CN106197823B - 针对高压应用的管道内过程流体压力变送器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种管道内过程流体压力变送器。该变送器包括被配置为与过程流体源耦合的过程流体连接器。插头与过程流体连接器耦合并且具有被配置为向插头的远端传送流体的通道。压力传感器子套件在焊缝处与插头耦合。压力传感器子套件具有与通道的远端可操作地耦合的压力传感器，使得压力传感器对过程流体压力做出反应。插头包括环绕焊缝的侧壁。变送器电子装置与压力传感器耦合，并被配置为测量压力传感器的电特性和基于所测量的电特性来提供过程流体压力值。

Description

针对高压应用的管道内过程流体压力变送器
背景技术
工业过程流体压力变送器被用于测量工业过程流体的压力，例如化学、纸浆、汽油、制药、食品和/或其他流体处理工厂中的浆料、液体、蒸汽或气体。经常在过程流体附近或者在现场应用中放置工业过程流体压力变送器。这些现场应用经常经受恶劣和变动的环境条件，这对这种变送器的设计者提出了挑战。
许多过程流体压力变送器中的感测单元经常是基于电容的或基于电阻的传感器。隔离膜片一般用于分离过程流体与电有源感测单元，由此防止有时可能粗糙的、腐蚀性的、不洁的、受污染的或具有极高温度的过程流体与压力变送器的电组件交互。
过程流体一般对隔离膜片产生作用，生成隔离膜片的偏转，该偏转移动或以其他方式使得膜片后面的填充流体发生位移，这生成了压力传感器的感测膜片的关联移动。压力传感器具有电特性，例如随施加的压力变化的电容或电阻。使用过程流体压力变送器内的测量电路来测量该电特性，以提供与过程流体压力相关的输出信号。还可以根据已知的工业标准通信协议对输出信号进行格式化，并将输出信号通过过程通信环路向其它现场设备或控制器发送。
管道内(inline)过程流体压力变送器一般具有能够与过程流体压力源耦合并提供对过程流体压力的指示的单个过程流体压力入口。该指示可以相对于大气(例如表指示(gage indication))，或相对于真空(例如绝对压力测量)。经受高最大工作压力(MWP)的管道内压力变送器提出了特定的设计挑战。仅仅提供能够经受最大工作压力的单个应用的结构可能不够鲁棒以在反复地移动到并超出最大工作压力的情况下避免疲劳。因此，对于日益增长的高压市场，例如海底油气井，还需要提供适用于在这种环境中扩展使用的管道内过程流体压力变送器。
发明内容
提供了管道内过程流体压力变送器。该变送器包括被配置为与过程流体源耦合的过程流体连接器。插头与过程流体连接器耦合并具有被配置为向插头的远端传送流体的通道。压力传感器子套件在焊缝处与所述插头耦合。压力传感器子套件具有与通道的远端可操作耦合的压力传感器，使得压力传感器对过程流体压力做出反应。插头包括环绕所述焊缝的侧壁。变送器电子器件与所述压力传感器耦合，并被配置为测量压力传感器的电特性并基于所测量的电特性来提供过程流体压力值。
附图说明
图1是本发明的实施例尤其适用的管道内过程流体压力变送器的概略透视图。
图2是本发明的实施例尤其适用的管道内过程压力变送器100的概略图。
图3是市售的高压管道内压力传感器套件的概略图。
图4是根据本发明的实施例的高压管道内压力传感器子套件的概略图。
图5是根据本发明的另一个实施例的高压管道内压力传感器子套件的概略图。
图6是根据本发明的另一个实施例的高压管道内压力传感器子套件的概略图。
图7是根据本发明的另一个实施例应用于压力传感器子套件的附加支撑环的概略图。
具体实施方式
图1是本发明的实施例尤其适用的管道内过程流体压力变送器的概略透视图。压力变送器100包括过程流体连接器102，过程流体连接器102被配置为与过程流体源104耦合。在连接器102处引入的过程流体向隔离膜片挤压，隔离膜片将过程流体压力传送给在传感器主体106内布置的压力传感器。压力传感器(图2中概略示出)具有电特性(例如电容或电阻)，电特性由电子装置外壳108中的测量电路来测量并由控制器使用合适的计算方式来变换为过程流体压力。过程流体压力可以经由通过导管110耦合的电线110在过程通信环路上传送，和/或经由显示器112本地显示。此外，在一些实现中，可以无线传送过程流体压力。
图2是本发明的实施例尤其适用的管道内过程压力变送器100的概略图。压力变送器100包括与传感器主体106耦合的电子装置外壳108。在电子装置外壳108内布置变送器电子装置，并且变送器电子装置包括通信电路114、电源电路118、控制器122、显示器112和测量电路124。
