Глава 5. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

5.1.1. Разделители и разделительные устройства Конструкции

К вспомогательным устройствам, зачастую именуемыми арматурой, относятся:

  • разделители;
  • отводы и охладители;
  • краны и клапаны;
  • переходники, прокладки и др.,

которые необходимы для монтажа манометрических приборов с целью обеспечения последующего корректного измерения и контроля значений давления со строго регламентированной погрешностью, а также обеспечения надежности работы этих приборов.

5.1. Разделители и разделительные устройства

Разделители, часто называемые разделительными мембранами, предназначены для отделения измерительного прибора, внутренней полости его чувствительного элемента от измеряемой среды и применяются в следующих случаях/5-1/:

  • загрязненности измеряемого вещества или его высокой вязкости; кристаллизуемости или быстрой изменяемости его пластичности;
  • если измеряемая среда вызывает коррозию чувствительного элемента или других частей прибора внутренней измерительной полости;
  • высоких температур измеряемых сред, которые не позволяют эксплуатировать стандартные измерительные средства;
  • повышенных требований гигиены к технологическим процессам в условиях пищевой, фармацевтической и др. промышленности, а также повышенных требований к контролю процессов в условиях химических реакций;
  • обеспечение работоспособности приборов при низких температурах окружающего воздуха, внутренние полости у которых заполнены жидкой легко замораживаемой средой;
  • конструктивных особенностей оборудования, не позволяющих устанавливать стандартные измерители.

Комплектоваться разделителями могут показывающие и электроконтактные манометры и другие приборы измерения и контроля давления.

В разделе.2.4 описаны манометры, в которых мембраны, являются одновременно разделяющим элементом и чувствительным элементом. Такие конструкции при преимуществах, описанных выше, обладают недостатками в сравнении применения измерительного прибора с разделителями: ограниченность диапазона измерения (до 4 МПа).

Основные требования, которыми необходимо руководствоваться при выборе разделителя следующие:

    • материал мембраны и подводящих коммуникаций разделителя не должны взаимодействовать с измеряемой средой;
    • жесткость разделительного элемента (мембраны, сильфона) должна соотноситься с измеряемым давлением и характеристиками ЧЭ прибора: жесткость мембраны разделителя должна быть намного меньше жесткости чувствительного элемента измерительного прибора;
    • объем вытесняемой из разделителя жидкости в заданном диапазоне измерения давления должен соотноситься с изменением объема чувствительного прибора;
    • условия монтажа и разделителя, за исключениям специальных исполнений, должны исключать наличие воздуха или газа во внутренней измерительной полости прибора и внутреннем рабочем объеме этого разделителя.

Диапазон работы мембранных и сильфонных разделителей различных моделей по давлению составляет от минус 0,1 до 160 МПа, по температуре – от минус 90 до +400оС.

Разделители по своему функционалу предназначены для работы со всеми агрессивными средами, имеющими место в современных технологических процессах.

 

а) Конструкции

В качестве рабочих элементов разделителей служат мембраны или сильфоны, которые могут быть съемными или монтироваться на корпусах устройств с помощью сварки или пайки.

Более эластичными, с возможностью вытеснения большего объема разделительной жидкости (актуально при существенных изменениях внутреннего объема ЧЭ измерительного прибора) являются сильфоны. Однако форма их поверхности, специфичность конструкций разделителей с сильфонами (наличие различной формы пазух) ограничивают их применение для вязких, изменяющих фазовое состояние сред.

Мембраны очень чувствительны к перегрузкам и, соответственно, превышение предельно-допустимых нагрузок, что может наблюдаться при не герметичности соединения разделителя с измерительным прибором, не качественном заполнении устройства (остатки воздуха), превышение расчетных величин воздействия может приводить к необратимым деформациям и выходу устройства из строя.

Все разделители, предназначенные для отделения внутренних полостей чувствительных элементов приборов от измеряемой среды, можно разделить на открытые и закрытые, основным различительным признаком которых является доступность подвода измеряемой среды к разделительному элементу. У открытых разделителей разделительный элемент контактирует непосредственно с объемом измеряемой среды или поперечное сечение подводящих коммуникаций не меньше площади этого элемента. В разделителях закрытых подвод измеряемой среды, как правило, осуществляется через подводящие коммуникации с сечением существенно меньше площади разделительного элемента.

