在线可插拔探头支架的开发设计及应用

陈利军

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 苏州研究所，江苏 苏州 215128)



在线可插拔探头支架的开发设计及应用

陈利军

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 苏州研究所，江苏 苏州 215128)

针对电极在清洗或更换的时候需要关联的装置停车或某段工艺管线停运的弊端，开发了一种在线可插拔探头支架，在装置不停运的情况下，可对电极探头进行清洗和更换。介绍了在线可插拔探头支架的开发设计内容；重点论述了在线可插拔探头支架的关键技术及相关工艺计算方法。通过可插拔探头支架的应用表明： 避免了装置停运带来的损失，在提高经济效益的同时，也方便了操作和维护。

可插拔探头支架电极支架可伸缩支架pH电极保护架取样探头

pH计、溶解氧测量仪、电导测量仪等是常用的水质测量仪器，被广泛应用于石油化工、环保、科研、制药、发酵、养殖等领域。其基本组成为变送器、电极及相互间的数据传输电缆。电极是直接与物料介质接触的部件，在线使用一定时间后，电极和被测介质的接触处就形成物料结垢，导致测量数据失真或校正响应变慢，此时需要拆除电极进行清洗或更换。传统的方式更换电极时，关联的装置需要停车或某段工艺管线需要停运，才能对电极进行拆除。笔者详细论述了一种在线可插拔探头支架的开发与应用，能很好地解决上述问题。

1　在线可插拔探头支架特点

在线可插拔探头支架主要由插杆、电极保护架、密封装置及切断阀等组成，如图1所示。在线可插拔探头支架具有以下特点：

1) 可在线实时插拔并清洗或更换电极。

2) 可根据工艺管内液位的高度，将电极插入到最合适的位置，并实时调整。

3) 工艺接口方式和尺寸可按现场实际情况定制。

4) 接液部件可按试样需要定制，如PTFE、钛材、不锈钢等。

图1　在线可插拔探头支架结构示意

2　在线可插拔探头支架的开发内容

2.1开发设计目标

根据设计要求和工艺的需要，在线可插拔探头支架需具备以下几个方面的关键技术：

1) 能在线随工艺介质的位置调整电极探头的位置，即实现可插拔的功能。

2) 具备良好的密封功能。

2.2关键技术的计算

2.2.1可插拔功能

试样在线分析时，需要试样具有足够的代表性，才能最大限度地减少测量误差，使得测量数据尽可能接近真实，因而取样点的选择尤为重要。可插拔探头支架的首要功能即在线插拔，将电极送到合适的取样点。

2.2.1.1管道中的试样状态

根据牛顿流体定律可知，在层流和紊流两种情况下管壁流速都比中心的速度要小。取样探头应使取样点远离管壁避免管壁效应和低流速区域。如果可能，最好在紊流的工艺流路上取样。层流的工艺管会出现分层和引入较大的试样密度的偏差，层流工艺取样要在充分混合以后或创造一个紊流取样点。除少数的情况外，管道内的试样介质是分层流动的，取样探头插入深度应在管道内直径的25%～30%处，或在平均密度分布的地方。

2.2.1.2取样探头允许长度的计算

流体流过垂直于流向的圆柱形物体(探头)时，会在圆柱体后面形成旋涡，如图2所示。

图2　旋涡分离现象示意

当流速加快时，旋涡尺寸随之增大，旋涡范围延长，最终发生分离。当旋涡的分离周期达到一定程度时，就会产生共振。为了防止共振现象的发生，可按照以下步骤计算探头的允许长度：

1) 计算探头的自然频率fn：

(1)

式中：Fm——实际质量因子，由于流体环绕探头流动并带动探头振动而引起的探头附加质量常数，对于气体，Fm=1，对于水和其他液体，Fm=0.9；E——探头材料的弹性系数，kg/cm2；I——探头直径的惯性矩，cm4；g——重力加速度，981cm/s2；L——探头长度，cm；ρl——探头单位长度的质量，kg/cm；A——各种振动方式常数，A1=3.52， A2=22.4， A3=61.7， A4=121。

对于样品工艺管线来说，直径一般较小，通常采用第1种振动方式常数，即A1=3.52，此时式(1)变为

(2)

探头外径d0用mm表示时，得到

(3)

