摘要：從小口徑遠(yuǎn)傳法蘭變送器設(shè)計(jì)的必要性入手，深入細(xì)致地探討FCX- AIII系列遠(yuǎn)傳變送器DN25小法蘭設(shè)計(jì)思路和方法，并列舉實(shí)例。通過(guò)對(duì)3種設(shè)計(jì)方法對(duì)比分析，提出在設(shè)計(jì)方面的見(jiàn)解和建議。該設(shè)計(jì)對(duì)于DN20、DN15等更小口徑遠(yuǎn)傳法蘭變送器的研究開發(fā)具有推廣意義。
引言
法蘭變送器主要用于測(cè)量各種流體的壓力、差壓、液位等工業(yè)過(guò)程控制參數(shù)，廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。FCX-AIII系列法蘭變送器是在差壓、壓力變送器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的品種，即在壓力、差壓品種基礎(chǔ)上，通過(guò)隔膜法蘭引壓，充有硅油的毛細(xì)管傳遞壓力，實(shí)現(xiàn)特殊工藝條件下壓力信號(hào)的遠(yuǎn)距離測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)石油化工裝置管道法蘭按公稱直徑大小劃分，主要有DN40、DN50、DN80和DN100，小口徑管道法蘭（公稱直徑DN25以下）需求較少，一般占管道法蘭總數(shù)15%左右。然而，公稱直徑DN25以下的小口徑法蘭變送器，對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)變送器廠商來(lái)說(shuō)都是一個(gè)kongbai，必須依賴國(guó)外進(jìn)口。
1 設(shè)計(jì)思路及方法
FCX-AIII系列法蘭變送器，按其公稱直徑大小劃分，主要有DN40、DN50、DN80和DN100，DN25小口徑法蘭設(shè)計(jì)是在DN50法蘭的基礎(chǔ)上進(jìn)行，同時(shí)兼顧工藝可行性、現(xiàn)場(chǎng)安裝、使用可靠性以及制造成本等方面，使之與現(xiàn)場(chǎng)工藝法蘭匹配。
2 設(shè)計(jì)方法
DN25小口徑法蘭的設(shè)計(jì)方法主要有過(guò)渡法蘭法、適配器法蘭法和鑲件-法蘭法。
2.1 DN50-DN25過(guò)渡法蘭
如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)工藝法蘭口徑為DN25，在DN50取壓法蘭和DN25工藝法蘭之間增加一段能夠?qū)崿F(xiàn)法蘭口徑大小轉(zhuǎn)換的法蘭組件，圖中虛線框從右到左，達(dá)到了法蘭口徑由DN50到DN25的轉(zhuǎn)換之目的。在儀表設(shè)計(jì)制造中，習(xí)慣上把取壓法蘭和工藝法蘭之間的那一部分法蘭組件稱之為過(guò)渡法蘭，這里即DN50-DN25過(guò)渡法蘭。
過(guò)渡法蘭設(shè)計(jì)時(shí)，理論上應(yīng)整體處理，做成一體，如圖2所示。但考慮到零件機(jī)械加工工藝的可行性、材料及人工成本等諸多因素，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，多采用兩片法蘭加一段喇叭口焊接而成。這里即“一大法蘭（DN50）一小法蘭（DN25）加喇叭口”，如圖3所示，連接處焊縫設(shè)計(jì)根據(jù)工藝#高工作壓力選取和確定，同樣能夠達(dá)到整體式設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，既能滿足工藝要求又便于生產(chǎn)制造。圖中，D、K、d、f、B、δ以及N-M的尺寸屬于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具體根據(jù)法蘭公稱壓力值的不同而設(shè)計(jì)選取相應(yīng)數(shù)值。L的長(zhǎng)度根據(jù)兩側(cè)螺栓的有效長(zhǎng)度確定，以兩側(cè)螺栓互不干涉為前提，以方便安裝和距離緊湊為宜。
2.2 DN25適配器法蘭組件
適配器法蘭如圖4雙點(diǎn)劃線框所示，在型式上和過(guò)渡法蘭比較相似，為了盡可能實(shí)現(xiàn)過(guò)渡法蘭的小型化，shou先對(duì)遠(yuǎn)傳變送器的取壓法蘭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使取壓法蘭具備既要取壓又要連接的雙重作用，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適配器法蘭。
以化工部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20592-2009 DN50 PN16到DN25 PN16過(guò)渡為例，如圖5所示，shou先對(duì)取壓法蘭和適配器法蘭進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，保證兩者之間實(shí)現(xiàn)可靠連接。其次設(shè)計(jì)適配器法蘭右側(cè)口徑為DN50，左側(cè)口徑為DN25（26）。然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)設(shè)計(jì)DN25 PN16直接安裝法蘭。#終根據(jù)DN25 PN16壓力等級(jí)選取短管規(guī)格33×3.5，通過(guò)計(jì)算螺栓有效長(zhǎng)度、所需空間長(zhǎng)度以及焊縫大小等，確定短管長(zhǎng)度取55 mm。
2.3 DN25鑲件-法蘭