Закрытые разделители принципиально отличаются от открытых в наличии камеры подвода среды с присоединительным штуцером. В большинстве конструкций открытые разделители, оснащаемые системой подвода среды, превращаются в закрытые. Также закрытые, у которых подвод среды заменяется на устройство присоединения непосредственно к резервуару или фланцу трубопровода преобразовываются в открытые.

Ряд разделителей, как например разделители мембранные малогабаритные (РММ) относятся к открытым или закрытым в зависимости от места установки: монтаж в присоединительном штуцере манометра получает признаки закрытого; вворачивание РММ непосредственно в резервуар заподлицо с его внутренней стенкой характеризует его как открытый с соответствующим спектром применения. Открытые разделители подразделяются на технические и гигиенические. Технические разделители, как правило, имеют фланцевое подсоединение. Гигиенические разделители подключаются к технологическим линиям с помощью специальных конструкций. Открытые разделители нашли наиболее широкое применение в системах измерения давления вязких, затвердевающих, с вкраплениями, загрязненных сред.

Разделитель мембранный фланцевый открытый (РМФО) (рис. 5.1), один из наиболее известных, имеет несколько модификаций: цельнофланцевый (рис.5.1а) и с прижимным фланцем (рис.5.1б).

В разделителях РМФО, представленных на рис.5.1, мембрана 1 соединяется с цельным фланцем разделителя 2 или корпусом мембранного блока 3 сваркой, пайкой или специальным клеем, что определяется свойствами измеряемой среды. В представленных конструкциях цельный фланец разделителя 1 и корпус мембранного блока 3 изготавливаются едиными с выходным штуцером устройства.

Рис. 5.1. Схемы разделителей РМФО цельнофланцевого (а) и с прижимным фланцем (б), вид разделителя РФМО цельнофланцевого: 1 – мембрана; 2 – фланец; 3 – корпус мембранного блока; 4 - уплотнительная прокладка; 5 – при-жимной фланец; 6 - болт крепежный; 7 – узел заполнения.

В конструкции цельнофланцевой (рис.5.1а) разделитель устанавливается на стандартный фланец отвода трубопровода.

Для монтажа РМФО с прижимным фланцем рис.5.1б) необходимо специальное посадочное гнездо для установки мембранного блока 1, герметичность установки которого обеспечивается прижимным фланцем 5 с уплотнительной прокладкой 4 и болтами крепления 6.

Узел заполнения 7 имеет место во всех конструкциях, где разделительный элемент изготавливается из металла и его перемещение ограничено расчетной геометрией. Различия в конструкциях монтажа разделителей цельнофланцевых и с прижимным фланцем при новой установке не существенны, т.к. такие разделители могут поставляться с ответными, как серийными, так и индивидуального присоединения фланцами. Обращать внимание на конструкцию следует при монтаже в существующее гнездо разделителя.

РМФО (рис. 5.1) позволяют проводить измерения давления кристаллизующихся и изменяющих свое фазовое состояние сред, жидкостей, газов и газожидкостных смесей с твердыми вкраплениями, веществ высокой вязкости. Измеряемое давление, как это можно увидеть из рисунка, воздействует на разделительную мембрану и прогибает ее. Посредством рабочей жидкости давление таким образом передается на чувствительный элемент прибора. Изменение (вытеснение) объема разделительной жидкости при воздействии на мембрану или сильфон рабочего давления определяется размерами и свойствами мембраны, конструкцией устройства.

По конструктиву к РМФО близки разделители сильфонные фланцевые открытые (РСФО), схема одного из которых показана на рис. 5.2.

Рис.5.2. Схема разделителя сильфонного фланцевого открытого РСФО: 1 – сильфон; 2 – фланец; 3 - присоединительный штуцер.

