Основные внешние воздействия, влияющие на работу манометрических приборов, наиболее распространенные и типовые для промышленных условий, подразделяются на механические и температурные. Такие воздействия могут приводить к существенным погрешностям измерений, существенному снижению ресурса работы и даже выходу приборов из строя - отказу.
Тема оценки влияния температурных воздействий на манометрические приборы, организация проведения измерений давления в условиях высоких температур окружающего воздуха, а также измеряемой среды после ее более глубокого изучения оказалась гораздо серьезнее, чем ее традиционно представляют.
Механические воздействия, к которым отнесены вибрации, пульсации измеряемой среды, гидроудары существенно влияют на ресурс работы манометрических приборов, точность проводимых измерений, возможность корректного съема показаний. Обеспечение оптимальной схемы измерений давления в условиях существенных механических воздействий на прибор, также как представляется авторам, недостаточно исследован и специалисты производственных предприятий зачастую не владеют профессиональными знаниями в этой области.
Вышеперечисленными факторами обусловлено появление ниже представленного материала.
2.5.1. Механические воздействия
Сложившее традиционное мнение, подтвержденное различными публикациями, включая официальные документы, стандарты, научные статьи и др., относит к основным механическим воздействиям на манометрические приборы вибрации. Авторам представляется настоящая проблема более сложной.
Основные внешние механические воздействиями в промышленных условиях эксплуатации, исключая вандализм, в зависимости от фактора воздействия можно разделить на два вида: внешние вибрации, включая ударные нагрузки, передаваемые на измерительный прибор, как правило, от работающего технологического оборудования, и механические воздействия от измеряемой среды, к которому отнесены гидроудары и пульсации.
Исследования, проведенные в нашей компании, показывают, что внешние вибрации, ударные воздействия на манометрические приборы занимают в общем перечне дефектаций небольшую долю. Как правило, ударные нагрузки испытывают приборы специального назначения и здесь их описание не предусмотрено.
Вибрации, воздействующие на механические манометрические приборы, имеют место на технологическом оборудовании. Очень иллюстративно такие режимы можно наблюдать на теплоэлектростанциях, особенно на компрессорах, питательных насосах, тягодутьевых устройствах и др.
Как рекомендуют стандарты и следует из табл.1.3, в условиях эксплуатации, где вибрации превышают частоту 55 Гц и амплитуду смещения 0,15 мм необходимо применять виброустойчивые манометры.
Под термином «виброустойчивые манометры» в нашей стране объединены приборы, работающие в условиях повышенных внешних механических воздействий.
Как показали наши многочисленные экспериментальные и промышленные исследования и последующие расчеты одним из главных методов, обеспечивающих устойчивую работы манометрических приборов в условиях внешних вибраций, является применение приборов с усиленным механизмом, трубчатым ЧЭ с повышенным поперечным сечением, сбалансированной и соотнесенной с поворотным моментом спиральной пружины. При использовании приборов с такими параметрами, как правило, обеспечивается их долговременная и надежная работа в условиях повышенных внешних вибраций.
Гораздо большие проблемы для работы манометрических приборов по сравнению с промышленными вибрациями (не подразумеваются ударные нагрузки) составляют резкие изменения давления измеряемой среды, которые можно подразделить на гидроудары и пульсации.
Гидравлический удар – это скачок давления в технологической системе, заполненной жидкостью с газом или парожидкостной смесью, вызванный сверх быстрым изменением скорости движения этой среды за очень малый промежуточный времени. Гидроудары имеют невысокую частоту, но большую амплитуду изменения давления, значения которой зачастую превышают предельно допустимые для измерительных приборов, т.к. такие скачки могут на порядок и более отличаться от нормативных параметров. Спасительным для приборов в некоторых таких случаях является быстротечность гидроудара и высокая степень гидросопротивления в подводящих коммуникациях.
Меры, предусматривающие защиту измерительных приборов давления от гидроударов, обязательны. Наиболее распространенной и действенной защитой от гидравлических ударов для измерительных приборов является монтаж перед ними демпфирующих измеряемую среду устройств. Более детально существующие демпферные устройства представлены в разделе 5.2.
Пульсации измеряемой среды – это одно из наиболее распространенных вредных влияний на надежность, долговечность и метрологию манометрических приборов, обусловленных высокой частотой перемещения конца ЧЭ и, соответственно, ускоренному износу зубчатого зацепления сектора и трибки механизма.
Обеспечение оптимальной схемы измерения в условиях существенных пульсаций измеряемой среды достигается ниже перечисленными методами.
