6.5. Эксплуатация манометрических приборов при высоких и низких температурах

6.5. Эксплуатация манометрических приборов при высоких и низких температурах

Эксплуатация манометрических приборов в условиях повышенных и пониженных температурных воздействий является одной из наиважнейших технических задач, от корректного разрешения которой зависит не только точность проводимых измерений, но и надёжность всего процесса измерения, включая целостность измерительных систем.

Приборы измерения и контроля давления во многих случаях располагаются в непосредственной близости от точки замера параметров с высокой или низкой температурой технологических элементов. Это является одной из наиболее часто встречаемых ошибок. Так, несложный расчёт по формуле 1.7 показывает, что измерения, проводимые показывающим манометром класса точности 2,5 при температуре окружающей среды -40°С, могут приводить к дополнительной погрешности до 6%.

Кроме воздействия температуры окружающего воздуха, существенное влияние на точность показания прибора может оказывать температура измеряемой среды, которая подводится к внутренней полости чувствительного элемента. И если температура окружающего воздуха является нормируемым параметром, то влиянием температуры среды, находящейся в объёме чувствительного элемента, в большинстве случаев пренебрегают.

Зачастую наблюдается установка манометрических приборов непосредственно на трубопроводе с паром промышленных параметров без сифонных отводов или других устройств, обеспечивающих охлаждение подводимой среды.

Измеряемая среда с высокой температурой оказывает первостепенное воздействие на металл чувствительного элемента. При этом температурное влияние на погрешность измерения при t > 60°C, кроме данных, изложенных в настоящей работе, не нормировано.

Основными источниками температурных воздействий на измерительный прибор могут быть:

• окружающий воздух;

• сторонние излучатели тепла;

• измеряемая среда.

В зависимости от источника температурного влияния определяются меры по обеспечению корректной работы измерительных приборов.

При повышенной температуре окружающего воздуха и отсутствии видимого доступного метода её снижения до нормальных значений для измерений или контроля давления принимается прибор, конструкция которого позволяет обеспечивать надёжность проводимого процесса.

Эффекты влияния температуры (см. раздел 2.5) наблюдаются у чувствительных элементов из латуни Л63 после 100°С, бронзы CuSn8 после 140°С даже при непродолжительных воз¬действиях. Необратимые деформации отмечались у латуни Л63 после температур 150°С, у бронзы CuSn8 после 190°С. И только при эксплуатации специального исполнения приборов с чувствительными элементами из нержавеющей стали 1.4571 отмечается их устойчивая работа в пределах 250°С.

При выборе прибора для работы при повышенных температурах необходимо учитывать температуру плавления припоя, который использовался для монтажа чувствительного элемента в держатель. Основные оловянистые припои имеют температуру плавления 230-250°С, специальные припои с содержанием серебра плавятся при температуре 310-340°С. Твердосплавные припои для температур 560-580°С для монтажа трубчатой пружины в держатель, а также для герметизации наконечника из-за опасности технологического отпуска — нарушения режима закалки упругого металла — применяются редко.

Циферблаты экономварианта манометрических приборов зачастую изготовляются из пластиков, которые могут изменять свои геометрические формы, начиная от 70-80°С.

Эластичные уплотнения большинства приборов не предусматривают сохранение своих физических свойств при высоких температурах.

Стёкла приборов, особенно изготовленные из пластика или с использованием синтетических масс, как, например, многослойные (safety glass), по техническим свойствам могут эксплуатироваться только при нормальных температурах.

Особое внимание требуется уделять эксплуатации манометрических приборов, конструкции которых содержат электронные или электрические элементы. Так, электроконтактные группы сигнализирующих манометров включают в свою конструкцию элементы, выполненные из пластиков, предусматривающую функционирование только при нормальных температурах. Электронные элементы, как правило, ориентированы на работу до +20°С.

Вышеперечисленные факторы необходимо учитывать при выборе конструкции прибора для эксплуатации в зоне повышенных и высоких температур.