Сильфон 1, изготавливаемый в этой конструкции из фторопласта, крепится зажимом между фланцем 2 и присоединительным штуцером 3. Сифон 1 монтируется заподлицо с присоединительной плоскостью фланца 2 или, при необходимости его дополнительной защиты, утапливается внутрь этого фланца.

Обычно разделители с открытой мембраной или сильфоном устанавливаются на трубопроводах большого диаметра, различного рода сосудах-резервуарах, при организации различных технологий, когда не допускается наличие застойных зон и др.

Разделители РМФО и РСФО с цельнофланцевой конструкцией или с прижимным фланцем могут монтироваться на трубопроводах большого диаметра. Как пример на рис.5.3 показана схема рабочего места для монтажа такого разделителя на трубопровод большого диаметра.

Рис.5.3. Схема рабочего места для установки разделителя с открытой мембраной на трубопроводе большого диаметра: 1 – трубопровод; 2 – отводной патрубок: 3 - фланец для присоединения разделителя.

На трубопропроводе большого диаметра 1 с помощью сварки монтируется отводной патрубок 2, на торце которого устанавливается фланец 3, имеющий стандартную или индивидуальную конфигурацию. Длина отводного патрубка 2 определяется физическими свойствами рабочей среды: чем выше ее вязкость, склонность к затвердеванию, тем длина патрубка меньше. Такова зависимость от требований гигиены: промываемость застойных зон выше при меньшей длине отводящих элементов. В таких конструкциях мембрана располагается практически в зоне движущегося потока.

В некоторых технологиях перед фланцевым разделителем может иметь место застойная зона, где скапливается и образовывает застойную зону измеряемая среда. Для периодического технического обслуживания в ситуациях, когда требуется дополнительная проверка состояния рабочей поверхности открытых разделителей (возможное налипание рабочей среды на мембрану, заполнение и застывание среды в подводящем канале и др.) применяется сервисная вставка 1 (рис. 5.4), монтируемая между подводящим трубопроводом с фланцем 2 и разделителем 3.

Рис. 5.4. Схема монтажа сервисной вставки разделителя: 1 – сервисная вставка; 2 – подводящий трубопровод с фланцем; 3 – разделитель; 4 - крепежные болты.

Сервисная вставка устанавливается в соответствующие посадочные гнезда фланцев и фиксируется натягом натяжных болтов 4. Наличие рабочих отверстий (обычно два отверстия) с заглушками в сервисной вставке позволяет проводить техническое обслуживание разделителя.

При размещении мембраны разделителя в измеряемом потоке необходимо принимать во внимание физические свойства этого потока. Так, при наличии твердых вкраплений мембрана может подвергаться повышенному эрозийному износу с соответствующим сокращением своего ресурса работы.

Для повышения ресурса работы мембран в условиях повышенного эрозийного износа, как правило, прибегают к одному из решений: изготавливают мембрану из специального материала, устойчивого для работы в этих условиях (см. ниже о материалах для мембран), или изыскивают конструктивные решения.

Так, конструктивной дополнительной защитой мембраны от непосредственных механических воздействий в разделителях открытых могут служить защитные борты. Как пример на рис. 5.5 показана схема разборного фланцевого разделителя с прижимным фланцем. В этой конструкции мембрана 1 монтируется на присоединительном штуцере 2 с помощью кольца с защитным бортом 3 и уплотняется прокладкой 4. Прижимной фланец 5 обеспечивает возможность уплотнение конструкции на месте установки. В этой конструкции кольцо с защитным бортом 3 обеспечивает определенное предохранение мембраны 1 от боковых механических воздействий.

Рис.5.5. Схема разделителя мембранного фланцевого разборного открытого с защитным бортом: 1 - мембрана; 2 – присоединительный штуцер; 3 – кольцо с защитным бортом; 4 – прокладка; 5 – прижимной фланец.

Для работы в условиях повышенного эрозийного износа разработаны мембранные разделители с углубленным расположением мембраны (рис.5.6) - РМФУ.

Рис.5.6. Вид разделителя неразборного РМФУ с углубленным расположением мембраны (а) и в сборе с манометром МП100.

