CN103460003B - 用于过程装置的耐腐蚀隔离组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过程装置(10)，所述过程装置具有结合到工业过程的过程密封件(48，52)。过程装置(10)包括具有隔离腔和从隔离腔延伸到压力传感器(16)的隔离通路(32，34)的过程装置主体(14，250)。隔离腔和隔离通路(32，34)填充有隔离流体。隔离膜片(254)被定位成将隔离腔与过程流体隔离开。隔离膜片(254)具有过程流体侧和隔离流体侧。焊接环(200)环绕隔离膜片(254)的过程流体侧的周边定位。焊接环(200)由与隔离膜片相容的第一材料和与过程装置主体(14，250)相容的第二材料形成。焊接件(258)将焊接环(200)固定到过程装置主体(14，250)。

Description

用于过程装置的耐腐蚀隔离组件
技术领域
本发明涉及过程流体压力测量装置。具体地，本发明涉及一种用于过程流体压力测量系统的过程密封件。
背景技术
诸如过程流体压力变送器的过程装置通常使用连接到至少一个隔离膜片的压力传感器感测压力。隔离膜片将压力传感器与正在感测的过程流体隔离开。腐蚀性可能很强的过程流体因此被保持与压力传感器相隔离以避免侵蚀或损坏压力传感器。压力被从隔离膜片传送到压力传感器，所述压力传感器具有响应于施加的压力转移的感测膜片。利用基本上不可压缩的隔离流体沿着以使流体连通的方式将隔离膜片连接到感测膜片的通路将压力从隔离膜片传送到感测膜片。名称为“MODULAR PRESSURETRANSMITTER”的美国专利第4,833,922号和名称为“PRESSURETRANSMITTER WITH STRESS”的美国专利第5,094,109号显示了这种类型的压力变送器。
各种耐腐蚀的高成本金属有时用于隔离膜片。例如，钽是一种非常耐腐蚀的材料，但是与传统用于隔离膜片的其它材料(例如，316L不锈钢、Hastalloy C和蒙乃尔合金)相比具有显著较高的熔点。安装隔离膜片的隔离器壳体通常由不锈钢合金构成，不锈钢合金通常具有比诸如钽的材料低很多的熔点。
对于需要极高耐腐蚀性的应用使用诸如钽的材料会对这种产品的制造造成困难。具体地，由于钽具有基本上比过程装置中使用的其它金属高的熔点，因此诸如焊接的传统制造方法有时无法用于将钽连结到诸如不锈钢的熔点低很多的金属。另外，混合金属焊接不能满足所述应用的NACE(美国国际腐蚀工程师协会)的一些要求。因此，在过程装置使用的耐腐蚀材料与金属中的其余材料之间存在冶金不相容性。在此使用的冶金不相容性表示两种材料实际上不能焊接在一起，或者将会产生无法接受的混合金属焊接。另外，钽或其它适当的高耐蚀金属的成本通常推进使用尽可能少的材料的设计标准。此外，在将钽隔离膜片组装到过程装置中时遇到的制造困难通常表现的形式为较高整体产品成本和更长的产品交付周期。
发明内容
一种过程装置具有用于结合到工业过程的过程密封件。过程装置包括具有隔离腔和从隔离腔延伸到压力传感器的隔离通路的过程装置主体。隔离腔和隔离通路填充有隔离流体。隔离膜片被定位成将隔离腔与过程流体隔离开。隔离膜片具有过程流体侧和隔离流体侧。焊接环环绕隔离膜片的过程流体侧的周边定位。焊接环由与隔离膜片相容的第一材料和与过程装置主体相容的第二材料形成。焊接件将焊接环固定到过程装置主体。
附图说明
图1是过程流体压力变送器的示意图，本发明实施例特别地用于所述过程流体压力变送器；
图2是已知的隔离组件的一部分的横截面图；
图3是根据本发明的一个实施例的紧密焊环的横截面图；
图4是根据本发明的一个实施例的紧密焊环的一部分的横截面图；
图5是根据本发明的一个实施例的制造紧密焊环的方法的流程图；
图6是根据本发明的一个实施例的机械加工紧密焊环的方法的流程图；
图7是根据本发明的一个实施例的隔离器组件的一部分的图解横截面图；
图8是根据本发明的一个实施例的隔离器组件的一部分的图解横截面图；