Применение приборов, наиболее устойчивых к пульсациям – это манометрические приборы с плоскими мембранами, которые устойчиво работают на пульсирующих средах. Более детально такие приборы представлены в разделе 2.4.
Жидконаполненные относятся к специальным так называемым виброустойчивым манометрам, предназначенным для организации измерений на пульсирующих средах. Особенность таких приборов состоит в заполнении внутренней полости корпуса вязкой жидкостью. В вязкой жидкости при воздействии внешних вибраций и пульсаций рабочей среды свободный конец трубчатой пружины снижается и замедляется размах колебаний, т.е. происходит гашение ее резких перемещений.
Режимы пульсирующего давления измеряемой среды высокой частоты и амплитуд и внешних вибраций может наблюдаться на широком ряде технологического оборудования. В таких условиях у обычных общетехнических манометров, как отмечено выше, происходит быстрое «вырабатывание» зубчатого сектора и трибки передаточного механизма, что приводит к повышению погрешности измерения, а во многих случаях разрушению конструкции зубчатого зацепления и даже всего механизма.
Как отмечалось выше, при пульсации измеряемого давления трубчатый чувствительный элемент, окруженный с внешней стороны вязкой жидкостью, как, например, глицерином обладает инерционностью перемещения, т. е. изменение положения его свободного конца происходит с определенным запаздыванием, что приводит к сглаживанию частотных нагрузок. Кроме того, как показали проведенные нами исследования, находящаяся внутри корпуса вязкая жидкость, обеспечивает дополнительную смазку осей трения (цапф) сектора и трибки передаточного механизма и их зубчатого зацепления.
По многочисленным наблюдениям авторов, на качественно изготовленном механизме (с высокой чистотой поверхности и оптимальной геометрией зубчатого зацепления) манометра, функционирующего в вязкой среде, при работе прибора на пульсирующих нагрузках энергетических установок даже после нескольких лет эксплуатации могут отсутствовать следы выработки зубчатого зацепления паенры трибка – сектор. Это доказывает эффект смазки механических соединений в жидконаполненных приборах.
Виброустойчивые манометры изготовляются в герметичном корпусе. Специальные уплотнения между корпусом и держателем выполняются из каучуковых или силиконовых резин. В варианте с нержавеющим держателем и корпусом многие производители соединяют их сваркой. Обечайка корпуса герметично закрывает его и может устанавливаться как с помощью закрутки–завальцовки (рис. 2.81а), так и с использованием крупнорезьбового соединения под названием «байонет» (рис. 2.81в).
а) б)
Рис. 2.81. Разновидности корпусов виброустойчивых жидконаполненных манометров: а – с использованием завальцовки; б – на основе резьбового уплотнения
Завальцовка применяется в манометрах малых диаметров, а также у приборов больших диаметров экономварианта. Основным недостатком приборов с завальцовкой корпуса является сложность демонтажа обечайки, которая при последующем монтаже требует ее замены.
Корпуса виброустойчивых манометров большинством производителей изготавливаются из коррозионно-стойкой стали. Для этих целей может также использоваться техническая сталь. Основным требованием для этой конструкции служит герметичность. Остальные узлы, такие как держатель, чувствительный элемент, передаточный механизм, могут выполняться как из медных сплавов, так и из коррозионностойкой стали.
Уплотнение корпуса с держателем обеспечивается эластичными прокладками. Некоторые производители изготавливают держатель из нержавеющей стали и соединяют корпус манометра с держателем сваркой, как это показано, например, на рис.2.82.
Рис.2.82. Герметичное соединение держателя с корпусом прибора: а – радиальное исполнение и
б – торцовосмещенное расположение штуцера – соединение аргоновой сваркой; в – лазерной сваркой.
Заполнение манометра вязкой жидкостью не требует применения специальных технологий. В верхней части корпуса размещается отверстие для заливки вязкой жидкости, которое может закрываться резиновой пробкой, эластичным клапаном или специальным запорным устройством с резьбовым стопором. Конструкции устройств, предназначенных для герметизации заливного отверстия при транспортировке и монтаже приборов, а также обеспечения соединения внутренней полости прибора с атмосферой в условиях эксплуатации с целью обеспечения заявленного класса точности, особенно для малых рабочих пределов, более детально описаны в разделе 6.4.
Конструктивно виброустойчивые манометры имеют герметичный корпус, внутренний объем которого заполнен жидкостью с повышенной вязкостью. Наиболее часто для этих целей используется глицерин, который, однако, при температуре ниже минус 17оС кристаллизуется. Для таких температурных условий может использоваться силикон, температура кристаллизации которого – минус 30..35 оС. Силикон с добавками сохраняет фазовую устойчивость до минус 50… минус 60 оС, а в некоторых смесях до минус 70оС.
