膜片壓力表關(guān)鍵部件膜片的有限元分析
石油化工行業(yè)的流體介質(zhì)大多是強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫、腐蝕性強(qiáng)等特性;此類(lèi)介質(zhì)的壓力測(cè) 量是不能直接用壓力儀表進(jìn)行測(cè)量的;而是采用膜片式壓力表間接測(cè)量的方式，但是目前的膜片式壓 力表仍存在測(cè)量誤差大，膜片損壞頻率高的問(wèn)題。通過(guò)利用三維CAD建模和FEMAP有限元分析技術(shù) 對(duì)膜片式壓力表的膜片進(jìn)行分析，為膜片的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了研究方法和理論依據(jù);并提出了一種延長(zhǎng) 膜片壽命的阻尼式引壓方式，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用證明可以延長(zhǎng)膜片壓力表的使用壽命。
1.引言
在石油化工、制堿、化纖、染化、制藥、食品等工業(yè)部門(mén)中常常 遇到強(qiáng)腐蝕、高溫、高黏度、易凝固、有固體浮游物的惡劣介質(zhì)，此類(lèi) 惡劣介質(zhì)的壓力測(cè)量是不能直接用壓力儀表進(jìn)行測(cè)量的。為使通用 型壓力表能適用于測(cè)量此類(lèi)介質(zhì)的壓力而同時(shí)又避免介質(zhì)直接進(jìn) 入壓力儀表，防止沉淀物積聚和腐蝕儀表，就必須采用由膜片隔離 器與通用型壓力儀表組成一個(gè)系統(tǒng)的膜片壓力儀表，如圖1所示。 介質(zhì)壓力P作用于膜片上，膜片把壓力傳遞給工作液既而實(shí)現(xiàn)壓 力表顯示壓力。但目前的膜片壓力表在測(cè)量惡劣介質(zhì)時(shí)常出現(xiàn)如 下問(wèn)題：(1)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)流體脈動(dòng)引起壓力表波動(dòng)很大，甚至使壓力表?yè)p壞（如正常工作表壓在0.4MPa，但1.6MPa的壓力表也常損 壞)。⑵膜片由于介質(zhì)脈動(dòng)作用產(chǎn)生疲勞，加之腐蝕作用，膜片很快 失去彈性，甚至破損失效。通過(guò)三維CAD和FEMAP有限元技術(shù)對(duì) 膜片受壓進(jìn)行分析，為研宄膜片提供一種方法;同時(shí)也提出了一種 延長(zhǎng)膜片壽命的阻尼式引壓方式，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用證明了可靠性。
2.創(chuàng)建有限元分析模型
Femap能夠直接從三維CAD中讀入幾何模型或者利用 Femap自身建模功能創(chuàng)建幾何模型，但Femap自身建模沒(méi)有成 熟三維CAD那么方便。利用UG建模功能，創(chuàng)建了膜片模型。如 圖2、圖3所示。
板式膜片規(guī)格為準(zhǔn)60x80.2，如圖2所示。準(zhǔn)60x 80.2波紋片(膜片中心分為準(zhǔn)10和準(zhǔn)15平板)，如圖3所示。創(chuàng)建 好幾何模型后，后續(xù)還要?jiǎng)?chuàng)建材料數(shù)據(jù)、創(chuàng)建單元屬性、生成網(wǎng) 格、施加載荷、施加約束、模型檢查、執(zhí)行求解、后處理等過(guò)程來(lái)對(duì) 模型進(jìn)行求解、分析。
3.有限元分析
3.1分析條件
有限元分析W的條件包括模型的材料及其屬性、載荷、邊界條 件等。模型的材料、材料屬性和施加載荷情況，如表1?表3所示。 表1模型材料
采用控制變量法進(jìn)行研宄，僅分板式和波紋式膜片兩種； 另外分兩組進(jìn)行分析：（1)施加壓力作用；(2)壓力和溫度的偶合 作用。
3.2處理分析
在同等條件的情況下，先實(shí)行第一組試驗(yàn)，對(duì)圖2和圖3模 片施加0.1MPa的壓力，F(xiàn)emap采用Nastran求解器進(jìn)行求解，結(jié) 果，如圖4、圖5所示。