图9是根据本发明的一个实施例的图8所示的隔离器组件的部分的图解横截面图，其中箔垫圈折叠到垫料压盖(gland)中；
图10是根据本发明的一个实施例的隔离器组件的一部分的图解横截面图；
图11是根据本发明的另一个实施例的隔离器组件的一部分的图解横截面图；以及
图12是图11所示的隔离器组件的一部分的图解横截面图，其中垫料设置在垫料压盖中。
具体实施方式
图1显示示例性的过程流体压力变送器10，本发明的实施例特别的用于该过程流体压力变送器。变送器10包括变送器主体12、连接凸缘或歧管13以及传感器主体14。虽然本发明的实施例将关于共面凸缘进行说明，但是本发明的实施例也可以实际采用任何类型的凸缘、歧管或者接收过程流体的其它连接适配器。
传感器主体14包括压力传感器16，变送器主体12包括变送器电路20。传感器电路18通过通信总线22耦合到变送器电路20。变送器电路20在诸如双线过程控制回路(或电路)的通信线路上发送关于过程流体的压力的信息。变送器10在控制回路上可以被整体供以电力。
在一个实施例中，压力传感器16测量通路24中的压力P1与凸缘13的通路26中的压力P2之间的压力差。压力P1通过通路32被耦合到传感器16。压力P2通过通路34被耦合到传感器16。通路32延伸通过联接器36和管40。通路34延伸通过联接器38和管42。通路32和34填充有诸如油的相对不可压缩的流体。联接器36和38螺纹连接到传感器主体14中，并且在承载传感器电路18的传感器主体的内部与通路24和26中容纳的过程流体之间提供长的火焰淬火路径。
通路24相邻于传感器主体14中的开口28定位。通路26相邻于传感器主体14中的开口30定位。膜片46被定位在开口28中并相邻于通路24连接到传感器主体14。通路32延伸通过联接器36和传感器主体14至膜片46。膜片50相邻于通路26连接到传感器主体14。通路34延伸通过联接器38和传感器主体14至膜片50。
在操作中，当变送器10通过螺栓固定到凸缘13时，凸缘13压靠在密封件48和52上。密封件48相邻于开口24和膜片46位于传感器主体14上，并且可防止过程流体从通路24和开口28经过凸缘13泄漏到外部环境。类似地，密封件52相邻于开口26和膜片50连接到传感器主体14，并且可防止过程流体从通路26和开口30经过凸缘13泄漏到外部环境。密封件48和52根据本发明的实施例构造而成。
图2是根据现有技术的为了高耐腐蚀性构造而成的用于过程流体压力变送器的隔离组件的图解横截面图。代表性地，不锈钢传感器主体100被机械加工成具有容纳实心钽环104的沟槽102。环104接着根据已知的技术钎焊到沟槽102中。钽隔离膜片106设置在实心钽焊接环108与钽环104之间。诸如电子束焊接的非常热的焊接接着用于将钽焊接环108、钽箔106和钎焊钽环104熔化在一起。由于所述焊接以单一类型的材料(例如，钽)来完成，因此可以使用恰当的热定形以获得非常高质量的焊接。最后的组件除了钎焊环104之外类似于标准的隔离组件，并且膜片106和焊接环108由钽构造而成。然而，密封的隔离室110仍然形成有通路112，该通路将会以使流体连通的方式连接到压力传感器。
制造具有极高耐腐蚀性的过程流体隔离系统的现有方法的一个缺点在于需要相当大的量的钽材料且这种材料通常非常昂贵。因此，基于钽的隔离系统的设计的当前状态包括高生产成本、长交付周期以及涉及众多供应商。相信基于钽的组件的成本比标准组件的成本超出多于一个数量级。另外，基于钽的过程流体压力变送器的交货周期为标准设计的交货周期的大约三倍。
美国专利第4,136,603号中提出了一种使用钽提供隔离组件的尝试。该对比文件揭示了由通过沿着接触点的坚固的气密分子键连结的不锈钢外部区域和钽内部形成的环形过渡构件。过渡构件是利用用于连结不同金属的爆炸熔粘制造而成。过渡构件的不锈钢部分接着焊接到不锈钢安装主体，而钽部分焊接到钽膜片。然而，‘603专利的过渡构件并不是没有缺点，而是需要另外的研发来用于提供使用在高度腐蚀环境中的过程密封件，从而可以更好地改进当前的制造技术和获得更好的经济效益。
