雙法蘭差壓變送器是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)量液位、密度或界位等應(yīng)用十分廣泛的壓力儀表。由差壓變送器、毛細(xì)管、帶密封隔膜雙法蘭以及內(nèi)部填充液組成，填充液多數(shù)選擇硅油或氟油，多用于密封罐體液位的測(cè)量?；陟o壓的測(cè)量原理：P=ρgh，液位高度與液體靜壓成正比的關(guān)系，計(jì)算出液位高度，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。雙法蘭差壓變送器在液位測(cè)量時(shí)，介質(zhì)的溫度和壓力是兩個(gè)非常關(guān)鍵的因素，尤其是高溫高真空工況對(duì)儀表測(cè)量準(zhǔn)確性影響非常大。主要原因是高溫高真空下，雙法蘭變送器的內(nèi)部填充硅油狀態(tài)發(fā)生了變化，不能有效傳壓，從而影響了測(cè)量準(zhǔn)度。例如，在寧夏煤業(yè)公司煤制油生產(chǎn)工廠裂化單元減壓塔系統(tǒng)中，工藝點(diǎn)溫度大于300℃，塔內(nèi)工作壓力為1kPa(abs)。減壓塔液位的測(cè)量選用雙法蘭差壓變送器，在使用了兩個(gè)月時(shí)間后，就出現(xiàn)了測(cè)量不準(zhǔn)，誤差增大，到最后甚至直接失效，影響了車(chē)間生產(chǎn)進(jìn)程。后期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，高壓測(cè)法蘭的隔離膜片出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。膜片鼓包是硅油汽化結(jié)果的表現(xiàn)形式，針對(duì)此問(wèn)題，本文進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，并提出解決措施。

1、雙法蘭差壓變送器的制造工藝
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝人員了解，此工藝點(diǎn)安裝的雙法蘭差壓變送器再生產(chǎn)制造時(shí)，已經(jīng)結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)對(duì)高溫高真空液位變送器進(jìn)行了工藝改進(jìn)。具體措施如下：

①雙法蘭差壓變送器本體選用了高精度單晶硅差壓變送器。差壓變送器在加裝遠(yuǎn)傳部件前，均做過(guò)正、負(fù)靜壓(正靜壓力大于10MPa，負(fù)靜壓力接近-0.1MPa)測(cè)試，誤差均小于0.5%；
②遠(yuǎn)傳隔膜法蘭、毛細(xì)管和變送器本體之間均采用焊接式連接，防止外部空氣的滲透；
③雙法蘭差壓變送器的遠(yuǎn)傳部件填充液選用耐高溫硅油，型號(hào)為道康寧DC704硅油；
④接觸填充液的結(jié)構(gòu)部件均做了脫氣處理，防止原材料的滲透氣體揮發(fā)。

2、汽化鼓包原因分析
2.1 硅油特性
法蘭型壓力變送器在高溫工況下應(yīng)選擇高溫灌充液，行業(yè)內(nèi)多數(shù)選擇道康寧公司開(kāi)發(fā)的擴(kuò)散泵DC704硅油。其為無(wú)色透明液體，具有卓越的耐熱性、耐氧化性。常溫下很低的蒸氣壓，凝固點(diǎn)低，低溫下黏度變化小，具有無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕及化學(xué)特性穩(wěn)定等特點(diǎn)。它的使用溫范圍0℃～315℃；粘度為9.5mPa.s(25℃)；密度為1.07kg/m3(25℃)；熱膨脹系數(shù)：0.95×10-3/℃。DC704硅油溫壓曲線如圖1。


圖1 道康寧公司DC704硅油溫壓曲線圖

2.2 硅油汽化原因
從硅油的特性可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，黏度降低，揮發(fā)性顯著增高，沸點(diǎn)同時(shí)降低；當(dāng)壓力降低時(shí)，黏度也相應(yīng)降低。當(dāng)硅油用于高溫高真空工況下，黏度大幅度降低，它的揮發(fā)性增大，沸點(diǎn)降低，熱膨脹性增大，硅油就會(huì)發(fā)生汽化，體積膨脹，產(chǎn)生額外附加壓力，導(dǎo)致膜片膨脹鼓包。結(jié)合減壓塔系統(tǒng)液位實(shí)際情況：溫度大于300℃，塔內(nèi)工作壓力為2kPa(abs)。由圖1 DC704硅油飽和溫壓曲線可以看出，當(dāng)壓力接近1kPa(abs)時(shí)，耐溫點(diǎn)已經(jīng)下降至270℃以下，完全不滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的溫度要求。DC704硅油在高溫和負(fù)壓的雙重作用下，特性已經(jīng)完全發(fā)生了變化，汽化和膨脹是必然的。由此說(shuō)明：雙法蘭差壓變送器的填充液選用高溫硅油，在某些高溫高真空的工況下使用是不合適的。

