在線可插拔探頭支架的開發設計及應用

陳利軍

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 蘇州研究所，江蘇 蘇州 215128)

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在線可插拔探頭支架的開發設計及應用

陳利軍

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 蘇州研究所，江蘇 蘇州 215128)

針對電極在清洗或更換的時候需要關聯的裝置停車或某段工藝管線停運的弊端，開發了一種在線可插拔探頭支架，在裝置不停運的情況下，可對電極探頭進行清洗和更換。介紹了在線可插拔探頭支架的開發設計內容；重點論述了在線可插拔探頭支架的關鍵技術及相關工藝計算方法。通過可插拔探頭支架的應用表明： 避免了裝置停運帶來的損失，在提高經濟效益的同時，也方便了操作和維護。

可插拔探頭支架電極支架可伸縮支架pH電極保護架取樣探頭

pH計、溶解氧測量儀、電導測量儀等是常用的水質測量儀器，被廣泛應用于石油化工、環保、科研、制藥、發酵、養殖等領域。其基本組成為變送器、電極及相互間的數據傳輸電纜。電極是直接與物料介質接觸的部件，在線使用一定時間后，電極和被測介質的接觸處就形成物料結垢，導致測量數據失真或校正響應變慢，此時需要拆除電極進行清洗或更換。傳統的方式更換電極時，關聯的裝置需要停車或某段工藝管線需要停運，才能對電極進行拆除。筆者詳細論述了一種在線可插拔探頭支架的開發與應用，能很好地解決上述問題。

1　在線可插拔探頭支架特點

在線可插拔探頭支架主要由插桿、電極保護架、密封裝置及切斷閥等組成，如圖1所示。在線可插拔探頭支架具有以下特點：

1) 可在線實時插拔并清洗或更換電極。

2) 可根據工藝管內液位的高度，將電極插入到最合適的位置，并實時調整。

3) 工藝接口方式和尺寸可按現場實際情況定制。

4) 接液部件可按試樣需要定制，如PTFE、鈦材、不銹鋼等。

圖1　在線可插拔探頭支架結構示意

2　在線可插拔探頭支架的開發內容

2.1開發設計目標

根據設計要求和工藝的需要，在線可插拔探頭支架需具備以下幾個方面的關鍵技術：

1) 能在線隨工藝介質的位置調整電極探頭的位置，即實現可插拔的功能。

2) 具備良好的密封功能。

2.2關鍵技術的計算

2.2.1可插拔功能

試樣在線分析時，需要試樣具有足夠的代表性，才能最大限度地減少測量誤差，使得測量數據盡可能接近真實，因而取樣點的選擇尤為重要。可插拔探頭支架的首要功能即在線插拔，將電極送到合適的取樣點。

2.2.1.1管道中的試樣狀態

根據牛頓流體定律可知，在層流和紊流兩種情況下管壁流速都比中心的速度要小。取樣探頭應使取樣點遠離管壁避免管壁效應和低流速區域。如果可能，最好在紊流的工藝流路上取樣。層流的工藝管會出現分層和引入較大的試樣密度的偏差，層流工藝取樣要在充分混合以后或創造一個紊流取樣點。除少數的情況外，管道內的試樣介質是分層流動的，取樣探頭插入深度應在管道內直徑的25%～30%處，或在平均密度分布的地方。

2.2.1.2取樣探頭允許長度的計算

流體流過垂直于流向的圓柱形物體(探頭)時，會在圓柱體后面形成旋渦，如圖2所示。

圖2　旋渦分離現象示意

當流速加快時，旋渦尺寸隨之增大，旋渦范圍延長，最終發生分離。當旋渦的分離周期達到一定程度時，就會產生共振。為了防止共振現象的發生，可按照以下步驟計算探頭的允許長度：

1) 計算探頭的自然頻率fn：

(1)

式中：Fm——實際質量因子，由于流體環繞探頭流動并帶動探頭振動而引起的探頭附加質量常數，對于氣體，Fm=1，對于水和其他液體，Fm=0.9；E——探頭材料的彈性系數，kg/cm2；I——探頭直徑的慣性矩，cm4；g——重力加速度，981cm/s2；L——探頭長度，cm；ρl——探頭單位長度的質量，kg/cm；A——各種振動方式常數，A1=3.52， A2=22.4， A3=61.7， A4=121。

對于樣品工藝管線來說，直徑一般較小，通常采用第1種振動方式常數，即A1=3.52，此時式(1)變為

(2)

探頭外徑d0用mm表示時，得到

(3)

式中： ρ——探頭材料的密度，kg/m3；Vp——探頭體積，mm3；Ap——探頭截面面積，mm2；di——探頭內徑，mm。

(4)

將式(3)，(4)帶入式(2)中，合并化簡得到：

(5)

2) 計算旋渦分離頻率fs。流體流經探頭時的旋渦分離頻率由下式計算：

(6)