图3是根据本发明的一个实施例的在高腐蚀性的过程流体环境中使用的焊接环的示意图。焊接环200具有在尺寸上如果不相同则与标准焊接环相似的整体形状。然而，焊接环200由两种不同且冶金不相容的材料形成。第一部分202选择为具有高耐腐蚀性特性。第二部分204由与过程流体压力变送器的传感器主体相容的材料形成。材料202的一个示例为钽，而材料204的一个示例为316L不锈钢。然而，本领域的技术人员将会认识到本发明的实施例可以使用其它材料组合来实现。在钽和不锈钢的情况下，钽具有基本上高于不锈钢的熔点。因此，在所述两种材料上优选地使用爆炸焊接，这是因为使用通常的焊接技术无法将所述两种材料焊接在一起。
爆炸焊接是一种可以在通过已知的方法必然不能焊接的两种金属之间形成粘结的方法。取代现行的熔化材料中的一种或两者，爆炸焊接使两种材料的表面成可塑体。所述材料接着通过爆炸的极限压力形成紧密接触并产生焊接。虽然爆炸焊接在将冶金不相容的材料粘结在一起的能力上是有利的，但是所述方法的特性略微受到限制，并且所述方法通常不能爆炸焊接复杂和/或合成的组分。爆炸焊接组分通常为板或管的形式。然而，焊接环的复杂性和过程流体隔离膜片所需的尺寸精度被认为限制爆炸焊接对焊接环的可能使用和/或产生相当大的废料。
图4是图3所示的区域210的放大部分。更具体地，图4显示本发明的一个优选实施例，其中第一部分202在倾斜的爆炸焊接界面206处遇到第二部分204。部分204优选地由316L不锈钢形成，并且包括尺寸形成为被过程流体压力变送器的不锈钢传感器主体容纳的第一横向侧壁220。侧壁220优选地在圆形直角处遇到底部222。内侧壁224优选地基本上平行于侧壁220，并且有助于收纳或者以其他方式容纳密封件，例如O型环或聚四氟乙烯(PTFE)垫圈。内侧壁224在内拐角228处遇到沟槽基部226。优选地，部分202和204在界面206处相遇，使得界面206包括相对于表面222的钝角230。钝角230的使用使界面206的尺寸实际上大于沟槽基部226与表面222之间的距离。另外，如图4中所示，高耐腐蚀性部分202优选地包括优选地基本上平行于彼此的一对侧壁232、234。
紧密焊环200的形成是有利的，这是因为所述紧密焊环允许非标准应用(例如，涉及诸如钽的高耐腐蚀性的非标准应用)采用基本上标准的制造工艺。如上所述，爆炸焊接可用于将冶金不相容的金属粘结在一起，但是该方法通常受限于非常简单的几何结构。值得注意的是紧密焊环200不是这种简单的几何形状。因此，本发明的一个实施例包括制造紧密焊环的方法。
图5是根据本发明的一个实施例的使用爆炸焊接形成钽包覆层的焊接环的方法的流程图。方法300以步骤302开始，步骤302获得两个薄板材部分。在图5所示的示例中，获得钽薄板和不锈钢的多层。接下来，在步骤304处，两个薄板材部分彼此爆炸熔粘。要注意在该步骤中，几何形状是极其简单的。接下来，在步骤306处，环坯料被切割或者以其他方式由爆炸包覆薄板复合材料形成。在步骤308处，平坦的环坯料形成为截顶锥体部分。接下来，在步骤310处，截顶锥体部分被机械加工成最终的紧密焊环结构。优选地，如图6所示进行环的机械加工。所述机械加工优选地采用卡片-卡盘装置来夹持并定位成形环以用于在加工环中机械加工和精确定位焊接界面。首先，成形环的不锈钢外表面被机械加工成选定尺寸，如方框312处所指示。接下来，将具有内角开口端的端部的表面弄平以提供清洁表面，如方框314所指示。环接着被从卡片-卡盘移除并放置在夹头中，并且环的相对端部的表面也被弄平滑，以在内角的较小端部处以钽制造内部开口，如方框316处指示。最后，环在夹头中反向并机械加工成0.152″的标称长度，如方框318处指示。最终，执行最终的机械加工以制造沟槽并获得最终厚度，如方框320处指示。钽内表面优选地没有被机械加工并在其成形和铸造状态下相对于中心线角度离开60度。卡片-卡盘机械加工的使用不仅可行，而且还显示出这种技术可以被调用到电脑数控车床以自动化制造。
