определять с учетом частоты ударов, уровня важности системы и технической документации производителя; для критических контуров рекомендуется проводить фактические испытания и проверку.

После завершения монтажа необходимо проверить стабильность нуля, выходной сигнал при полном диапазоне, герметичность соединений и состояние вентильного блока. Если наблюдаются частые скачки выходного сигнала, постоянное смещение нуля, утечки в местах контакта корпуса со средой или аномальная вибрация импульсных трубок, следует своевременно выявить источник удара и проблемы монтажа; нельзя устранять неисправность только программной фильтрацией.

IV. Рекомендации по выбору и обслуживанию высокопрочных датчиков перепада давления

Составляйте перечень выбора по фактическим условиям эксплуатации

Перед выбором необходимо определить нормальный перепад давления, максимальный перепад давления, нормальное статическое давление на обеих сторонах, ожидаемый пиковый удар, температуру среды, коррозионность среды и направление монтажа. Для применений с низким перепадом давления, таких как контроль засорения фильтров и контроль давления воздуха вентилятора, особенно важно подтвердить возможность обратного перепада давления или подачи полного давления только на одну из сторон высокого и низкого давления.

Диапазон обычно не следует выбирать слишком малым, чтобы нормальные колебания не приближались к верхнему пределу; также не следует бесконечно увеличивать диапазон в погоне за ударостойкостью, иначе ухудшится разрешение измерений в зоне малого перепада давления. Рациональное решение заключается в выборе изделия с надлежащей перегрузочной способностью и достаточным классом статического давления при соблюдении требований к точности.

Для нестандартных интерфейсов, специальных сред, высокой температуры и высокого давления либо условий сильной вибрации можно использовать нестандартное изготовление с подбором материала смачиваемых частей, спецификации резьбы, выходного сигнала, способа отображения, технологического соединения и степени защиты. При заказе следует включать условия скачков давления в подтверждающие документы как ключевое техническое требование.

Эксплуатационное обслуживание определяет долговременную надежность

После ввода в эксплуатацию рекомендуется проводить осмотр и калибровку в соответствии с циклом управления оборудованием. Для применений с частыми ударами можно раз в 3 месяца до 6 месяцев проверять ноль, состояние герметизации и проходимость импульсных трубок; для обычных систем со стабильными условиями также необходимо регулярно проводить поверку или калибровку согласно требованиям предприятия к метрологическому управлению.

Если сигнал перепада давления длительное время имеет фиксированное отклонение, сначала следует проверить положение вентильного блока, засорение импульсных трубок, уровень конденсата и отложения в точках отбора давления, а затем определять, является ли причиной дрейф датчика. Многие проблемы, внешне похожие на неисправность прибора, фактически вызваны разбалансировкой системы отбора давления или повреждением арматуры после скачка давления.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd., опираясь на производственную базу Shaanxi Qinkong Sensor Technology Co., Ltd., может предоставлять промышленные продукты и технические услуги для измерения и управления давлением, перепадом давления, уровнем, расходом и другими параметрами. Для задач, связанных со скачками давления в трубопроводах, высоким статическим давлением, малым перепадом давления, агрессивными средами и сложным монтажным пространством, компания может содействовать в выборе продукции, подтверждении параметров и подборе решений для применения.

Если в вашей трубопроводной системе присутствуют гидроудары при пуске и остановке насосов, быстрое переключение клапанов, обратная промывка фильтров или высокочастотные пульсации давления, подготовьте данные о рабочем давлении, максимальном ударном давлении, параметрах среды, диапазоне перепада давления и размерах соединений и обратитесь к техническим специалистам Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. для получения целевых рекомендаций по выбору высокопрочного датчика перепада давления и комплексного защитного решения.