在線可插拔探頭支架的開發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳利軍

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司 蘇州研究所，江蘇 蘇州 215128)

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在線可插拔探頭支架的開發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳利軍

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司 蘇州研究所，江蘇 蘇州 215128)

針對(duì)電極在清洗或更換的時(shí)候需要關(guān)聯(lián)的裝置停車或某段工藝管線停運(yùn)的弊端，開發(fā)了一種在線可插拔探頭支架，在裝置不停運(yùn)的情況下，可對(duì)電極探頭進(jìn)行清洗和更換。介紹了在線可插拔探頭支架的開發(fā)設(shè)計(jì)內(nèi)容；重點(diǎn)論述了在線可插拔探頭支架的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)工藝計(jì)算方法。通過可插拔探頭支架的應(yīng)用表明： 避免了裝置停運(yùn)帶來的損失，在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也方便了操作和維護(hù)。

可插拔探頭支架電極支架可伸縮支架pH電極保護(hù)架取樣探頭

pH計(jì)、溶解氧測(cè)量?jī)x、電導(dǎo)測(cè)量?jī)x等是常用的水質(zhì)測(cè)量?jī)x器，被廣泛應(yīng)用于石油化工、環(huán)保、科研、制藥、發(fā)酵、養(yǎng)殖等領(lǐng)域。其基本組成為變送器、電極及相互間的數(shù)據(jù)傳輸電纜。電極是直接與物料介質(zhì)接觸的部件，在線使用一定時(shí)間后，電極和被測(cè)介質(zhì)的接觸處就形成物料結(jié)垢，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)失真或校正響應(yīng)變慢，此時(shí)需要拆除電極進(jìn)行清洗或更換。傳統(tǒng)的方式更換電極時(shí)，關(guān)聯(lián)的裝置需要停車或某段工藝管線需要停運(yùn)，才能對(duì)電極進(jìn)行拆除。筆者詳細(xì)論述了一種在線可插拔探頭支架的開發(fā)與應(yīng)用，能很好地解決上述問題。

1　在線可插拔探頭支架特點(diǎn)

在線可插拔探頭支架主要由插桿、電極保護(hù)架、密封裝置及切斷閥等組成，如圖1所示。在線可插拔探頭支架具有以下特點(diǎn)：

1) 可在線實(shí)時(shí)插拔并清洗或更換電極。

2) 可根據(jù)工藝管內(nèi)液位的高度，將電極插入到最合適的位置，并實(shí)時(shí)調(diào)整。

3) 工藝接口方式和尺寸可按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況定制。

4) 接液部件可按試樣需要定制，如PTFE、鈦材、不銹鋼等。

圖1　在線可插拔探頭支架結(jié)構(gòu)示意

2　在線可插拔探頭支架的開發(fā)內(nèi)容

2.1開發(fā)設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和工藝的需要，在線可插拔探頭支架需具備以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

1) 能在線隨工藝介質(zhì)的位置調(diào)整電極探頭的位置，即實(shí)現(xiàn)可插拔的功能。

2) 具備良好的密封功能。

2.2關(guān)鍵技術(shù)的計(jì)算

2.2.1可插拔功能

試樣在線分析時(shí)，需要試樣具有足夠的代表性，才能最大限度地減少測(cè)量誤差，使得測(cè)量數(shù)據(jù)盡可能接近真實(shí)，因而取樣點(diǎn)的選擇尤為重要?？刹灏翁筋^支架的首要功能即在線插拔，將電極送到合適的取樣點(diǎn)。

2.2.1.1管道中的試樣狀態(tài)

根據(jù)牛頓流體定律可知，在層流和紊流兩種情況下管壁流速都比中心的速度要小。取樣探頭應(yīng)使取樣點(diǎn)遠(yuǎn)離管壁避免管壁效應(yīng)和低流速區(qū)域。如果可能，最好在紊流的工藝流路上取樣。層流的工藝管會(huì)出現(xiàn)分層和引入較大的試樣密度的偏差，層流工藝取樣要在充分混合以后或創(chuàng)造一個(gè)紊流取樣點(diǎn)。除少數(shù)的情況外，管道內(nèi)的試樣介質(zhì)是分層流動(dòng)的，取樣探頭插入深度應(yīng)在管道內(nèi)直徑的25%～30%處，或在平均密度分布的地方。