式中： ρ——探头材料的密度，kg/m3；Vp——探头体积，mm3；Ap——探头截面面积，mm2；di——探头内径，mm。

(4)

将式(3)，(4)带入式(2)中，合并化简得到：

(5)

2) 计算旋涡分离频率fs。流体流经探头时的旋涡分离频率由下式计算：

(6)

式中：St——斯特劳哈尔数，与雷诺数Re和探头形状有关，在最恶劣的情况下可取St=0.4，API标准建议取St=0.2；v——流体流经探头时的速度，m/s;D——探头在流体流动方向上的宽度，即探头外径(D=d0)，mm。

3) 求探头的允许长度L。使式(5)，式(6)相等，即fn=fs，求解探头的允许长度，在该长度下可确保由探头阻碍流体产生的fs不会超出fn，计算公式如下：

(7)

使用下述假定条件：

a) 实际质量因子Fm取0.9，这是最恶劣的情况，即流体为液体。

b) A1=3.52。

c)St取0.4。

则式(7)可简化为

(8)

式(8)为最终可插拔取样探头支架允许长度的计算公式。

2.2.2密封功能

2.2.2.1密封圈的选取

可插拔取样探头支架的插拔动作可视作一个往复运动，往复运动的密封通常采用Y形密封圈，其使用寿命比O形圈高。Y形密封圈的特点： 密封性能可靠；摩擦阻力小，运行平稳；稳定性好；密封装置结构 简单，价格低廉；安装方便，无需专用工具。

2.2.2.2Y形密封圈的密封机理

Y形密封圈有1对与密封面接触的唇边，无压力时，有一定的过盈量，当受液体压力作用时，密封唇张开，分别紧贴在轴面上，并产生“峰值”接触压力。当密封面的耦合件以一定速度相对滑移时，在Y形密封圈唇缘和滑移密封面之间将会形成一层密封油膜，达到密封的作用，接触压力的大小及变化随工作介质压力的变化而异。

2.2.2.3Y形密封圈的主要结构尺寸参数设计

1) 压缩量。压缩量是密封圈装在轴、孔之间的过盈量，是轴、孔面间产生足够的接触应力来实现密封。故压缩量是密封圈最主要的参数，设计压缩量要考虑的问题如下：

a) 由于密封圈的外力压缩而产生滑动摩擦阻力，所以压缩量应尽量设计小些。

b) 因密封圈的压缩量与永久压缩变形有关，要求密封圈的永久压缩变形尽量小。

c) 压缩量应尽量小，但不能过小，过小后会出现局部压缩不够而产生泄漏，过大时会增大摩擦阻力，会产生焦耳热效应，从而易磨损老化，丧失弹性。

d) 压缩量的合理设计需要通过试验验证和现场的使用实践，既要保证轴、孔必要的密封性，又要考虑到弹性、冷蠕动性和间隙。

2) 密封唇角设计。唇边与活塞(插杆)的夹角的大小直接影响着密封唇口与其相应接触面的接触面积大小。关于该角度的合理取值，应进行相应的力学分析。

3) 唇口顶角B的设计。当密封圈唇边厚度a值一定时，密封顶角B取值越大，受压时唇口密封部位越容易产生较大弹性变形，由此产生的初始密封力也越大，这对低压密封非常合适；随着工作压力的不断增大，B应适当变小，可提高唇口抗压能力。B的取值一般在50°～60°。

4) 高度H。密封圈的高度H，按轻型、中型、重型三个系列设计，分别为H轻=2b，H中<2b，H重≤1.4b(b为自由状态下断面宽度)。

3　试验考核

该产品装入设备中进行水压试验，试验工况见表1所列。

在设备连续试验2h后，没有出现泄漏现象，说明密封效果良好。拆卸后，各部件外观没有出现较大变形和破坏现象。

表1　实际应用考核指标

4　实际应用

该产品所适用的工作压力不大于4MPa，工作温度为-20～120℃，插拔速度为0.05～0.3m/s。近3年来，该在线可插拔探头支架已经成功应用了近50台，均运行正常，用户反馈良好，充分证明了该产品的成熟性。由于操作方便，技术可靠，所以有广阔的市场前景。

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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

陈利军(1981—)，男，2004年毕业于武汉工程大学过程装备与控制专业，获学士学位，现就职于天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 苏州研究所，主要从事在线分析仪表的成套分析系统工作，任工程师。

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。