Основной продукцией собственного производства фирмы Энергосервер являются разделители сред – устройства, призванные защищать средства измерения давления (манометры, датчики, реле давления) от воздействия негативных факторов рабочих сред: коррозионной активности, высокой вязкости и/или температуры, кристаллизации, абразивного воздействия и т.д.
Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, правильный выбор типа, размеров и материалов элементов разделителя сред является непростой технической задачей. Даже многоопытные проектные институты с огромным штатом специалистов зачастую не могут с ней справиться и выдают проекты с заведомо неработоспособным оборудованием. Вот наиболее типичные ошибки:
- Неправильно выбран вытесняемый объем разделителя (диаметр мембраны слишком мал). В результате в условиях низких температур мембрана может упереться в основание разделителя и процесс измерения давления будет прерван. А в условиях высоких температур может произойти разрыв мембраны.
- Неправильно подобрана измерительная жидкость: в результате она может либо замерзнуть внутри комплекта «прибор – разделитель», либо закипеть. И то, и другое приведет к немедленному выходу разделителя из строя.
- Неправильно подобраны материалы мембраны и/или корпуса разделителя. Наиболее частая ошибка – выбор для агрессивных газовых сред (например, хлора) металлических мембран с фторопластовым покрытием. На деле хлор легко диффундирует через слой фторопласта и разрушает мембрану. В таких случаях обязательным является использование танталовых мембран.
- Неправильно подобран тип присоединения к процессу: например, при наличии грязной, высоковязкой и/или кристаллизующейся рабочей среды выбрано штуцерное присоединение (штуцерный разделитель сред). В результате среда «забивает» внутреннюю полость разделителя и/или деформирует мембрану. В подобных случаях необходимо применять так называемые «разделители с внешней мембраной», например фланцевые.
Важно подчеркнуть, что любой из перечисленных случаев приведет к невозможности дальнейшего измерения давления, т.е. утере контроля над технологическим процессом и возникновению аварийной ситуации. Учитывая объемы производств современных химических предприятий, подобное развитие событий чревато гигантскими материальными и человеческими потерями.
Таким образом, только правильное понимание конструктивных особенностей и принципов работы разделителей сред позволит корректно подобрать его тип и параметры и избежать аварийных ситуаций.
Типовой разделитель сред состоит из трех частей:
- корпуса, непосредственно контактирующего с рабочей средой (нижняя часть);
- тонкостенной мембраны или сильфона в качестве разделительного элемента;
- крышки с резьбой для крепления прибора (верхняя часть).
Принцип действия разделителя очень прост: рабочая среда под давлением воздействует на мембрану, которая прогибаясь, передает давление нейтральной среде, заключенной между чувствительным элементом прибора и мембраной. В результате прибор меряет (и показывает) давление нейтральной среды.
В каких случаях необходимо применение разделителей сред? Во всех, если существует угроза повреждения измерительного прибора или его чувствительного элемента. Применение разделителей сред абсолютно необходимо, если в рабочей среде присутствует хотя бы один из следующих негативных факторов:
- коррозионная активность (кислоты, щелочи и т.д.);
- высокая вязкость или возможность кристаллизации;
- высокая загрязненность или липкость;
- экстремальная (высокая или низкая) температура;
- наличие твердых включений (абразивность).
Итак, принцип действия разделителя сред основан на передаче давления мембраной от рабочей среды к нейтральной. При этом мембрана прогибается (деформируется), что является причиной метрологической (основной) погрешности, вносимой разделителем сред в процесс измерения. Этот эффект легко понять из рисунка: давление Рпр, которое измеряет прибор, меньше реального давления процесса Рвх на величину dP, обусловленную сопротивлением жесткой мембраны:
Рпр= Рвх – dP
Нейтральная среда – это жидкость, заключенная между чувствительным элементом прибора и мембраной. Под действием высокотемпературного процесса и окружающего воздуха она меняет свою температуру и объем, что приводит к деформации мембраны и, как следствие, к возникновению дополнительной – температурной погрешности разделителя сред (см. рис.).
Важные выводы:
- любая деформация разделительного элемента (мембраны, сильфона) приводит к возникновению погрешности измерений;
- погрешность (и температурная и основная) тем больше, чем больше жесткость разделительного элемента.
Таким образом, при одинаковом диаметре максимальной погрешностью обладают разделители сред с жесткой металлической мембраной, однако они наиболее надежны. Разделители сред с мягкими резиновыми мембранами или фторопластовыми сильфонами имеют минимальную погрешность, но не столь долговечны.