式中：St——斯特勞哈爾數，與雷諾數Re和探頭形狀有關，在最惡劣的情況下可取St=0.4，API標準建議取St=0.2；v——流體流經探頭時的速度，m/s;D——探頭在流體流動方向上的寬度，即探頭外徑(D=d0)，mm。

3) 求探頭的允許長度L。使式(5)，式(6)相等，即fn=fs，求解探頭的允許長度，在該長度下可確保由探頭阻礙流體產生的fs不會超出fn，計算公式如下：

(7)

使用下述假定條件：

a) 實際質量因子Fm取0.9，這是最惡劣的情況，即流體為液體。

b) A1=3.52。

c)St取0.4。

則式(7)可簡化為

(8)

式(8)為最終可插拔取樣探頭支架允許長度的計算公式。

2.2.2密封功能

2.2.2.1密封圈的選取

可插拔取樣探頭支架的插拔動作可視作一個往復運動，往復運動的密封通常采用Y形密封圈，其使用壽命比O形圈高。Y形密封圈的特點： 密封性能可靠；摩擦阻力小，運行平穩；穩定性好；密封裝置結構 簡單，價格低廉；安裝方便，無需專用工具。

2.2.2.2Y形密封圈的密封機理

Y形密封圈有1對與密封面接觸的唇邊，無壓力時，有一定的過盈量，當受液體壓力作用時，密封唇張開，分別緊貼在軸面上，并產生“峰值”接觸壓力。當密封面的耦合件以一定速度相對滑移時，在Y形密封圈唇緣和滑移密封面之間將會形成一層密封油膜，達到密封的作用，接觸壓力的大小及變化隨工作介質壓力的變化而異。

2.2.2.3Y形密封圈的主要結構尺寸參數設計

1) 壓縮量。壓縮量是密封圈裝在軸、孔之間的過盈量，是軸、孔面間產生足夠的接觸應力來實現密封。故壓縮量是密封圈最主要的參數，設計壓縮量要考慮的問題如下：

a) 由于密封圈的外力壓縮而產生滑動摩擦阻力，所以壓縮量應盡量設計小些。

b) 因密封圈的壓縮量與永久壓縮變形有關，要求密封圈的永久壓縮變形盡量小。

c) 壓縮量應盡量小，但不能過小，過小后會出現局部壓縮不夠而產生泄漏，過大時會增大摩擦阻力，會產生焦耳熱效應，從而易磨損老化，喪失彈性。

d) 壓縮量的合理設計需要通過試驗驗證和現場的使用實踐，既要保證軸、孔必要的密封性，又要考慮到彈性、冷蠕動性和間隙。

2) 密封唇角設計。唇邊與活塞(插桿)的夾角的大小直接影響著密封唇口與其相應接觸面的接觸面積大小。關于該角度的合理取值，應進行相應的力學分析。

3) 唇口頂角B的設計。當密封圈唇邊厚度a值一定時，密封頂角B取值越大，受壓時唇口密封部位越容易產生較大彈性變形，由此產生的初始密封力也越大，這對低壓密封非常合適；隨著工作壓力的不斷增大，B應適當變小，可提高唇口抗壓能力。B的取值一般在50°～60°。

4) 高度H。密封圈的高度H，按輕型、中型、重型三個系列設計，分別為H輕=2b，H中<2b，H重≤1.4b(b為自由狀態下斷面寬度)。

3　試驗考核

該產品裝入設備中進行水壓試驗，試驗工況見表1所列。

在設備連續試驗2h后，沒有出現泄漏現象，說明密封效果良好。拆卸后，各部件外觀沒有出現較大變形和破壞現象。

表1　實際應用考核指標

4　實際應用

該產品所適用的工作壓力不大于4MPa，工作溫度為-20～120℃，插拔速度為0.05～0.3m/s。近3年來，該在線可插拔探頭支架已經成功應用了近50臺，均運行正常，用戶反饋良好，充分證明了該產品的成熟性。由于操作方便，技術可靠，所以有廣闊的市場前景。

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Development& Design and Application of Online Pluggable Probe Support

Chen Lijun

(TianHua Institute of Chemical Machinery and Automation Co. Ltd.， Suzhou Research Institute， Suzhou， 215128， China)

Abstracts： Aiming at disadvantages of associated installation shutdown or some process pipeline parking when electrode is washed or replaced， one online pluggable probe support is developed to wash or replace probe without installation shutdown. The development and design content of online pluggable probe support are introduced. The key technology and relative process calculation method for pluggable probe support are stressed. The application indicates loss caused by installation shutdown is avoided. It makes maintenance and operation convenient with improving economic benefit at the same time.

pluggable probe support；electrode support；flexible support；pH electrode protection support；sampling probe

陳利軍(1981—)，男，2004年畢業于武漢工程大學過程裝備與控制專業，獲學士學位，現就職于天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 蘇州研究所，主要從事在線分析儀表的成套分析系統工作，任工程師。

TE953

B

1007-7324(2016)04-0057-03

稿件收到日期： 2016-05-10，修改稿收到日期： 2016-06-07。