Для каких сложных условий эксплуатации подходят датчики давления повышенной прочности? В этой статье рассматриваются прочность конструкции, устойчивость к ударам и основные моменты выбора, что поможет провести техническую оценку.

I. Для каких условий эксплуатации подходят датчики давления повышенной прочности

В промышленных условиях датчик давления подвергается не только стабильному давлению измеряемой среды, но и многократным пускам и остановкам, пульсациям давления, механической вибрации и изменениям температуры окружающей среды. Понятие «повышенная прочность» нельзя сводить к толщине корпуса: его следует оценивать комплексно, учитывая конструкцию, работающую под давлением, штуцер для подключения к давлению, чувствительный элемент и электрические соединения.

Гидравлическое оборудование — типичный пример применения. При запуске гидравлического насоса, быстром переключении клапана или внезапной остановке исполнительного механизма в трубопроводе могут возникать кратковременные пики давления. Поэтому необходимо учитывать не только нормальное рабочее давление, но и величину пика, его продолжительность и частоту возникновения, чтобы датчик не работал длительное время в режиме перегрузки по диапазону.

Колебания давления возникают и в системах сжатого воздуха, поддержания постоянного давления водоснабжения, а также в некоторых технологических трубопроводах. На участках у выхода насоса, где выражен гидравлический удар, следует оценить переходное давление и, исходя из технологических условий, рассмотреть установку демпфирующего устройства или изменение места отбора давления. Демпфирование может повлиять на скорость отклика, поэтому решение следует принимать с учетом требований системы управления.

В промышленном оборудовании, металлургических производственных линиях и вспомогательных системах электростанций одновременно могут присутствовать вибрация оборудования, пыль, влага и перепады температуры. При выборе необходимо учитывать не только способность выдерживать давление, но и способ монтажа, степень защиты и реальные условия измеряемой среды. Нельзя считать один показатель гарантией пригодности для всех условий.

II. По каким компонентам оценивать прочность конструкции

Детали, работающие под давлением, и соединения

Давление в первую очередь воздействует на разделительную мембрану или чувствительный элемент, а затем передается через штуцер на конструкцию, работающую под давлением. Толщина мембраны, эффективная площадь воздействия и опорная конструкция влияют на чувствительность измерения и способность выдерживать давление. Эти характеристики необходимо сбалансировать при проектировании: более толстая мембрана не обязательно подходит для любой задачи измерения.

Не менее важны резьбовой штуцер, уплотнительная поверхность, сварные и сборочные соединения. Даже если корпус датчика выдерживает высокое давление, недостаточное номинальное давление полевого соединителя, уплотнения или трубопровода может привести к утечке в точке измерения. При монтаже следует выбирать соединители и способ уплотнения в соответствии с требованиями к изделию.

Материал следует выбирать исходя из материалов деталей, контактирующих с измеряемой средой. Нержавеющая сталь 304 и 316 часто используется для промышленного измерения давления, однако коррозионная стойкость зависит от состава среды, концентрации, температуры и скорости потока. Для сред, содержащих хлориды, сильных кислот и щелочей, а также сложных смесей следует предварительно проверить данные по коррозионной стойкости и при необходимости провести проверку пригодности.

Диапазон измерения, перегрузочное и разрушающее давление

Диапазон измерения — установленный для изделия диапазон измерений. Перегрузочное давление обычно означает предельное давление, при кратковременном превышении диапазона которого изделие должно соответствовать установленным требованиям; разрушающее давление связано с риском отказа деталей, работающих под давлением. Эти понятия различаются: перегрузочное давление нельзя считать длительным рабочим давлением или использовать вместо системы защиты оборудования.

Например, для одной модели указано перегрузочное давление «2-кратный верхний предел диапазона или 300 MPa — в зависимости от того, какое значение меньше». Для диапазона 0–10 MPa расчетное значение составляет 20 MPa; для диапазона 0–250 MPa согласно этому правилу следует использовать 300 MPa. При эксплуатации необходимо руководствоваться условиями, указанными в спецификации конкретного изделия, и подтверждением производителя.

При выборе диапазона необходимо учитывать нормальное давление, давление при запуске и пиковое значение при аварийных переходных процессах. Если пики часто приближаются к допустимому пределу, в первую очередь следует проверить систему на наличие гидравлических ударов и оценить возможность выбора более подходящего диапазона или защитных мер. Слишком широкий диапазон может снизить эффективное разрешение изменений в области низкого давления.

III. Как оценить устойчивость к ударам

Различие между гидравлическим и механическим ударом

Гидравлический удар возникает со стороны измеряемой среды, например при быстром закрытии клапана. Механический удар возникает вследствие столкновения оборудования, передачи вибрации или внешнего воздействия на место установки. Поскольку пути воздействия различаются, способность изделия выдерживать давление и его пригодность к механическим условиям эксплуатации следует проверять отдельно.