При комнатных температурах силикон имеет повышенную текучесть, что обуславливает более тщательное уплотнение соединений корпуса и эффект гашения колебаний ЧЭ не столь очевиден. Хотя эффект смазки сопрягаемых деталей имеет место.
Основным требованием к рабочей жидкости является, как отмечалось выше, повышенная вязкость, а также не агрессивность по отношению к деталям прибора и стабильность (не изменение) своего фазового состояния (появление кристаллизации или парообразования) при температурах эксплуатации прибора.
К вязким жидкостям, используемым для заполнения корпуса, предъявляются специальные требования, основные из которых следующие:
- сохранение определенной вязкости и не изменение своего фазового состояния (кристаллизация или парообразование) в широком диапазоне температур эксплуатации приборов, а также ;
- нейтральность по отношению корпуса механизма, ЧЭ и других элементов, с которыми контактирует вязкая жидкость;
- не агрессивность при контакте с окружающей средой в случае ее протекания из корпуса.
Нарушение перечисленных выше требований может приводить к нарушению функционирования и даже выходу приборов из строя. Как пример, на рис.2.83 показан механизм, демонтированный с прибора, заполненного и эксплуатируемого на протяжении определенного времени не предназначенной для этих целей жидкостью.
Рис.2.83. Вид механизма жидконаполненного манометра после эксплуатации и использования не предназначенной для этих целей жидкости.
В представленной на рис.2.83 конструкции платы изготовлены из латунного сплава, а сектор механизма из алюминиевого. Потребитель по своему усмотрению заполнил внутреннюю полость корпуса нестандартизированной жидкостью. Несоответствие ионного состава жидкости задаваемым требованиям привело к осаждению на секторе механизма хлопьевидных образований. Такие образования оказались и на зубчатом зацеплении сектора, что привело к отказу в работе прибора.
Не рекомендуется использовать глицерин для наполнения манометров, измеряющих давление кислорода или других активных окислителей. Для таких условий используются высоко хлорированные жидкости.
Представляет интерес опыт применения манометров, с практически герметичным корпусом, предназначенным для заполнения вязкой жидкостью, для измерения давления различных сред в системах, подвергающихся постоянным или периодическим затоплениям. Особенно актуально, когда существует угроза попадания различных жидкостей с разными вкраплениями внутрь корпуса прибора. В таких условиях защищенный корпус устройства предохраняет измерительную часть, передаточный механизм от внешних воздействий, загрязнений.
Когда измерение или контроль давления производятся периодически рекомендуется перед манометром устанавливать кнопочный включатель (см. раздел 5.4), обеспечивающий включение прибора только в период проведения измерений.
Форма и присоединительные размеры штуцера у жидконаполненных манометров такие же, как и у промышленных приборов.
Основные диаметры корпусов выпускаемых показывающих виброустойчивых манометров 40, 50, 63, 100 и 160 (150) мм.
Сухие (без жидкого наполнителя) виброустойчивые манометры (СВу) – уникальное решение, обеспечивающее работоспособность манометров в условиях повышенных пульсационных нагрузок измеряемой среды. Работа таких манометров базируется на демпирующем механизме (рис.2.84).
Рис.2.84. Вид демпфирующего механизма.
Демпфирование (сглаживание) линейных перемещений ЧЭ обеспечивается увеличением инерционности углового перемещения осей трибки и сектора, а также подпруживанием в двух направлениях линейного перемещения тяги в месте ее соединения с сектором.
Поворотные оси трибки и сектора выведены за торцевую плату механизма на которой установлены демпфирующие втулки, замедляющие резкие угловые перемещения этих осей.
С целью повышения надежности сопряжения тяги с сектором, а также для увеличения степени демпфирования соединение изготовлено в нежестком исполнении с ограничением перемещения штуцера тяги двумя линейными пружинами. В результате, не жесткое соединение при определенном тяговом моменте рычага сектора приводит к гашению резких перемещений конца ЧЭ.
Втулки и зубчатое усиление сектора изготавливается из устойчивого к износу пластика ТЕКАФАЙН ПЕ-10, что также повышает эластичность и надежность зубчатого зацепления и механизма в целом.
Сухие виброустойчивые манометры с демпфирующим механизмом производятся в корпусах 100 (рис.2.85) и 160 (150) мм.
Рис.2.85. Вид сухого (без наполнителя) виброустойчивого манометра МП100Н СВу.
Воздействие пульсирующего давления на чувствительный элемент манометра может быть также снижено демпферами и демпфирующими устройствами, устанавливаемыми на входе измеряемой среды (см. раздел 5.2).