В отдельных ситуациях специальных измерений давления при высоких температурах окружающего воздуха могут рассматриваться защитные температурные шкафы, обеспечивающие теплоизоляцию или даже охлаждение воздушного пространства, окружающего непосредственно измерительный прибор.

Для обеспечения оптимального режима манометрических приборов в условиях низких температур окружающего воздуха, когда имеет место неуверенность в работе приборов при нерегламентированных режимах, могут применяться температурные шкафы и утепляющие чехлы.

Температурные шкафы изготавливаются, как правило, из металла с соответствующей теплоизоляцией. Температурный режим внутри этих шкафов обеспечивается различного рода дополнительными нагревателями.

Утепляющие чехлы (термочехлы) предназначены для обеспечения заданного температурного режима работы приборов, на которых они монтируются. Чехлы изготовляются из пожаро¬безопасной ткани и негорючих теплоизоляционных материалов. Применяются совместно с обогревателями или другими устройствами, обеспечивающими дополнительный обогрев приборов и автоматическое регулирование температурного режима во внутреннем объёме чехлов.

Метрологическая оценка результатов измерений давления при температурах окружающего воздуха, отличных от нормальных, должна проводиться с учётом температурных коэффициентов упругих чувствительных элементов. Такие коэффициенты определены стандартом [6-11] для диапазона от -50 до +50°С и данными, приведёнными в работах [6-12...6-14] и разделе 2.5 для более высоких температур.

Рис. 6.19. Узел монтажа манометрического прибора при давлении измеряемой среды до 16 МПа и температуре до 200°С:

1 — трубопровод; 2 — сифонный отвод; 3 — клапан; 4 — штуцер;

5 — теплоизоляция; 6 — измерительный прибор.

Сторонние излучатели тепла могут также оказывать существенное влияние на работу прибора измерения или контроля давления и результаты измерений. Как пример на рис. 6.19 представлена схема узла монтажа манометрического прибора на технологическом трубопроводе с температурой среды до 200°С. В такой конструкции обязательно соблюдение нормированного расстояния от трубопровода до непосредственно прибора.

При установке манометрических приборов на трубопроводах с высокой температурой их поверхности, по крайней мере в области монтажа прибора, они должны теплоизолироваться.

Дополнительной степенью защиты манометрических приборов от температурных излучений могут служить защитные теплоизоляционные экраны.

Измеряемая среда с высокими параметрами может оказывать существенное влияние на температурный режим работы манометрических приборов. Такие случаи наиболее часто встречаются в промышленных условиях. Для обеспечения работы манометрических приборов в условиях высокой температуры измеряемой среды предусмотрен широкий ряд технических решений.

Методы снижения влияния высокой температуры на работу манометрического прибора следующие:

• гидравлический затвор;

• повышенный теплообмен с окружающей средой на небольшой длине линейного отвода или обычный теплообмен на значительной длине линейного отвода, носящего название импульсной или соединительной линии;

• разделительная стенка с наполнителем во внутренней по¬лости чувствительного элемента, предотвращающая цир¬куляцию измеряемой среды в подводящих коммуникациях;

• комбинирование указанных выше методов.

Наиболее известными устройствами, обеспечивающими снижение температуры измеряемой среды на входе в манометрический прибор, являются отводы, имеющие гидравлический (сифонный) затвор (см. раздел 5.3).

Отводы-охладители, представляющие собой линейный участок трубы с повышенным теплообменом с окружающей средой, различающиеся по размерам рёбер представлены в разделе 5.3.

Линейные отводы с существенной протяжённостью, называемые импульсными или соединительными линиями, рассмотрены в разделах 6.2 и 5.3. На этих линиях при высоких температурах измеряемой среды рекомендуется предусматривать участки, расположенные ниже основной траектории соединения. Такие участки могут создавать гидрозатворы, препятствующие не нормированному нагреву измерительного прибора.