根据本发明实施例的紧密焊环与先前的尝试至少在爆炸焊接过渡结构上不同，即爆炸焊接界面在过渡环中具有成角度的结构来取代圆柱形结构。该方法的意料到的益处是更可重复，并且在最终的环中准确定位和在尺寸上控制爆炸焊接界面。
一旦爆炸焊接过渡环被生成和机械加工成最终尺寸，焊接环就会连接到高耐腐蚀性隔离膜片以形成隔离器接头组件。隔离膜片具有面向过程流体的第一侧面251(图7中所示)和面向隔离流体的第二侧面253。
图7是根据本发明的一个实施例的连接到钽隔离膜片的紧密焊环的一部分的横截面示意图。虽然代表性地，隔离膜片的尺寸形成为完全延伸到横向侧壁220，但是要注意的是这种结构将需要将不锈钢部分204焊接到不锈钢传感器主体250以通过钽箔。由于钽箔具有极高的熔点，因此到不锈钢主体中的焊缝熔深减小。一般认为，通过消耗或者以其他方式吸收达到钽的高熔点所需的能量，钽箔简单地用作对焊接的妨碍。因此，虽然本发明的实施例可以通过具有引起钽隔离膜片基本上延伸到表面220的直径的钽隔离膜片来实现，但是更有利的实施例包括具有减小直径的钽隔离膜片，使得钽隔离膜片不会延伸超过部分202的边缘252。提供缝焊256以将隔离膜片254连结到部分202。附图标记256表示的缝焊要使用已知的电阻滚焊焊缝技术或激光器缝焊技术(例如已知的光纤或YAG方法)来执行。在隔离膜片焊接到部分202的情况下，整个隔离器接头组件接着被焊接到过程流体压力变送器的传感器主体。这使用激光焊或者将不锈钢部分204连结到传感器主体的不锈钢部分的其它适当的焊接来完成。在一个实施例中，激光焊258在基本上平行于表面220的方向上延伸。然而，另一个实施例还可以通过将激光焊以微小角度放置成几乎平行于界面206来实现。该实施例可以帮助确保距离界面206足够的距离并有助于防止混合金属焊接。
到目前为止，本发明的实施例大致聚焦在在腐蚀性很强的过程流体环境中使用的紧密焊环上。如上所述的焊接环关于钽隔离膜片和具有不锈钢部分的紧密焊环大致说明。焊接环用于保持钽隔离膜片并在过程流体压力变送器上提供用于密封垫的压盖。用于密封垫的压盖的表面为用于压盖表面的第一部分202的钽，而压盖表面的其余部分为不锈钢204。一个设计考虑或关心之处是在使用高腐蚀性材料中，一些腐蚀性材料可能会沿着钽/衬垫材料界面前进到将会到达不锈钢的程度。不锈钢因此会由于引导到降解或损坏的密封件的腐蚀性材料而被消耗掉。此外，还存在的可能性是如果机械加工尺寸不能去除所有不锈钢，则将为钽的密封垫压盖的表面可能会具有一些量的不锈钢。这种可能性将使不锈钢更迅速地暴露给腐蚀性材料并会导致在更短的期限内损坏。
根据本发明的另一个实施例，采用垫圈与变送器密封件构成的大致或整个钽/衬垫材料截面，而焊接环仍然保持为组合结构。紧密焊环结构允许减少成本(与实心钽结构相比)并能够更容易的将紧密焊环焊接到不锈钢传感器主体。这通过将额外的钽箔垫圈添加到隔离器接头组件来实现。
图8显示具有焊接402到表面404的添加的钽箔垫圈400的紧密焊环200的横截面。箔垫圈400在垫料压盖上延伸出来。箔400的在压盖上延伸出来的部分可以接着向下形成到压盖中，从而成为将接触密封垫材料的表面。
图9为向下折叠到压盖和覆盖区406中的箔垫圈400(图8所示)的示意图，其中钽部分202沿着侧壁232下降遇到不锈钢部分204。焊接402可以以任何适当的方式来完成。由于箔垫圈400由与部分202相同的材料构造而成或者至少由与部分202冶金不相容的材料构造而成，因此焊接相对简单且可以采用电阻滚焊焊缝或诸如光纤或YAG的激光器缝焊。
图10是具有覆盖在密封压盖表面上的钽箔垫圈420的紧密焊环的示意图。图10显示的实施例与图8和图9显示的实施例略微不同之处在于垫圈420具有更大的直径并基本上延伸到顶部不锈钢部分422的高度。