В неразборном разделителе, представленном на рис.5.6, перед мембраной предусмотрена камера стабилизации потока, образованная суженным отверстием входа среды, мембраной и расстоянием между ними. Такая камера существенно снижает динамическое воздействие измеряемой среды непосредственно на эту мембрану и позволяет повысить ресурс ее работы.

На рис.5.7. показаны схемы разделителей фланцевых разборных открытых с углубленным расположением мембраны (а) и сильфона (б), в которых патрубок подводящего канала служит камерой стабилизации измеряемой среды и существенно снижает побочное механическое воздействие на мембрану или сильфон.

Рис.5.7. Схемы разделителей разборных открытых с углубленным расположением мембраны (а) и сильфона (б): 1 – мембрана; 2 – присоединительный фланец; 3 – выходной штуцер; 4 - сильфон.

В разборных конструкциях, представленных на рис.5.7, мембрана 1 или сильфон 4 фиксируется между присоединительным фланцем 2 и выходным штуцером 3. Мембрана 1 и сильфон 4 могут быть как металлическими, так и изготавливаться из эластичных материалов: фторопласт, резины различных марок. При применении разделительных элементов из эластичных материалов вакууммирование для заполнения разделителя-внутренней полости ЧЭ измерительного прибора не обязательно.

Несколько иная ситуация может иметь место при использовании разделителей в системе измерения уровня различных веществ в сосудах-резервуарах гидростатическим методом. Как пример, на рис.5.8а показана схема места установки прибора измерения давления для определения уровня по перепаду давления. Во многих случаях на дне резервуара концентрируются различного рода осадки, что приводит к засорению измерительного тракта прибора.

Рис.5.8. Вид места установки (а), схема (б) и вид (в) разделителя с тубусом (РМФТ): 1 – сосуд; 2 - отводной патрубок; 3 – фланец.

С установкой разделителя влияние засорения на результат измерения снижается. Однако при существенном донном отложении отводной парубок 2 может также засоряться, что препятствует получения представительного сигнала по величине давления. С целью уменьшения такого влияния разработаны разделители, являющиеся разновидностью открытых мембранных устройств, с тубусом

(рис.5.8б,в) - РМФТ. В таких устройствах тубус монтируется в отводном патрубке таким образом, чтобы мембрана размещалась заподлицо с внутренней стенкой резервуара. Это в значительной мере снижает вероятность влияния донных отложений на результат измерения и обеспечивает надежность проведения отсчета показаний.

Гигиенические (пищевые) разделители предназначены для измерения и контроля давления в комплекте с манометрическими приборами в технологических линиях, где имеют место повышенные требования к их чистоте, возможности периодических промывок, недопущения образования застойных зон. Наиболее широкое применение гигиенические разделители получили в пищевой промышленности, фармацевтике, химических технологиях, биотехнологии.

Гигиенические разделители можно подразделить по способу подсоединения к технологическому трубопроводу на: резьбовой, с прижимной гайкой, трикламп, с прижимом различного рода площадками (для гомогенизаторов).

Резьбовой гигиенический мембранный разделитель с наружной резьбой (рис. 5.9а) вворачивается в специальное гнездо с ответной внутренней резьбой и уплотняется с помощью прокладки по нижней кромке устройства.

Мембранные гигиенические разделители с прижимной гайкой (рис. 5.9б,в) могут уплотняться по конусу его корпуса. Ответное посадочное гнездо должно иметь также обратный конус или вид цилиндра с наружной резьбой, по верхней образующей которого производится уплотнение. Усилие по уплотнению обеспечивается соответствующей прижимной гайкой.

Рис. 5.9. Мембранные гигиенические разделители: а – с наружной резьбой; б,в – с прижимной гайкой

Трикламп (tri clamp fitting – с англ. монтаж зажимом) разделители, получившие активное применение в последние годы, предназначены для гигиенических технологий. Невысокое рабочее давление разделителей с таким соединением (до 2,5 МПа) по сравнению с фланцевыми компенсируется возможностью оперативной сборки –разборки места установки (рис.5.10).