Для оценки гидравлического удара рекомендуется регистрировать пиковое значение, скорость нарастания, продолжительность и количество повторений. Обычный индикатор может не зафиксировать кратковременный пик. Для полевых испытаний можно использовать измерительное оборудование с подходящей скоростью отклика, а затем сравнить результаты с характеристиками изделия.

При наличии механической вибрации следует проверить, не подвергается ли соединитель воздействию колебаний трубопровода, не натягивается ли кабель и надежно ли закреплены разъемы. При необходимости следует установить подходящие опоры для трубопровода или выбрать место монтажа подальше от источника вибрации, не используя соединительные компоненты, не соответствующие технологическим требованиям.

Время отклика не равнозначно классу устойчивости к ударам

Время отклика характеризует скорость, с которой выходной сигнал следует за изменением давления, и напрямую не указывает, какое давление или механический удар способно выдержать изделие. Например, время нарастания не более 5 миллисекунд до достижения 90% выхода при полной шкале — это характеристика динамического отклика, на основании которой нельзя определить класс виброустойчивости.

Аналогично, перегрузочное давление само по себе не доказывает, что изделие способно длительно выдерживать высокочастотные пульсации. Повторяющиеся удары могут повлиять на состояние мембраны, уплотнений и электрических соединений; фактический срок службы зависит от амплитуды и частоты ударов, а также условий монтажа.

Если проект предусматривает конкретные требования к виброустойчивости, ударопрочности или ресурсу при циклическом изменении давления, следует запросить у поставщика соответствующие условия и результаты испытаний, а также проверить направление испытаний, диапазон частот, ускорение или количество циклов. При отсутствии таких данных не следует самостоятельно считать, что изделие соответствует определенному классу.

IV. Проверка совместимости с конкретным изделием

Для точек измерения, где важны удобство очистки или конструкция с плоской мембраной, в качестве ориентира при выборе можно рассмотреть китайский датчик давления с плоской мембраной E+HP41 санитарного исполнения. Плоская мембрана помогает уменьшить скопление измеряемой среды в обычной камере подвода давления, однако пригодность для высоковязких и склонных к кристаллизации сред необходимо подтверждать с учетом конструкции мембраны и фактической среды.

Согласно документации серии, диапазоны избыточного давления охватывают значения от 0–0.01MPa до 0–250MPa; также предусмотрены диапазоны измерения абсолютного давления и вакуума. Доступны классы точности 1.0, 0.5 и 0.25. Сочетания диапазона, интерфейса и типа выхода следует выбирать согласно фактически поставляемой спецификации; нельзя считать, что каждая конфигурация охватывает все параметры.

В документации для электрических характеристик указаны двухпроводный выход 4–20mA и различные варианты трехпроводного выхода по напряжению; питание двухпроводной схемы составляет 9–36VDC. Перед выбором следует проверить тип входа модуля сбора данных, условия питания и длину кабельной линии, а также убедиться, что выбранные разъем и кабель соответствуют требованиям защиты на месте эксплуатации.

Указанный в документации диапазон температуры измеряемой среды составляет -30–+85℃, диапазон температуры окружающей среды — -20–+85℃, диапазон температурной компенсации — 0–70℃. Температуру измеряемой среды и окружающей среды необходимо проверять отдельно. При работе с паром или в процессах мойки следует также подтвердить фактическую температуру, ее продолжительность и меры охлаждения. Нельзя игнорировать температурные ограничения лишь на основании того, что изделие подходит для измерения данной среды.

V. Приемка монтажа и последующее обслуживание

Перед монтажом следует проверить резьбу, уплотнения и чистоту трубопровода, убедиться, что давление в системе сброшено, и выполнить монтаж в соответствии с инструкцией к изделию. Не следует прикладывать усилие, поворачивая корпус или натягивая кабель; конкретные места приложения усилия и требования к затяжке указаны в документации изделия.

После ввода в эксплуатацию при стабильных рабочих условиях можно проверить нулевую точку и выходное значение, а также зарегистрировать изменения давления во время запуска и остановки. В точках измерения с выраженной вибрацией или средой, склонной к образованию отложений, следует в соответствии с графиком обслуживания оборудования проверять состояние соединителей, кабеля и мембраны и своевременно устранять обнаруженные неисправности.

Компания Xi'an Shenghongchuang Instrumentation Co., Ltd. предлагает датчики давления и другие промышленные средства измерения и контроля, а также технические услуги. Перед определением решения можно подготовить название измеряемой среды, нормальное и пиковое давление, температуру, спецификацию соединения и требования к выходному сигналу и передать эти данные техническим специалистам для проверки диапазона измерения, материалов и монтажной конфигурации.