3、改進(jìn)辦法與措施
3.1 更換耐高溫填充液
硅油作為雙法蘭差壓變送器的填充液，利用液體特性傳遞壓力，但在高溫高真空工況下，具有局限性，可以選用鎵液態(tài)合金作為填充液來(lái)代替。鎵液態(tài)合金的制作方法有很多種，例如杭州龍燦液態(tài)金屬有限公司報(bào)道了多種鎵基液態(tài)合金的合成方法，如含有65wt%～70wt%的鎵(Ga)、17.5wt%～25wt%的銦(In)、5wt%～15wt%的錫(Sn)和0.5wt%～2wt%硒的四元鎵基液態(tài)合金，其凝固點(diǎn)可低至-30℃；又如含有鎵60wt%～80wt%、銦9wt%～22wt%、錫5wt%～18wt%、鉍(Bi)0.5wt%～4wt%、銀(Ag)0.2wt%～1.5wt%的五元鎵基液態(tài)合金，其預(yù)凝固溫度為-15℃～-28℃。此類(lèi)鎵液態(tài)合金熔點(diǎn)都低于-15℃，沸點(diǎn)大于1300℃，密度為6.44kg/m3(25℃)，粘度為0.0024mPa.s(25℃)，熱膨脹系數(shù)在1×10-4/℃～2×10-4/℃之間。鎵基液態(tài)合金具有非常優(yōu)異的物理特性，常溫下呈液態(tài)，有很好流動(dòng)性。耐溫范圍在-15℃～1300℃之間。作為金屬類(lèi)極低的熱膨脹率，即使在高溫高負(fù)壓下，也不會(huì)發(fā)生汽化膨脹。它作為填充液，與高溫硅油(DC704硅油)相比較，有很大的優(yōu)勢(shì)。那么雙法蘭差壓變送器充灌鎵基液態(tài)合金作為填充液，在高溫高真空工況下使用，可以提高測(cè)量液位的精度和穩(wěn)定性。

3.2 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
3.2.1 雙隔離傳壓結(jié)構(gòu)和工藝
常規(guī)型雙法蘭差壓變送器屬于一體化遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)，由隔膜法蘭、變送器本體、毛細(xì)管以及充灌液組成。充灌液腔體較大，如選用鎵基液態(tài)合金，密度和粘度比硅油大，會(huì)帶來(lái)雙法蘭差壓變送器傳壓響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，靈敏度降低，同時(shí)填充液的成本也會(huì)增加。為了解決此問(wèn)題，需要對(duì)雙法蘭差壓變送器遠(yuǎn)傳部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體地說(shuō)，將遠(yuǎn)傳部件的一體式結(jié)構(gòu)改為雙隔離分體傳壓結(jié)構(gòu)(這種結(jié)構(gòu)在昌暉儀表制造有限公司超高溫遠(yuǎn)傳差壓變送器中成功應(yīng)用)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。