Важные выводы:
- разделители сред с резиновой мембраной имеют минимальную погрешность;
- чем больше диаметр мембраны, тем меньше погрешность разделителя сред;
- чем больше диаметр мембраны, тем дороже разделитель сред.
Важные выводы:
- чем больше объем нейтральной жидкости, тем больше должен быть диаметр мембраны (типоразмер разделителя сред);
- чем шире рабочий диапазон температур, тем больше должен быть диаметр мембраны (типоразмер разделителя);
- vчем длиннее (и толще) капилляр, связывающий прибор и разделитель сред, тем больше должен быть диаметр мембраны (типоразмер разделителя).
Погрешность, вносимая разделителем сред, имеет абсолютную величину давления и измеряется в Па, атм, барах и т.д. Но на практике гораздо более популярна относительная величина, т.е. погрешность, отнесенная к диапазону измерений прибора и выраженная в процентах:
A=100% * dP / Рmax, где:
А – относительная погрешность в %;
dP – абсолютная погрешность;
Рmax – диапазон измерений прибора.
Таким образом, при одной и той же абсолютной величине погрешности разделителя относительная погрешность будет выше в случае применения прибора с меньшим диапазоном измерений (см. рис.). Это значит, что в этом случае придется применить разделитель сред увеличенного типоразмера с мембраной большего диаметра.
Важные выводы:
- чем меньше диапазон измерений прибора, тем больше будет относительная погрешность разделителя при прочих равных условиях;
- чем меньше диапазон измерений прибора, тем больше должен быть диаметр мембраны (типоразмер разделителя сред).
Большое влияние на метрологические характеристики разделителя сред оказывает тщательность заполнения прибора и разделителя нейтральной жидкостью. Как было показано выше, чем больше деформируется мембрана, тем больше погрешность передачи давления разделителем. В случае наличия остаточных воздушных включений мембране приходится прогибаться дополнительно для компенсации сжатия воздушных пузырьков (см. рис.):
Х=(dV + Vв)/S, где:
X – ход мембраны;
dV – объем, необходимый для работы сенсора прибора;
Vв – объем воздушных включений;
S–площадь мембраны.
Перейти к сервису выбора разделителей сред
Важные выводы:
- заполнение прибора и разделителя сред нейтральной жидкостью крайне желательно делать с помощью вакуумного оборудования для минимизации остаточных воздушных включений;
- это правило особенно актуально в случае применения жестких металлических мембран.
Кроме выбора типоразмера разделителя (диаметра мембраны), крайне важно правильно выбрать тип присоединения разделителя к процессу (штуцерный, фланцевый, встраиваемый и т.д.). Этот выбор зависит от требуемых присоединительных размеров, а также условий эксплуатации (рабочей среды).
Штуцерный разделитель сред (см. Рис.) наиболее распространен благодаря простому резьбовому присоединению к процессу. Резьба может быть выполнена по различным стандартам как внутреннего, так и наружного исполнения. Наиболее распространенные варианты: в России (СНГ) - М20*1,5; в Европе – G1/2” (дюймовая цилиндрическая резьба); на Американском континенте – 1/2” NPT (дюймовая коническая резьба, не требующая уплотнительных шайб).
Для газообразных рабочих сред рекомендуется использовать разделители с металлической мембраной, исключающей возможность диффузии рабочей среды в полость прибора.
Цельносварные разделители сред с металлической мембраной типа BW- являются самым дешевым вариантом защиты измерительного прибора от воздействия проблемных сред: себестоимость и, соответственно, цена такого устройства минимальны. Такие разделители не имеют внутри уплотнений (резиновых или фторопластовых), они абсолютно незаменимы при измерении давления высокотемпературных (Т> 200 оС) рабочих сред.
К сожалению, наличие застойных зон внутри корпуса штуцерного разделителя и узкий (диаметром 4…8 мм) внутренний канал делают проблематичным использование устройства для измерения сильно загрязненных, сильновязких и/или липких рабочих сред. В этом случае рекомендуется применять разделители со специальным промывочным отверстием в корпусе: при застывании рабочей среды или засорении внутренней полости разделителя всегда имеется возможность ее прочистить, не демонтируя и не разбирая разделитель сред (см. Рис). Очистка происходит под воздействием давления рабочей среды.