При очень высоких температурах измеряемой среды (300°С и выше), а также при существенных отрицательных температурах (-60... -80°С и ниже) возможно использование измерительной схемы с мембранными или сильфонными разделителями (см. раздел 5.1). В таких конструкциях разделитель (в зависимости от физических свойств измеряемой среды) устанавливается на трубопроводе, линейном отводе или патрубке. Внутренняя полость чувствительного элемента прибора и разделителя заполняется жидким наполнителем, не изменяющим консистенции (фазового состояния) при рабочих температурах измеряемой среды. С целью уменьшения циркуляции в присоединительном штуцере прибора монтируется демпфер. В результате разделения измеряемой среды и наполнителя, предотвращения теплообмена конвекцией обеспечивается существенное снижение влияния температуры измеряемой среды на измерительные элементы прибора.

Дополнительными мерами по снижению влияния температуры измеряемой среды на прибор служит монтаж между разделителем и манометрическим прибором соединительной линии. В этой конструкции определяющим является работоспособность рабочего элемента разделителя, а также фиксирующих его элементов при температурах измеряемой среды.

При измерении давления жидкостей с высокой температурой замерзания в условиях низких температур окружающего воздуха может иметь место кристаллизация измеряемой среды в трубчатой пружине манометрического прибора. Такая ситуация может приводить к нарушению работоспособности прибора, а в отдельных случаях к разрыву чувствительного элемента. Мерой предотвращения такой ситуации может служить использование разделителя с заполнением его и, соответственно, внутреннего пространства чувствительного элемента жидкостью с низкой температурой замерзания, которая должна быть меньше температуры измеряемой среды. Для такого применения могут быть использованы практически все модели разделителей, за исключением устройств с фторопластовыми сильфонами (при низких температурах фторопласт теряет свои эластичные свойства).

Определение оптимальной схемы подключения манометрических приборов в промышленных условиях может быть реализовано на основе знаний по реальному распределению температуры от места отбора давления до тупикового конца трубчатой пружины.

Экспериментальные исследования распределения температуры в линии отбора, подводящих коммуникациях и рабочему тракте манометрического прибора смоделированы в лабораторных условиях, хотя промышленные исследования в подтверждение ниже представленных результатов были бы не лишними.

Влияние температуры измеряемой среды на режим работы узлов показывающих манометров имеет два основных механизма теплообмена:

• конвективным переносом тепла измеряемой средой;

• теплопроводностью металла стенок трубопроводов. Несомненно, в реальных технологических условиях может преобладать один или другой механизм теплообмена. Во многом это определяется термодинамическим потенциалом измеряемой среды, технологическими режимами, конструктивными особенностями трубопровода, линии отбора и подводящих коммуникаций.

Рис. 6.20. Схема участка экспериментальной установки для определения температурных режимов подводящих коммуникаций в зависимости от параметров измеряемой среды.

1 — автоклав; 2 — присоединительный штуцер манометра;3 — линейный отвод; 4 — ниппель; 5 — накидная ниппельная гайка;

6 — уплотнительная прокладка.

Согласно сформулированной цели проведены исследования температурных режимов манометрических приборов в условиях повышенных температур измеряемой среды.

Ряд определяющих положений из [6-15] были приняты в разработку методики исследований температурных режимов подводящих коммуникаций манометрических приборов [6-16], на основе которой проведено несколько серий экспериментов. Результаты экспериментальных исследований представлены в [6-17, 6-18].

На первом этапе исследован температурный режим работы узла подвода среды, смоделированного на основе линейного отвода с резьбовыми выходами, присоединительного штуцера (рис. 6.20) и трубчатой одновитковой пружины манометра.

Между высокотемпературным автоклавом 1 и присоединительным штуцером манометра 2 смонтирован линейный отвод 3. Монтаж манометра проведён с помощью ниппеля 4, накидной гайки 5 и уплотнительной прокладки 6.

Рис. 6.21. Схема монтажа термопар при контроле температурных режимов подводящих коммуникаций.