2.2.1.2取樣探頭允許長(zhǎng)度的計(jì)算

流體流過垂直于流向的圓柱形物體(探頭)時(shí)，會(huì)在圓柱體后面形成旋渦，如圖2所示。

圖2　旋渦分離現(xiàn)象示意

當(dāng)流速加快時(shí)，旋渦尺寸隨之增大，旋渦范圍延長(zhǎng)，最終發(fā)生分離。當(dāng)旋渦的分離周期達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振。為了防止共振現(xiàn)象的發(fā)生，可按照以下步驟計(jì)算探頭的允許長(zhǎng)度：

1) 計(jì)算探頭的自然頻率fn：

(1)

式中：Fm——實(shí)際質(zhì)量因子，由于流體環(huán)繞探頭流動(dòng)并帶動(dòng)探頭振動(dòng)而引起的探頭附加質(zhì)量常數(shù)，對(duì)于氣體，F(xiàn)m=1，對(duì)于水和其他液體，F(xiàn)m=0.9；E——探頭材料的彈性系數(shù)，kg/cm2；I——探頭直徑的慣性矩，cm4；g——重力加速度，981cm/s2；L——探頭長(zhǎng)度，cm；ρl——探頭單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，kg/cm；A——各種振動(dòng)方式常數(shù)，A1=3.52， A2=22.4， A3=61.7， A4=121。

對(duì)于樣品工藝管線來說，直徑一般較小，通常采用第1種振動(dòng)方式常數(shù)，即A1=3.52，此時(shí)式(1)變?yōu)?/p>

(2)

探頭外徑d0用mm表示時(shí)，得到

(3)

式中： ρ——探頭材料的密度，kg/m3；Vp——探頭體積，mm3；Ap——探頭截面面積，mm2；di——探頭內(nèi)徑，mm。

(4)

將式(3)，(4)帶入式(2)中，合并化簡(jiǎn)得到：

(5)

2) 計(jì)算旋渦分離頻率fs。流體流經(jīng)探頭時(shí)的旋渦分離頻率由下式計(jì)算：

(6)

式中：St——斯特勞哈爾數(shù)，與雷諾數(shù)Re和探頭形狀有關(guān)，在最惡劣的情況下可取St=0.4，API標(biāo)準(zhǔn)建議取St=0.2；v——流體流經(jīng)探頭時(shí)的速度，m/s;D——探頭在流體流動(dòng)方向上的寬度，即探頭外徑(D=d0)，mm。

3) 求探頭的允許長(zhǎng)度L。使式(5)，式(6)相等，即fn=fs，求解探頭的允許長(zhǎng)度，在該長(zhǎng)度下可確保由探頭阻礙流體產(chǎn)生的fs不會(huì)超出fn，計(jì)算公式如下：

(7)

使用下述假定條件：

a) 實(shí)際質(zhì)量因子Fm取0.9，這是最惡劣的情況，即流體為液體。

b) A1=3.52。

c)St取0.4。

則式(7)可簡(jiǎn)化為

(8)

式(8)為最終可插拔取樣探頭支架允許長(zhǎng)度的計(jì)算公式。

2.2.2密封功能

2.2.2.1密封圈的選取

可插拔取樣探頭支架的插拔動(dòng)作可視作一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封通常采用Y形密封圈，其使用壽命比O形圈高。Y形密封圈的特點(diǎn)： 密封性能可靠；摩擦阻力小，運(yùn)行平穩(wěn)；穩(wěn)定性好；密封裝置結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；安裝方便，無需專用工具。

2.2.2.2Y形密封圈的密封機(jī)理

Y形密封圈有1對(duì)與密封面接觸的唇邊，無壓力時(shí)，有一定的過盈量，當(dāng)受液體壓力作用時(shí)，密封唇張開，分別緊貼在軸面上，并產(chǎn)生“峰值”接觸壓力。當(dāng)密封面的耦合件以一定速度相對(duì)滑移時(shí)，在Y形密封圈唇緣和滑移密封面之間將會(huì)形成一層密封油膜，達(dá)到密封的作用，接觸壓力的大小及變化隨工作介質(zhì)壓力的變化而異。