В особо тяжелых случаях лучше использовать фланцевые разделители с внешней мембраной (см. Рис.), не имеющие застойных зон. В соответствии с названием они имеют фланцевое присоединение к процессу, которое может быть выполнено различного диаметра, класса давления и по различным стандартам. Наиболее распространенные варианты: в России (СНГ) – ГОСТ 12815-80; в Европе – DIN 2501; на Американском континенте – ANSI 16.5.
Ввиду большей металлоемкости фланцевые разделители сред в основном дороже штуцерных, а также существенно сложнее в монтаже по месту эксплуатации.
Фланцевые разделители всегда устанавливаются в тупиковые магистрали, поэтому, несмотря на большие присоединительные размеры (номинальный диаметр до DN150), засорение магистрали и/или застывание рабочей среды возможно и в этом случае. Для эффективной очистки мембраны разделителя между ним и ответным фланцем устанавливается промывочное кольцо (см. Рис) с одним или двумя промывочными отверстиями. Такая конструкция позволяет не только очищать мембрану под воздействием давления рабочей среды, но и с помощью специального моющего раствора, который подается под давлением в одно из промывочных отверстий и сливается в другое.
В особо сложных случаях, при необходимости измерения давления высоковязких, застывающих, кристаллизующихся и/или липких рабочих сред непосредственно в трубопроводе, рекомендуется использовать т.н. встраиваемые разделители, монтируемые между стандартными фланцами трубопровода (см. Рис.). Разделительный элемент устройства выполнен в виде кольцевой (трубчатой) мембраны с диаметром, равным диаметру основного трубопровода, что исключает образование застойных зон. Частицы высоковязкой среды, в обычных условиях налипающие на разделительный элемент, в данном случае уносятся основным потоком и не препятствуют процессу измерения давления.
Важные выводы:
- штуцерные разделители сред имеют минимальную металлоемкость и стоимость, но обычно не применяются для работы на высоковязких, сильно грязных, кристаллизующихся рабочих средах;
- фланцевые разделители гораздо менее подвержены засорению, но из-за высокой металлоемкости существенно дороже штуцерных;
- встраиваемые разделители сред вообще не подвержены засорению, но имеют максимальную стоимость;
- для высоких температур (Т> 200 оС) могут применяться только штуцерные и фланцевые разделители сред цельносварной конструкции (без уплотнений).
Перейти к сервису выбора разделителей сред
Важнейшей функцией разделителя является защита измерительного прибора от воздействия коррозионно-активных рабочих сред. Поэтому очень важен правильный выбор материалов деталей, контактирующих с рабочей средой: мембраны и корпуса разделителя сред, а в случае разборной конструкции – и материала уплотнения. К сожалению, в природе не существует материалов, абсолютно стойких к любым коррозионно-активным средам. Поэтому для деталей, контактирующих с рабочей средой, мы предлагаем на выбор несколько вариантов:
- нержавеющие стали различного состава;
- нержавеющие стали с покрытием фторопластом, нитридом титана и золотом;
- специальные никелевые сплавы (монель, хастеллой);
- металлы: титан и тантал.
Нержавеющие стали – наиболее популярная и недорогая группа материалов для разделителей сред. Нами применяются следующие виды сталей (отсортированы по коррозионной стойкости от менее к более стойким):
- общепромышленные нержавеющие стали (аналог ss304);
- молибденсодержащие нержавеющие стали (аналог ss316);
- низкоуглеродистые нержавеющие стали (аналог ss316L);
- специальные стали для серной кислоты (с высоким содержанием хрома и никеля);
- специальные стали карбамидного класса (низкоуглеродистые с высоким содержанием хрома и никеля).
Покрытие металлических мембран и корпусов разделителей сред различными материалами – это один из экономичных способов повысить коррозионную стойкость деталей, контактирующих с рабочей средой. Мы изготавливаем мембраны и корпуса со следующими покрытиями:
- фторопластом – благодаря высокой химической стойкости фторопластов этот способ весьма эффективен; однако он неприменим для газообразных рабочих сред, т.к. они имеют свойство диффундировать сквозь защитный слой;
- нитридом титана –мембрана с таким покрытием имеет очень высокую стойкость к истиранию и применяется для работы с абразивными средами, содержащими твердые включения (пульпа);
- золотом – такое покрытие применяется только в одном случае: для работы разделителя в среде водорода.