從圖中看出，板式膜片的位移(形變)較小;波紋膜片的位移
在同等條件下位移較大；同時(shí)波紋膜片中心平板直徑越小，位移
也越大。設(shè)測(cè)量膜片為均勻圓形金屬薄板，其面密度恒定，且為均
勻受力，那么對(duì)于其受壓而產(chǎn)生彈性變形時(shí)的形變d可根據(jù)彈性
力學(xué)知識(shí)用極坐標(biāo)法建立其微分方程[2-3]如式中:d—形變；一以膜片圓心的半徑;Q—極坐標(biāo)中的角度；一
泊松系數(shù);￡:一拉、壓彈性模量；一圓形膜片所受載荷；一
圓形膜片的厚度;R—膜片半徑。解式⑴微分方程得：
從式⑵中可以看出，當(dāng)r=0(圓心)時(shí)，變形最大；當(dāng)r二R時(shí), 變形為0。從圖4可以看出，無(wú)論板式或波紋膜片’中心位移(形 變)最大;說(shuō)明理論和有限元分析是完全吻合的。但若根據(jù)彈性力 學(xué)可得，位移(形變)越大，則應(yīng)力越大，可是實(shí)際上，仿真結(jié)果發(fā) 現(xiàn)應(yīng)力最大點(diǎn)不在膜片的中心位置(r=0)，如圖5所示。實(shí)際上中 心位置的變形是整個(gè)膜片變形的一個(gè)疊加，故最大應(yīng)力點(diǎn)不在中 心點(diǎn)；同時(shí)可以看出，波紋式的最大應(yīng)力要比板式的小很多;所以 工業(yè)中多采用波紋膜片式;值得提出的是，波紋膜片中心平板直 徑越大，則應(yīng)力也越大。根據(jù)此分析，可以設(shè)計(jì)中間薄，向邊界遞 增加厚的膜片來(lái)提高其性能。
第二組試驗(yàn)是壓力和溫度（100D的耦合，如圖6所示。溫 度對(duì)膜片的性能產(chǎn)生的影響是巨大的，最大形變幾乎是單純壓力 作用下近十倍，應(yīng)力也超出了屈服應(yīng)力;證實(shí)了溫度是影響膜片性能和測(cè)量精度的重要因素％在工業(yè)中，高溫膜片的應(yīng)用也是一 個(gè)待解決的問(wèn)題。
4 .一種延長(zhǎng)膜片壓力表壽命的方法
關(guān)于膜片壓力表的研宄已經(jīng)取得了很多理論成果，但是 在測(cè)量惡劣介質(zhì)時(shí)，膜片壓力表很容易失效，多則半年，少則1個(gè) 月；為了延長(zhǎng)膜片的壽命，提出了一種阻尼式引壓方式來(lái)對(duì)膜片 進(jìn)行保護(hù)，流程圖，如圖7所示。在測(cè)量時(shí)，由于孔板的阻尼作用， 可以有效衰減介質(zhì)的脈動(dòng)效應(yīng)，更好的保護(hù)膜片；同時(shí)對(duì)于易凝 固介質(zhì)，可以通過(guò)排污沖洗閥門(mén)進(jìn)行沖洗排污。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用檢驗(yàn)， 可以使膜片壓力表的壽命延長(zhǎng)至兩年以上。
5.結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)Femap有限元分析，可以得出：
（1）關(guān)于板式或波紋膜片的彈性形變，有限元分析結(jié)果和彈 性力學(xué)計(jì)算結(jié)果吻合較好。
（2）同等參數(shù)條件下，波紋膜片的形變要大于板式膜片，但 應(yīng)力卻要小很多。即波紋膜片有更好的力學(xué)性能。
（3）對(duì)于中心為板式(光滑)邊緣為波紋的膜片，板式直徑越 小，相應(yīng)應(yīng)力也小。從而證明了劉人懷的當(dāng)板式半徑較小，則非線性 效應(yīng)較小，且與全波紋膜片的振動(dòng)周期曲線相差也較小的結(jié)論。
（4）驗(yàn)證了溫度是影響膜片性能和測(cè)量精度的重要因素之一。
（5）為膜片的研宄提供了研宄方法，同時(shí)阻尼式引壓方式也 大大延長(zhǎng)了膜片壓力儀表的使用壽命。
但多場(chǎng)耦合的膜片工況分析仍然是一個(gè)有待深入研宄的課
題。