圖2 雙隔離結(jié)構(gòu)示意圖

雙隔離結(jié)構(gòu)的組成包括：①隔膜法蘭；②鎵液態(tài)合金；③散熱管；④高溫隔離座；⑤金屬膜片；⑥常溫隔離座；⑦高溫硅油；⑧毛細(xì)管；⑨差壓變送器。此方案以差壓變送器遠(yuǎn)傳部件高壓側(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述介紹，低壓側(cè)相同。由隔膜法蘭、散熱管、高溫隔離座以及金屬膜片構(gòu)成的密封腔體，內(nèi)部填充鎵基液態(tài)合金，簡(jiǎn)稱(chēng)為高溫腔體部件。由常溫隔離座、毛細(xì)管、差壓變送器以及金屬膜片構(gòu)成的密封腔體，內(nèi)部填充高溫硅油，簡(jiǎn)稱(chēng)為常溫腔體部件。隔膜法蘭為膜片和承壓法蘭組成的感測(cè)壓力敏感元件，直接接觸介質(zhì)。毛細(xì)管和散熱管屬于遠(yuǎn)傳部件腔體充灌液的連接管路。散熱管表面呈齒型結(jié)構(gòu)，為增大空間接觸面積，有助于提高高溫腔體散熱效果。高溫隔離座和常溫隔離座相對(duì)連接，圓周夾緊固定金屬膜片，相對(duì)面為半圓弧狀，提供金屬膜片受壓變形后移動(dòng)空間。金屬膜片為彈性元件，在兩個(gè)腔體部件之間起到隔離與分體連接的作用，同時(shí)還有傳遞壓力的功能。高溫腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能小，腔體填充鎵液態(tài)合金用量少，提高儀表的傳壓靈敏度。鎵液態(tài)合金有非常好的耐高溫高負(fù)壓性能，適合傳遞高溫介質(zhì)壓力，但同時(shí)介質(zhì)的高溫也會(huì)隨之傳導(dǎo)，影響常溫腔體填充液的性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，增加了散熱管進(jìn)行梯度降溫，確保傳遞到金屬膜片端的溫度小于150℃以下。此溫度完全低于高溫硅油（優(yōu)選DC704）在高負(fù)壓下耐溫范圍。散熱管的長(zhǎng)度根據(jù)介質(zhì)的高溫?zé)醾鲗?dǎo)的衰減程度而確定，一般長(zhǎng)度為150mm～250mm之間。常溫腔體內(nèi)充灌高溫硅油（優(yōu)選DC704），用于中繼傳導(dǎo)金屬膜片所傳遞高溫腔體部件的介質(zhì)壓力。毛細(xì)管長(zhǎng)度根據(jù)高、低壓側(cè)隔膜法蘭的間距和安裝位置而定。

3.2.2 超高溫遠(yuǎn)傳差壓變送器遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)測(cè)壓原理
超高溫遠(yuǎn)傳差壓變送器遠(yuǎn)傳結(jié)構(gòu)測(cè)壓原理：高溫介質(zhì)分別通過(guò)高、低壓側(cè)的隔膜法蘭和高溫腔體內(nèi)部充灌的鎵基液態(tài)合金傳遞給金屬膜片，金屬膜片受壓變形后，通過(guò)常溫腔體內(nèi)部充灌的硅油傳遞給差壓變送器本體，變送器將差壓值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。雙法蘭差壓變送器的高低壓端遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用上都完全相同，溫度影響量可以達(dá)到平衡狀態(tài)，從而提高了儀表測(cè)量的穩(wěn)定性。



4、現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證
經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的超高溫遠(yuǎn)傳差壓變送器，已在寧夏煤業(yè)煤制油裂化單元減壓塔系統(tǒng)中再次使用，工藝點(diǎn)溫度在300℃～350℃之間，塔內(nèi)工作壓力為1kPa(abs)，液位高度位在1.5mm～2mm之間。投用后，變送器輸出的液位信號(hào)穩(wěn)定，與罐體磁翻板液位保持一致。目前已經(jīng)運(yùn)行一年之久，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)問(wèn)題。由此證明，改進(jìn)后的超高溫遠(yuǎn)傳差壓變送器是可以長(zhǎng)久用在高溫高真空工況下的。

5、總結(jié)
雙法蘭差壓變送器作為液位測(cè)量?jī)x表，在高溫高真空工況下大部分都會(huì)出現(xiàn)失效故障。本文詳細(xì)分析了失效原因：遠(yuǎn)傳部件的填充液選用高溫硅油(DC704)，在高溫負(fù)壓下容易發(fā)生汽化現(xiàn)象，導(dǎo)致儀表測(cè)量故障。改進(jìn)措施：選用耐高溫高負(fù)壓的鎵液態(tài)合金代替高溫硅油作為填充液；遠(yuǎn)傳部件采用雙隔離傳壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配合相應(yīng)的制造工藝。改進(jìn)后的超高溫遠(yuǎn)傳差壓變送器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)踐證明，設(shè)計(jì)方案是可行的，可以在高溫高真空工況場(chǎng)景推廣使用。

作者：郝正宏(從事單晶硅壓力變送器及遠(yuǎn)傳產(chǎn)品的研發(fā)工作)

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