Второй важной функцией разделителя сред является защита измерительного прибора от воздействия экстремальной (высокой или низкой) температуры. Сам по себе разделитель не слишком эффективен в такой защите, но в сочетании с капиллярной линией или охладителем степень защищенности прибора возрастает многократно. При расчетах необходимой длины капилляра исходят из простого правила: для снижения температуры на входе в прибор на 100 С необходим 1 метр капилляра, т.е. если температура рабочей среды (процесса) +300 С, а максимальная рабочая температура прибора +100 С, то для его защиты необходим капилляр длиной минимум 2 метра.
Еще один эффективный способ защиты – применение специального устройства (охладителя). По сути это удлинённый до 120 мм переходник с оребренной поверхностью, позволяющей рассеивать тепловую энергию рабочей среды в окружающее пространство (см. рис.). При температуре окружающего воздуха +20 С охладитель позволяет снизить температуру примерно вдвое: если температура процесса +200 С, то на выходе из охладителя (на входе в прибор) она будет не выше +100 С.
Важные выводы:
- применение капилляра и охладителя позволяет эффективно защитить измерительный прибор от воздействия экстремальных температур;
- каждый метр капилляра позволяет снизить температуру как минимум на 100 С;
- применение охладителя сред позволяет снизить температуру на входе в прибор в два раза.
Ранее было указано, что для передачи давления от разделителя к прибору используется нейтральная жидкость. Что это может быть? И какие ошибки возможны при выборе такой жидкости?
Самая главная задача – обеспечить соответствие рабочего диапазона температур жидкости и разделителя сред (процесса). В противном случае возможно застывание (при низких температурах), кипение или разложение (при высоких температурах) нейтральной жидкости, что приведет к выходу из строя всего комплекта «прибор + разделитель».
Далее, крайне важна химическая совместимость жидкости и рабочей среды, т.к. в случае повреждения или разрыва мембраны произойдет их смешение. Например:
- для сильных окислителей (кислород, хлор, перекись водорода и т.д.) нельзя использовать жидкости на основе углеводородов (масла, керосин), а также спирты;
- обычно используемые силиконовые масла и глицерин взрывоопасны в контакте с хлором и не должны использоваться для измерения его давления;
- в разделителях для пищевой промышленности обычно используется глицерин, растительное масло или специальные растворы.
Для комплектов, включающих в себя капилляры, важным фактором является выбор вязкости нейтральной жидкости. Длинный и тонкий капилляр обладает большим гидравлическим сопротивлением, поэтому для вязких жидкостей переходные процессы (передача давления) могут растянуться на десятки минут, что неприемлемо. Кроме того, с понижением температуры вязкость увеличивается, что накладывает дополнительные ограничения при эксплуатации комплектов например, в условиях крайнего севера.
В своей работе мы используем в основном маловязкие силиконы трех видов:
- стандартный с рабочим диапазоном температур от -40 до +200 С (обозначение «s»);
- низкотемпературный с рабочим диапазоном от -90 до +180 С (обозначение «l»);
- высокотемпературный с рабочим диапазоном от -20 до +400 С(обозначение «t»).
Важные выводы:
- рабочий диапазон температур нейтральной жидкости должен соответствовать диапазону температур процесса и окружающей среды;
- необходимо обеспечить химическую совместимость жидкости и рабочей среды;
- вязкость нейтральной жидкости должна обеспечивать приемлемое время переходного процесса во всем рабочем диапазоне температур.
Итак, для правильного выбора разделителя сред и нейтральной жидкости, необходимо учитывать следующие факторы:
- коррозионную активность рабочей среды (процесса);
- другие негативные свойства среды, наличие твердых включений и/или пульсаций давления;
- рабочий диапазон температур процесса и окружающей среды;
- тип измерительного прибора и диапазон его измерений;
- желательный способ присоединения к процессу: штуцерный, фланцевый, тубусный, встраиваемый, гигиенический и т.д.
Все это доказывает, что при выборе разделителя сред нужно учесть массу факторов и обойти много «подводных камней», что под силу только опытному специалисту. Именно по этой причине во всем мире до сих пор не существовало каких-либо автоматизированных систем по выбору разделителей сред, поскольку считалось (и небезосновательно!), что это под силу только человеку. Однако, опираясь на почти 20-летний опыт работы, мы попробовали решить эту задачу и предоставили на нашем корпоративном сайте единственный в мире(!) сервис по автоматизированному выбору разделителей сред.