Рис.5.10. Вид трикламп разделителя (а) и его составных частей (б): 1 – мембранный блок; 2 – подводящий узел; 3 – клампсоединитель.

Уплотнение в триклампразделителях осуществляется с помощью эластичной прокладки, монтируемой между мембранным блоком 1 и подводящим узлом 2. Материал для нее определяется свойствами измеряемой среды. Диаметр подводящего узла – до 150 мм.

В пищевой промышленности, а точнее в гомогенизаторах, применяют малогабаритные пальчиковые разделители (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Схема(а) и вид с прижимной плитой(б) разделителя мембранного для гомогенизаторов (РМГ): 1 – корпус; 2 – мембрана; 3 – клапан заполнения рабочей жидкости.

Разделители мембранные для гомогенизаторов (РМГ) разработаны для устройств, где высокие требования гигиеничности и ограниченность пространства для подключения измерительных приборов. РМГ устанавливаются в гнездо, изготавливаемое в технологическом корпусе, и фиксируются прижимной площадкой с помощью болтов. Формы прижимных площадок могут быть различными.

Малые габариты мембраны предполагают работоспособность таких устройств при высоких давлениях (25 МПа и выше).

Разделители мембранные малогабаритные (РММ) отличаются компактностью. В разделителях переходникового типа (рис.5.12) корпус выполнен в виде переходника, к нижней части которого приваривается мембрана. В средней части корпуса предусмотрен клапан для заполне- ния разделителя и прибора рабочей жидкостью. В зави- симости от посадочной резьбы разделителя диаметр мембраны может составлять от 15 до 50 мм. Специальный материал разделительной мембраны (при небольших ее размерах – около 13 мм) позволяет применять такие устройства на абразивных средах.

Рис.5.12. Схема (а) и вид (б) разделителя мембранного малогабаритного (РММ) : 1 – корпус; 2 – мембрана; 3 – клапан заполнения рабочей жидкости

Малогабаритные разделители из нержавеющих сталей можно использовать для работы при сверхвысоких давлениях (до 60 МПа и выше).

Основным недостатком малогабаритных разделителей является необходимость тщательного подбора измерительных устройств. Малый диаметр разделительной мембраны предусматривает небольшой ее прогиб в диапазоне рабочих давлений и соответственно небольшое изменение объема среды в надмембранном пространстве, что требует использования измерительных приборов также с небольшим объемом внутренней полости чувствительного элемента. Такая конструкция устройства может обусловливать появление в некоторых диапазонах давлений погрешности измерений.

Закрытые разделители отличаются типовыми для присоединительных штуцеров приборов размерами. Основное применение - отделение внутренней полости измерительного прибора от измеряемой среды, отличающейся агрессивностью, низкой температурой замерзания, наличием недопустимых соединений (масла в кислородных технологиях) и др.

Разделитель мембранный фланцевый закрытый разборный(РМФЗ-Р) в сборной конструкции (рис. 5.13а,б) имеет мембрану 1, закрепленную между основанием с входным штуцером 2 и корпусом с выходным штуцером 3 с прокладкой 4 болтами крепления 5. Подвод измеряемой среды осуществляется через входной штуцер основания 2, который имеет, как правило, стандартные размеры и может устанавливаться в посадочные гнезда манометров. Конструкция разделителя с закрытой мембраной как сборной единицы на болтовых соединениях позволяет проводить сервисное обслуживание непосредственно мембраны и подводящего патрубка – основания с входным щтуцером. В такой конструкции возможна замена основного рабочего элемента – мембраны.

Рис.5.13. Схема (а) и вид (б) разделителя мембранного фланцевого закрытого (РМФЗ): 1 – мембрана; 2 – основание с входным штуцером; 3 – корпус с выходным штуцером; 4 – прокладка; 5 - болты крепления.

Малый размер проходного отверстия штуцера предопределяет сложность применения такого типа разделителей (с закрытой мембраной) для вязких, затвердевающих - изменяющих свое фазовое состояние из-за температуры или времени, кристаллизующихся сред.

Мембрана во фланцевых закрытых разделителях изготавливается из стали разных марок, различных резин, тонких синтетических пленок.

