膜片壓力表關鍵部件膜片的有限元分析
石油化工行業的流體介質大多是強酸、強堿、高溫、腐蝕性強等特性;此類介質的壓力測 量是不能直接用壓力儀表進行測量的;而是采用膜片式壓力表間接測量的方式，但是目前的膜片式壓 力表仍存在測量誤差大，膜片損壞頻率高的問題。通過利用三維CAD建模和FEMAP有限元分析技術 對膜片式壓力表的膜片進行分析，為膜片的優化設計提供了研究方法和理論依據;并提出了一種延長 膜片壽命的阻尼式引壓方式，經現場使用證明可以延長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、食品等工業部門中常常 遇到強腐蝕、高溫、高黏度、易凝固、有固體浮游物的惡劣介質，此類 惡劣介質的壓力測量是不能直接用壓力儀表進行測量的。為使通用 型壓力表能適用于測量此類介質的壓力而同時又避免介質直接進 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系統的膜片壓力儀表，如圖1所示。 介質壓力P作用于膜片上，膜片把壓力傳遞給工作液既而實現壓 力表顯示壓力。但目前的膜片壓力表在測量惡劣介質時常出現如 下問題：(1)系統啟動時流體脈動引起壓力表波動很大，甚至使壓力表損壞（如正常工作表壓在0.4MPa，但1.6MPa的壓力表也常損 壞)。⑵膜片由于介質脈動作用產生疲勞，加之腐蝕作用，膜片很快 失去彈性，甚至破損失效。通過三維CAD和FEMAP有限元技術對 膜片受壓進行分析，為研宄膜片提供一種方法;同時也提出了一種 延長膜片壽命的阻尼式引壓方式，經現場使用證明了可靠性。
2.創建有限元分析模型
Femap能夠直接從三維CAD中讀入幾何模型或者利用 Femap自身建模功能創建幾何模型，但Femap自身建模沒有成 熟三維CAD那么方便。利用UG建模功能，創建了膜片模型。如 圖2、圖3所示。
板式膜片規格為準60x80.2，如圖2所示。準60x 80.2波紋片(膜片中心分為準10和準15平板)，如圖3所示。創建 好幾何模型后，后續還要創建材料數據、創建單元屬性、生成網 格、施加載荷、施加約束、模型檢查、執行求解、后處理等過程來對 模型進行求解、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
采用控制變量法進行研宄，僅分板式和波紋式膜片兩種； 另外分兩組進行分析：（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，先實行第一組試驗，對圖2和圖3模 片施加0.1MPa的壓力，Femap采用Nastran求解器進行求解，結 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；同時波紋膜片中心平板直徑越小，位移
也越大。設測量膜片為均勻圓形金屬薄板，其面密度恒定，且為均
勻受力，那么對于其受壓而產生彈性變形時的形變d可根據彈性
力學知識用極坐標法建立其微分方程[2-3]如式中:d—形變；一以膜片圓心的半徑;Q—極坐標中的角度；一
泊松系數;￡: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r=0(圓心)時，變形最大；當r二R時, 變形為0。從圖4可以看出，無論板式或波紋膜片’中心位移(形 變)最大;說明理論和有限元分析是完全吻合的。但若根據彈性力 學可得，位移(形變)越大，則應力越大，可是實際上，仿真結果發 現應力最大點不在膜片的中心位置(r=0)，如圖5所示。實際上中 心位置的變形是整個膜片變形的一個疊加，故最大應力點不在中 心點；同時可以看出，波紋式的最大應力要比板式的小很多;所以 工業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，則應力也越大。根據此分析，可以設計中間薄，向邊界遞 增加厚的膜片來提高其性能。
第二組試驗是壓力和溫度（100D的耦合，如圖6所示。溫 度對膜片的性能產生的影響是巨大的，最大形變幾乎是單純壓力 作用下近十倍，應力也超出了屈服應力;證實了溫度是影響膜片性能和測量精度的重要因素％在工業中，高溫膜片的應用也是一 個待解決的問題。
4 .一種延長膜片壓力表壽命的方法
關于膜片壓力表的研宄已經取得了很多理論成果，但是 在測量惡劣介質時，膜片壓力表很容易失效，多則半年，少則1個 月；為了延長膜片的壽命，提出了一種阻尼式引壓方式來對膜片 進行保護，流程圖，如圖7所示。在測量時，由于孔板的阻尼作用， 可以有效衰減介質的脈動效應，更好的保護膜片；同時對于易凝 固介質，可以通過排污沖洗閥門進行沖洗排污。經現場使用檢驗， 可以使膜片壓力表的壽命延長至兩年以上。
5.結束語
經過Femap有限元分析，可以得出：
（1）關于板式或波紋膜片的彈性形變，有限元分析結果和彈 性力學計算結果吻合較好。
（2）同等參數條件下，波紋膜片的形變要大于板式膜片，但 應力卻要小很多。即波紋膜片有更好的力學性能。
（3）對于中心為板式(光滑)邊緣為波紋的膜片，板式直徑越 小，相應應力也小。從而證明了劉人懷的當板式半徑較小，則非線性 效應較小，且與全波紋膜片的振動周期曲線相差也較小的結論。
（4）驗證了溫度是影響膜片性能和測量精度的重要因素之一。
（5）為膜片的研宄提供了研宄方法，同時阻尼式引壓方式也 大大延長了膜片壓力儀表的使用壽命。
但多場耦合的膜片工況分析仍然是一個有待深入研宄的課
題。
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