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量各種流體的壓力、差壓、液位等工業(yè)過程控制參數(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)距離測量。目前，國內(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)于國內(nèi)大多數(shù)變送器廠商來說都是一個(gè)kongbai，必須依賴國外進(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)場安裝、使用可靠性以及制造成本等方面，使之與現(xiàn)場工藝法蘭匹配。
2 設(shè)計(jì)方法
DN25小口徑法蘭的設(shè)計(jì)方法主要有過渡法蘭法、適配器法蘭法和鑲件-法蘭法。
2.1 DN50-DN25過渡法蘭
如圖1所示，現(xiàn)場工藝法蘭口徑為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渡法蘭，這里即DN50-DN25過渡法蘭。
過渡法蘭設(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的長度根據(jù)兩側(cè)螺栓的有效長度確定，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，在型式上和過渡法蘭比較相似，為了盡可能實(shí)現(xiàn)過渡法蘭的小型化，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，通過計(jì)算螺栓有效長度、所需空間長度以及焊縫大小等，確定短管長度取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)于口競么說太厚了。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變形，通過打壓試驗(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
過渡法蘭沒有對(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)勢在于設(shè)計(jì)簡單、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)際需求來確定。過渡法蘭、適配器法蘭和鑲件-法蘭3種方案可以通過儀表選型中得到體現(xiàn)，必要時(shí)加備注說明和強(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
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)場工藝條件、測量范圍、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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