Снижение габаритов и металлоемкости может достигаться заменой фланцев на резьбовое соединение корпуса, как это показано на рис.5.14.

Рис.5.14. Схемы и вид разделителей разборных закрытых с мембраной (а,б) и сильфоном (в): 1 – мембрана; 2 - подводящий патрубок; 3 – отводящий патрубок; 4 – прокладка; 5 – сильфон.

В разделителе, представленном на рис.5.14а, мембрана 1 фиксируется между подводящим патрубком 2 и отводящим патрубком 3, где герметичность обеспечивается прокладкой 4. Разделительный элемент может быть иным, как, например, на рис.5.14б, где применяется сильфон 5. В экономичном варианте разделителя мембранного фланцевого закрытого сварного (РМФЗ С) (рис.5.15) мембрана 1, устанавливаемая между отводящим 2 и подводящим 3 патрубками соединяется одним сварным соединением, что обеспечивает цельность конструкции и работоспособность конструкции до 40 МПа.

Рис.5.15. Схема (а) и вид (б) мембранных разделителей РМФЗ С в сварном исполнении с токарной обработкой и дополнительным защитным покрытием.

В конструкции сварного варианта РМФЗ предусмотрено отверстие с запорным винтом для заполнения жидкостью. Остальные детали неподвижно соединены между собой. Отличительная особенность таких конструкций разделителей – невысокая цена.

Разделители сильфонные малогабаритные (РСМ) функционируют, соответственно, на основе сильфонов (рис.5.16). Преимущество такого типа устройств заключается в относительно большом ходе сильфона, его хороших эластичных характеристиках и, соответственно, возможности существенного снижения влияния работы разделителя на точность показаний манометра. Высокая эластичность позволяет применять такие разделители на малых давлениях. Кроме этого, сильфон позволяет разделителю комплектоваться с приборами, у которых при изменении давления существенно варьирует объем внутреннего пространства.

Рис. 5.16. Вид сильфонного малогабаритного разделителя РСМ (а) и его составные части: б – блок сильфона; в - основание.

Известна подобная конструкция разделителя, в которой сильфон изготавливается из фторопласта. Особенностью такого разделителя является не высокая требовательность к качеству заполнения: допускаются остатки воздуха во внутреннем объеме.

Одной из основных проблем в промышленных условиях является обеспечение герметичности соединения между разделителем и измерительным прибором. Очень часто непрофессионализм обслуживающего персонала приводит к нарушению герметичности этого соединения. Так, не допускается использования уплотняющих прокладок, монтируемых между разделителем и приборов, из мягкого способного к термоусадке материала. Например, тефлона, когда воздействие высокой температуры приводит в последующем к изменению геометрии изделия. Также актуально использование материала для изготовления прокладок, сохраняющего свои технические характеристики с течением времени.

Зачастую применение прокладок из относительно мягкого материала приводит к нарушению герметичности внутренней полости измерительного прибора и разделителя и в большинстве случаев является причиной необратимой деформации разделительного элемента (мембраны, сильфона) и выходу из строя вспомогательного устройства.

Разделители цельносварные с манометром разработаны с целью исключения несанкционированного нарушения герметичности соединения разделителя с измерительным прибором. В отдельных случаях, при демонтаже системы прибор-разделитель с места установки, а также при непрофессиональном обслуживании этой системы имеют место нарушения герметичности резьбового соединения разделителя и прибора. Такие нарушения приводят к вытеканию жидкости из внутренней полости, появлению в ней воздушных вкраплений и, в конечном счете, необратимым нарушениям работоспособности разделителя и, зачастую, прибора. В цельносварной конструкции (рис.5.17) держатель манометрического прибора сварен с выходным штуцером разделителя.

Рис.5.17. Общий вид (а) и вид технической конструкции (б) разделителя цельносварного с манометром.

Как правило, для комплектации системы принимается измерительный прибор с держателем из нержавеющей стали, что обеспечивает возможность сварки с разделителем. Размер мембраны, модель, ее свойства принимаются в зависимости от свойств измеряемой среды, условий измерений.