Материал подводящих коммуникаций: сталь 20 с защитным цинковым покрытием. Подводящая трубка с наружным диаметром 14 мм и толщиной стенки 2 мм.

Схема точек измерения и контроля температуры, а так¬же расстояния между ними приведены на рис. 6.21. Основное внимание уделено контролю температуры в местах пайки чувствительного элемента. Так, первая термопара (т. 1) размещена на конце трубчатой пружины около места пайки наконечника. Вторая термопара (т.2) закреплена на чувствительном элементе рядом с местом пайки трубки в держатель. На первом этапе исследований термопара также зачеканивалась в металл держателя в месте пайки чувствительного элемента (т.9). Последующие сравнительные из¬мерения показали практически отсутствие разности температур в теле держателя (т.З) и у основания трубчатой пружины (т.9).

В установке предусмотрен контроль температуры держателя около присоединительного штуцера (т.З). Эта температура сравнивается с температурами линейного отвода перед ниппелем (т.4), на его середине (т.5) и непосредственно в месте присоединения его к автоклаву (т.6). Также по температуре стенки определяется температура среды непосредственно в автоклаве (т. 7).

Рис. 6.22. Распределение температуры по длине узла подвода манометра. Температурный режим заполненного автоклава.

Автоклав с подсоединённым линейным отводом и исследуемым манометром вакуумировался и заполнялся теплоносителем (бидистиллятом). ЛАТРом устанавливался ток в электрической цепи нагревателя. При стабилизации температурного режима регистрировались параметры (см. раздел 2.5).

На протяжении 4 месяцев проведено 10 серий экспериментов.

Колебания температуры окружающего воздуха составляли от 9 до 20°С, что фиксировалось в протоколе испытаний. На рис. 6.22 показаны основные результаты исследований.

В процессе исследований температура измеряемой среды (т.7), отслеживаемая по температуре металла автоклава, составляла от 174 до 199°С. Температура чувствительного элемента в месте пайки к держателю (т.9) варьировала в пределах 59-101°С. При этом основной перепад температуры в 61-75°С отмечался между температурой держателя (т.З) исследуемого манометра 1 и выходом линейного отвода 2 (т.4). Это можно объяснить на¬личием нескольких температурных барьеров в этом узле. Так, установленная паронитовая прокладка является хорошим тепло-изолятором между основанием присоединительного штуцера манометра и ниппельной гайкой. При этом сама ниппельная гайка не является цельнометаллическим изделием с подводящей трубкой, что также снижает тепловодность этого узла. К тому же ниппельная гайка и присоединительный штуцер манометра имеют непосредственный контакт через резьбовое соединение, что также служит дополнительной преградой теплового потока.

Падение температуры от измеряемой среды (т. 7) до конца узла подвода среды (т.4) составляет от 25 до 54°С. При этом общий перепад температуры от точки отбора (т.7) до места пайки трубчатой пружины (т.9) варьирует в зависимости от теплового режима в пределах 92-127°С. Таким образом, падение температуры в подводящем узле манометра установлено около 100°С. При этом обязательно необходимо учитывать, что узел подвода специально не теплоизолировался. Такая теплоизоляция в практике монтажа манометров недопустима, т.к. может существенно увеличивать рабочую температуру манометра и существенно снижать надёжность измерительного прибора.

Как отмечено выше, температура окружающей среды составляла от 9 до 20°С. В отдельном эксперименте, температура окружающего воздуха с помощью термостата и воздухонагревателя была повышена до 40°С, что привело к росту температуры на трубчатой пружине манометра на 4-5°С.

В процессе эксперимента не отмечено существенной разницы между температурой штуцера манометра и температурой трубчатой пружины. На приборе с классом точности 0,4 такая разница зарегистрирована не была.

Для определения степени влияния измеряемой среды на температурный режим манометра была уменьшена степень вакуумирования и, соответственно, степень заполнения автоклава бидистиллятом. На рис. 6.23 (Эксп. 10) показаны результаты такого эксперимента. Очевидно, что в такой ситуации уменьшается температура линейного отвода и снижается теплосъем с поверхности автоклава. Температура автоклава существенно возрастает (до 222°С).