图11显示另一个实施例，其中钽垫圈430的直径大到足以从焊接件402延伸到覆盖表面422的一部分，使得可以采用第二焊缝或点焊缝424以将钽箔垫圈430固定或以其他方式紧固在适当的位置。要注意的是焊接424在不同的金属之间，但是焊接424仅需要机械紧固垫圈而不必生成广阔的密封。
图12显示图11所示的实施例，其中垫料432放置在压盖中。
本发明的实施例的一个优点在于一旦隔离器接头组件安装到过程流体压力变送器传感器主体，则随后的制造步骤基本上与标准组件相同。因此，减少了交付周期和制造成本。此外，由于所述结构是复合材料且不是整体由钽或一些其它适当的高耐腐蚀性金属制成，因此总体设计的材料成本减少。
虽然已经关于优选实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员将会认识到在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以在形式和细节上做出改变。例如，虽然已经关于钽/不锈钢紧密焊环大致说明了本发明的实施例，但是也可以采用任何两种冶金不相容的材料。

Claims (16)

1.一种具有用于结合到工业过程的过程密封件的过程装置，包括：
过程装置主体，所述过程装置主体具有隔离腔和从所述隔离腔延伸到压力传感器的隔离通路，所述隔离腔和所述隔离通路填充有隔离流体；
隔离膜片，所述隔离膜片被定位成将所述隔离腔与过程流体隔离开，所述隔离膜片具有过程流体侧和隔离流体侧；
焊接环，所述焊接环环绕所述隔离膜片的所述过程流体侧的周边定位，所述焊接环由与所述隔离膜片相容的第一材料和与所述过程装置主体相容的第二材料形成；
箔垫圈，所述箔垫圈具有内径和外径，所述内径连接到所述焊接环的由所述第一材料形成的部分并且定位在所述焊接环的与所述隔离膜片相反的表面上；和
焊接件，所述焊接件将所述焊接环固定到所述过程装置主体。
2.根据权利要求1所述的过程装置，其中，所述焊接环的所述第一材料和所述第二材料通过爆炸焊接界面相连结。
3.根据权利要求2所述的过程装置，其中，所述界面是倾斜界面。
4.根据权利要求1所述的过程装置，其中，所述第一材料为钽。
5.根据权利要求4所述的过程装置，其中，所述第二材料为不锈钢。
6.根据权利要求1所述的过程装置，其中，所述第二材料为不锈钢。
7.根据权利要求2所述的过程装置，其中，所述焊接环的由所述第一材料形成的部分包括一对基本上平行倾斜的侧壁，其中所述一对倾斜侧壁的第一倾斜侧壁被构造成形成垫料压盖的一部分。
8.根据权利要求7所述的过程装置，其中，所述焊接环的由所述第二材料形成的部分包括第一横向侧壁和第二横向侧壁，所述第一横向侧壁被构造成由所述过程装置主体容纳，所述第二横向侧壁基本上平行于所述第一横向侧壁，所述第二横向侧壁还形成所述垫料压盖的一部分。
9.根据权利要求8所述的过程装置，其中，将所述焊接环固定到所述过程装置主体的所述焊接件基本上对准所述第一横向侧壁。
10.根据权利要求7所述的过程装置，其中，将所述焊接环固定到所述过程装置主体的所述焊接件基本上对准所述第一倾斜侧壁。
11.根据权利要求2所述的过程装置，其中所述箔垫圈由所述第一材料形成。
12.根据权利要求7所述的过程装置，其中，所述箔垫圈变形以覆盖垫料压盖的至少一部分。
13.根据权利要求2所述的过程装置，其中，所述箔垫圈覆盖所述爆炸焊接界面。
14.根据权利要求12所述的过程装置，其中，所述外径的尺寸形成为使得所述箔垫圈基本上覆盖所述垫料压盖的所有部分，同时所述箔垫圈变形到所述垫料压盖中。
15.根据权利要求11所述的过程装置，其中，所述箔垫圈连接到所述焊接环的由所述第二材料形成的部分。
16.根据权利要求1所述的过程装置，其中，所述过程装置为过程流体压力变送器。
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