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高压型磁翻板液位计捆绑磁致伸缩组合式液位计研究

日期：2020-03-25 来源：作者：

摘要:依托中石油集采项目为背景，开发了一种公称压力26MPa、实验压力35MPa、介质密度为0.7g/cm3的高压型磁翻板液位计，同时捆绑磁致伸缩液位变送器，实现了就地指示与信号远传的组合式测量。采用理论计算与有限元仿真分析相结合的方法，确定了薄壁浮子的笼状分节的内部支撑结构，这种结构的优点是不易倾斜，十字交叉，环环相扣，十分牢固，容易安装，可以根据压力和密度自由组合，以同时满足高压力和低密度的要求，克服了以高压磁浮子为核心的技术难题。并且依据标准确定了主体结构，包括主体管的外径、壁厚、排污结构和排气结构及法兰规格和法兰密封面结构，还重点探讨了排气口的密封结构及密封垫圈的选择。另外还通过有限元仿真的方法对扇形磁钢周围磁场分布情况进行了分析，以此设计符合磁致伸缩液位计捆绑后所需要的磁场强度，保证两者可以进行充分的耦合，可以产生磁致伸缩要求的回波强度，进而确定磁钢结构和外形尺寸。zui终加工了样机，通过了压力测试和耦合性能测试。

引言

公司为了成功入围中石油高压磁翻板液位计产品集采供应商，对高压磁翻板液位计产品立项进行了开发。首先，解决了高压磁浮子的耐高压技术难题［1］，推导总结出了一套科学的磁浮子设计计算公式;其次，对磁浮子磁钢通过有限元分析仿真的方法进行了优化设计，使磁钢周围磁场分布更加均匀，在不增加磁钢重量的前提下，提高了浮子的外围磁场强度;然后，又对主体结构进行了耐高压设计，汇总了各零部件相关的计算公式，并且设计了排气口的密封结构;zui后制作了样机，成功通过了各项测试实验。

1浮子设计

磁翻板液位计靠浮子随液位的移动来测量液位的高度，浮子是高压磁翻板液位计的核心部件，决定了整台仪表的性能。浮子主要由薄壁圆筒、半球封头、支撑和磁钢组件四部分组成，如图1所示，浮子的这几个部分共同决定了整个浮子的性能，要分别进行研究。设计时要根据给出的订货参数，压力、密度、温度、磁场分布强度以及介质度腐蚀性等方面进行浮子的设计。本文浮子设计要求满足公称压力26MPa，浮子比重0.7g/cm3，设计温度150℃，为了满足行业内的通用性需求，浮子长度小于350mm，浮子外径应不大于50mm。

1.1薄壁圆筒设计

薄壁圆管在外力作用下，常因刚度不足使管发生变形，即被压扁或折曲成波形，这就是薄壁管的失稳现象。薄壁管失稳时的外压力称为该临界压力PCr，其横截面被折曲成波纹弧形，波数n可能是2，3，4，5……等任意整数，如图2所示。

薄壁管的临界压力PCr的大小主要决定于薄壁管的的几何尺寸(长度L、外径D、厚度S)及所用材料的性质(泊松比μ、杨氏弹性模量E)的影响，壳体椭圆度与材料的不均匀性，能使临界压力PCr的数值降低。外压薄壁管根据管的长短，可分为长圆管、短圆管和刚性圆管三种。一般长圆管、短圆管之间的划分用临界长度LCr表示，如容器长度L＞LCr为长圆管，L＜LCr为短圆管［6］。临界长度由下式确定［7］:

长圆管:失稳时波数为n=2，临界压力仅与S/D有关，与L/D无关，计算式为:

短圆管:失稳时波数为n＞2，如为3、4、5……，其波数n可近似地为:

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根据标准选择公称尺寸，原来产品选择的是DN50的标准，及主体管外径为60mm，难以实现高压突破，在此基础上考虑到提高压力必然要增加支撑重量，同时要实现低密度必须增大浮子体积，所以要增大浮子外径，初步选择为DN65，主体管外径为73mm，这样即使由于压力增大会使壁厚增大，也可以满足浮子增大外径的需求。可以初步确定浮子薄壁圆管圆管的规格:外径D=50mm，壁厚为S=1，材料选用低密度高强的TC4钛合金，考虑焊接工艺，将失穏压力视为设计压力，即PCr=35MPa，代入式(5)得，L=35mm。这说明支撑间距至少要35mm。

1.2封头设计

因为封头是磁翻板液位计运输装配工作过程，浮子zui容易损坏的部位，为了确保具有足够的强度，特考虑提高封头的耐压能力，令式(5)中的L等于D，并且等号右侧除以2，即为薄壁圆球封头的失穏变形公式。在这里我们取其壁厚为1.2mm。

1.3支撑设计

由于单独压入支撑环，安装困难，受压时容易发生倾斜造成支撑失效，浮子被破坏，所以往往做得比较厚。考虑到这些因素，文章将支撑设计为笼状结构，如图3所示，将支撑环的外周用线切割加工出许多狭缝，在支撑环之间增加卡条作为筋，卡在支撑环上，并且在每个结合点进行焊接，这样就形成了多个支撑环固定在一起的笼状结构。这种结构，并不会增加质量，因为采用这种结构可以将支撑环和筋做得很薄，大约在(0.5～0.6)mm，质量不但没有增加，反而增加了支撑面积，提高了浮子整体耐压能力。

浮子内加入支撑后的浮子应力分析如图4所示。如图4中，(a)、(b)、(c)、(d)为浮子受外部压力35MPa时，内部产生应力分别大于682.734MPa、560.824MPa、438.913MPa、341.384MPa，由图形可以看出，内部产生应力大于682.734MPa的点很少，大部分集中在438.913MPa。与TC4的屈服极限为1050MPa相比还有很大的安全余量。图5是实物照片。

1.4磁钢设计

根据浮子实际内径设计磁钢尺寸，文章采用八块扇形磁钢组合在一起的结构，通过Ansys有限元软件，采用单元ElementPlan53对永磁体进行仿真分析，如图6所示。在距离磁钢外22mm的场强为1300高斯，满足磁致伸缩对磁场强度大约(1000～1500)高斯的磁场要求。

2 主体设计

2. 1 主体管设计

主体管在一定意义上可以当作压力容器来看待。可以近似归属于厚壁容器处理，所谓厚壁与薄壁并不是按容器厚度的大小来划分，而是一种相对概念，通常根据容器外径 DO 与内径 D1 的比值 K 来判断，K＞1. 2 为厚壁容器，K≤1. 2 为薄壁容器。工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。外径/内径＞1. 1 的圆筒形容器，通常在高温、高压下工作。厚壁圆筒的应力特点:

(1)径向应力相对较大，不能忽略，即三向应力状态;

(2)轴向应力和环向应力沿壁厚出现应力梯度，不能视为均匀分布;

(3)在高温下工作时，热应力沿壁厚出现应力梯度。

厚壁圆筒应力分析方法:属超静定问题，应该从平衡、几何、物理等三个方面列方程求解。

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