2.2.2.3Y形密封圈的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)

1) 壓縮量。壓縮量是密封圈裝在軸、孔之間的過盈量，是軸、孔面間產(chǎn)生足夠的接觸應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)密封。故壓縮量是密封圈最主要的參數(shù)，設(shè)計(jì)壓縮量要考慮的問題如下：

a) 由于密封圈的外力壓縮而產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦阻力，所以壓縮量應(yīng)盡量設(shè)計(jì)小些。

b) 因密封圈的壓縮量與永久壓縮變形有關(guān)，要求密封圈的永久壓縮變形盡量小。

c) 壓縮量應(yīng)盡量小，但不能過小，過小后會(huì)出現(xiàn)局部壓縮不夠而產(chǎn)生泄漏，過大時(shí)會(huì)增大摩擦阻力，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)，從而易磨損老化，喪失彈性。

d) 壓縮量的合理設(shè)計(jì)需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)的使用實(shí)踐，既要保證軸、孔必要的密封性，又要考慮到彈性、冷蠕動(dòng)性和間隙。

2) 密封唇角設(shè)計(jì)。唇邊與活塞(插桿)的夾角的大小直接影響著密封唇口與其相應(yīng)接觸面的接觸面積大小。關(guān)于該角度的合理取值，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析。

3) 唇口頂角B的設(shè)計(jì)。當(dāng)密封圈唇邊厚度a值一定時(shí)，密封頂角B取值越大，受壓時(shí)唇口密封部位越容易產(chǎn)生較大彈性變形，由此產(chǎn)生的初始密封力也越大，這對(duì)低壓密封非常合適；隨著工作壓力的不斷增大，B應(yīng)適當(dāng)變小，可提高唇口抗壓能力。B的取值一般在50°～60°。

4) 高度H。密封圈的高度H，按輕型、中型、重型三個(gè)系列設(shè)計(jì)，分別為H輕=2b，H中<2b，H重≤1.4b(b為自由狀態(tài)下斷面寬度)。

3　試驗(yàn)考核

該產(chǎn)品裝入設(shè)備中進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)工況見表1所列。

在設(shè)備連續(xù)試驗(yàn)2h后，沒有出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，說明密封效果良好。拆卸后，各部件外觀沒有出現(xiàn)較大變形和破壞現(xiàn)象。

表1　實(shí)際應(yīng)用考核指標(biāo)

4　實(shí)際應(yīng)用

該產(chǎn)品所適用的工作壓力不大于4MPa，工作溫度為-20～120℃，插拔速度為0.05～0.3m/s。近3年來，該在線可插拔探頭支架已經(jīng)成功應(yīng)用了近50臺(tái)，均運(yùn)行正常，用戶反饋良好，充分證明了該產(chǎn)品的成熟性。由于操作方便，技術(shù)可靠，所以有廣闊的市場(chǎng)前景。

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Development& Design and Application of Online Pluggable Probe Support

Chen Lijun

(TianHua Institute of Chemical Machinery and Automation Co. Ltd.， Suzhou Research Institute， Suzhou， 215128， China)

Abstracts： Aiming at disadvantages of associated installation shutdown or some process pipeline parking when electrode is washed or replaced， one online pluggable probe support is developed to wash or replace probe without installation shutdown. The development and design content of online pluggable probe support are introduced. The key technology and relative process calculation method for pluggable probe support are stressed. The application indicates loss caused by installation shutdown is avoided. It makes maintenance and operation convenient with improving economic benefit at the same time.

pluggable probe support；electrode support；flexible support；pH electrode protection support；sampling probe

陳利軍(1981—)，男，2004年畢業(yè)于武漢工程大學(xué)過程裝備與控制專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司 蘇州研究所，主要從事在線分析儀表的成套分析系統(tǒng)工作，任工程師。

TE953

B

1007-7324(2016)04-0057-03

稿件收到日期： 2016-05-10，修改稿收到日期： 2016-06-07。