На следующем этапе с целью определения влияния различных механизмов теплообмена на температурный режим манометрического прибора была поставлена задача исследования теплообмена посредством металла стенок рабочего трубопровода и металла подводящих коммуникаций. Установка вакуумировалась, затем с целью исключения влаги во внутреннем объёме автоклава 3 (рис. 2.85) ЛАТРом 7 подавалось напряжение на нихромовые спирали 5, равное 20-30% номинального режима, соответственно, установка прогревалась, выдерживалось в стабильном температурном режиме время 30-35 мин, открывались клапаны сброса 2, 3 и после выдержки 10-15 мин отключался электрический нагрев. Таким образом контролировалось отсутствие рабочего тела в основном рабочем канале установки.

Рис. 6.23. Температурный режим незаполненного автоклава в комплекте с испытываемым манометром.

Выдерживалось время до полного охлаждения установки (до температуры окружающей среды), что отслеживалось на регистраторе температуры.

На следующем этапе установка в очередной раз вакуумировалась, но не заполнялась рабочим телом. Закрывались все клапаны, и затем вновь ЛАТРом подавалось напряжение и выдерживалось время для выхода всех параметров на стабильные значения. Проведено шесть серий экспериментов при условиях, описанных выше. Контроль температуры осуществлялся по самопишущему прибору и вольтметру.

На рис. 6.23 показан температурный режим исследуемого объекта при отсутствии теплоносителя с незаполненным авто¬клавом. При этом какая-либо теплоизоляция на линейном отводе и присоединительном штуцере манометра отсутствовала.

При отсутствии теплоносителя в подводящих коммуникациях основной перепад температур наблюдается между металлом автоклава 3 и линейным отводом 2. Такой перепад (разница между точками измерения температуры т.7 и т.6) составлял от 116 до 195°С при варьировании температуры металла автоклава от 206 до 326°С. При этом разница между температурой трубчатой пружины в месте, близком к наконечнику (т. 1), и температурой подводящей трубки (т.4) составляла 30-46°С.

Кроме этого, как отмечалось выше, эксперимент проводился при разных температурах окружающего воздуха (9-20°С). Существенных отклонений в температурных режимах работы манометров в зависимости от температуры окружающего воздуха отмечено не было, что также подтвердило непревалирование в системе нагрева показывающего прибора теплообмена за счёт теплопроводности металла подводящих коммуникаций.

Обращает на себя внимание факт, что при теплоизолировании технической стекловатой слоем 1-2 см линейного отвода 2 существенно уменьшается перепад температуры между автоклавом (т.7) и подводящей трубкой 2 (т.6) до 98°С, а также сокращается до 22°С перепад температур между концом подводящей трубки 2 (т.4) и местом пайки трубчатой пружины в держатель (т.2) при рабочей температуре автоклава 236°С.

В результате из проведённого эксперимента можно сделать вывод, что для промышленных температур механизм теплообмена через металл ограждающих стенок не определен. Так, при температуре металла автоклава от 206 до 326°С температура трубчатой пружины в месте пайки в держатель составляла 36-68°С, т.е. перепад температуры достигал 170-258°С.

Таким образом, из проведенного экспериментального исследования можно заключить, что в зависимости от степени вакуумирования и, соответственно, степени заполнения соединительной линии, соединяющей объём измеряемой среды с внутренней полостью измерительного прибора, определяется теплообмен в этой линии. Основную роль в температурном режиме работы показывающего манометра определяет степень заполнения внутренней полости манометра и, соответственно, подводящих коммуникаций измеряемой средой.

Конвективный теплообмен измеряемой среды определяет температурное состояние показывающих манометров. Такой вы¬вод, впрочем, применим и для измерительных преобразователей давления, конструкции подвода которых во многом идентичны линиям отбора для показывающих манометров.