如圖6所示，DN25鑲件-法蘭的設(shè)計(jì)，就是想辦法直接把遠(yuǎn)傳變送器的取壓法蘭的口徑變成DN25。從機(jī)械設(shè)計(jì)原理講，就是直接把取壓法蘭及其取壓膜片按照DN25設(shè)計(jì)，就能實(shí)現(xiàn)。但如果DN25 這么小的口徑還用DN50時(shí)的取壓膜片（厚度0.04 mm），會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)傳法蘭變送器整機(jī)性能不能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，尤其是溫度附加誤差很大，這樣的遠(yuǎn)傳變送器根本不能使用，因?yàn)槟て鄬?duì)于口競(jìng)么說(shuō)太厚了。如果設(shè)計(jì)選用與DN25口徑相匹配的膜片，其厚度大約0.02 mm，太薄了，目前國(guó)內(nèi)外的焊接技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)該膜片與取壓法蘭的有效焊接。綜上，采取在取壓法蘭上焊接一個(gè)鑲件的措施，鑲件的入口尺寸和出口尺寸分別為DN25和DN50, 以實(shí)現(xiàn)DN50到DN25的有效轉(zhuǎn)接。
圖7為DN25鑲件-法蘭組件裝配圖，鑲件嵌入取壓法蘭中，連接表面氬弧焊環(huán)焊一周，組成鑲件-法蘭組件。設(shè)計(jì)時(shí)，要注意計(jì)算配合尺寸，兩者之間為間隙配合，要求配合間隙在0.05～0.15 mm之間，以保證氬弧焊接的有效性。
鑲件的內(nèi)腔和外形尺寸主要結(jié)合取壓法蘭的取壓側(cè)統(tǒng)籌考慮，設(shè)計(jì)起來(lái)較為容易。由于薄壁零件焊接時(shí)容易變形，鑲件的厚度尺寸設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。為了確定鑲件的#小厚度尺寸，通過(guò)多次焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)鑲件總厚度小于4.5 mm時(shí)，焊接后鑲件密封面變形嚴(yán)重；當(dāng)鑲件總厚度等于5 mm時(shí)，焊接后鑲件密封面表面幾乎無(wú)變形，通過(guò)打壓試驗(yàn)，密封效果良好。故選取鑲件總厚度δ=5 mm，考慮到設(shè)計(jì)的美觀，設(shè)計(jì)成如圖8所示的臺(tái)階型式。
3 對(duì)比分析
過(guò)渡法蘭沒(méi)有對(duì)取壓法蘭進(jìn)行變更設(shè)計(jì)，僅僅是對(duì)安裝進(jìn)行了補(bǔ)充設(shè)計(jì)，接近于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。因此，使用它的優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、儀表的整機(jī)性能穩(wěn)定，而缺點(diǎn)在于體積重量大、材料和加工成本高、安裝占用空間大，并且當(dāng)法蘭公稱壓力改變時(shí)設(shè)計(jì)隨之改變。適配器法蘭對(duì)取壓法蘭進(jìn)行了二次設(shè)計(jì)，同時(shí)補(bǔ)充設(shè)計(jì)適配器法蘭、短管、直接安裝法蘭以及相應(yīng)的密封圈和螺栓螺母，需要設(shè)計(jì)的零件多而復(fù)雜，材料和加工成本較高，其優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)DN25不同壓力等級(jí)的法蘭進(jìn)行通用設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)其規(guī)格系列化。鑲件-法蘭組件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的零件少，只需要進(jìn)行鑲件設(shè)計(jì)和取壓法蘭變更設(shè)計(jì)即可完成，成本低，但其弱點(diǎn)在于儀表的整機(jī)性能稍差，尤其是死區(qū)較大，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致取壓法蘭和鑲件之間的空隙留有殘?jiān)踔劣绊憙x表的響應(yīng)速度。
關(guān)于DN25小口徑法蘭設(shè)計(jì)方案的選取，一般在項(xiàng)目評(píng)審前期的技術(shù)交底中要和用戶、設(shè)計(jì)院兩家進(jìn)行溝通，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝條件、對(duì)儀表性能指標(biāo)要求以及用戶的實(shí)際需求來(lái)確定。過(guò)渡法蘭、適配器法蘭和鑲件-法蘭3種方案可以通過(guò)儀表選型中得到體現(xiàn)，必要時(shí)加備注說(shuō)明和強(qiáng)調(diào)。實(shí)踐證明：采用適配器法蘭設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DN50到DN25口徑的轉(zhuǎn)換，遠(yuǎn)傳變送器性能穩(wěn)定可靠，能夠完全滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求，同時(shí)設(shè)計(jì)上可以實(shí)現(xiàn)規(guī)格系列化，零件通用性強(qiáng)，在一定程度上縮短了交貨期，降低了制造成本，建議優(yōu)先選取這一方案。
4 結(jié)語(yǔ)
FCX-AIII系列遠(yuǎn)傳變送器DN25小口徑法蘭的設(shè)計(jì)，通常采取的過(guò)渡法蘭、適配器法蘭和鑲件-法蘭3種方法，都是在DN50法蘭的基礎(chǔ)上進(jìn)行的補(bǔ)充設(shè)計(jì)，三者各有利弊。選取哪種設(shè)計(jì)方法，主要取決于變送器的現(xiàn)場(chǎng)工藝條件、測(cè)量范圍、安裝位置等因素，以滿足用戶使用要求為前提，統(tǒng)籌考慮設(shè)計(jì)系列化、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、工藝規(guī)范化以及成本的低廉化。本文所提出的設(shè)計(jì)思路及方法，對(duì)于FCX-AIII系列遠(yuǎn)傳變送器DN20、DN15等更小口徑的法蘭研究開發(fā)具有推廣意義。
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