通信电路114在电子装置外壳108内布置，并且可以经由导体116与过程通信环路耦合。凭借与过程通信环路116耦合，通信电路114允许管道内过程压力变送器100根据工业标准过程通信协议来进行通信。此外，在一些实施例中，变送器100可以经由其与过程通信环路的耦合来接收操作所必需的所有电功率。相应地，压力变送器100包括电源模块118，在一些实施例中，如在被标记为“通往所有”的附图标记120处指示的，电源模块118与过程通信环路耦合，以便向变送器100的所有组件提供合适的操作功率。合适的过程通信协议的示例包括：高速可寻址远程换能器(
Figure BDA0000748846300000031
)协议、FOUNDATIONTM现场总线协议及其他过程通信协议。此外，本发明的实施例包括无线过程通信，例如根据IEC 62591(无线HART)的无线过程通信。
控制器122与通信电路114以及测量电路124耦合，并被配置为使测量电路124提供来自压力传感器126的数字指示或测量。对该数字指示进行处理或者以其他方式操作，以便生成控制器122经由通信电路114向其它合适的设备传送的过程压力值。在一些实施例中，控制器122可以是微处理器。本地显示器(例如显示器112)还可以显示过程流体压力或其他合适的量。
本发明的方案一般包括对压力传感器仓设计的结构修改，其可以被用于增加管道内类型压力变送器的最大工作压力(MWP)。在一些实施例中，MWP可以通过使用相对廉价和可容易工作的316L不锈钢以及激光焊接套件而增长到大约20,000PSI。本文所提供的各种实施例一般关注于增加在高压疲劳负载下的压力变送器的使用寿命。
在焊缝的根部的应力集中是在设置传感器套件的最大工作压力中的常见限制因素。这些应力集中通常限制设计的疲劳寿命，即便套件针对最大工作压力的单一压力应用可以具有大于2.5的安全因子。此外，对压力传感器套件设计的其他约束增加了满足疲劳寿命要求的挑战。为了增加强度而增加的壁厚也增加了大小，并且在装配期间较厚的壁一般更难于焊接在一起。焊接的套件一般需要防止加压流体的损失。然而，在焊接过程期间焊接一般需要热输入，其必须被最小化以避免损坏传感器。该热输入一般限制焊接的大小和强度。
压力传感器子套件的构建材料可能是限制因素。该材料优选的是廉价的、抗腐蚀的并且易于焊接的。300系列不锈钢是满足这些要求的常见选择。然而，这种廉价材料(300系列不锈钢)的代价是它们的强度。300系列不锈钢与类似的廉价的碳钢相比具有低得多的强度，并且300系列不锈钢与更强的、抗腐蚀的镍基合金相比(例如C-276和镍铬铁合金625)更廉价。合金C-276可以从印第安纳州，科科莫的海恩斯国际公司获得，商品名为哈氏合金(Hastelloy)C276；铬镍铁合金625可以从纽约，新哈特福德的特种金属家族公司获得。合金C276具有以下化学组成(按照重量％)：钼15.0～17.0、铬14.5～16.5、铁4.0～7.0、钨3.0～4.5、钴最大2.5、锰最大1.0、钒最大0.35、碳最大0.01、磷最大0.04、硫最大0.03、硅最大0.08以及其余的镍。在同一套件中使用不同的构造材料可以允许在成本和强度之间进行优化。然而，这种不同的材料会引入其他挑战，例如如何将不同材料相接合。
图3是市售的高压管道内压力传感器套件的概略图。在所示的示例中，传感器套件通常可用于大约10,000PSI MWP。在传感器套件150中，向过程连接器102施加压力152。该压力向隔离膜片154挤压，并且通过隔离插头156通信，以便在压力传感器子套件158处应用。在所示的示例中，隔离插头156是圆柱形的，具有大约1.125英寸的直径。压力传感器子套件158一般在隔离插头156内的凹陷中驻留，并且包括压力传感器159，压力传感器159对于过程流体压力的应用变形或以其他方式加以反应，并且压力传感器子套件158包括具有响应于物理反应而改变的电特性的电结构。在一个示例中，压力传感器是基于电容的压力传感器。在所示的示例中，压力传感器子套件158具有大约0.6英寸的直径。然而，本发明的实施例适用于任意合适的压力传感器。压力传感器子套件158在焊缝160处与隔离插头156焊接。附加地，子套件158还与焊接环162焊接，但是从焊接环162接收相对较少的支撑。即使该设计对满足较高压力的单个应用来说足够强，其也可能不足以经受针对较高MWP的大的疲劳要求。据信设计的限制方面在于焊缝160的根部处的应力集中(凹角曲线(re-entrantcurve))。在压力高于10,000PSI的重复的压力循环期间，焊缝160对于防止在应力集中处形成大的应变来说可能不够强，由此缩短了疲劳寿命。整个传感器套件主要由抗腐蚀、易于焊接和相对廉价的316L不锈钢制成。
本发明的实施例一般通过修改隔离插头与传感器子套件的耦合来增加管道内压力变送器的疲劳寿命。本文描述的实施例包括对在高压力传感器套件中焊缝周围的应力集中问题进行处理的不同设计。这些设计通常关注于通过以下方式来增加高压传感器套件的疲劳寿命的方法：通过增加应力集中周围的套件的强度来降低应力集中内的应力，和/或通过增加套件中的平均应力来降低交替应变(其导致疲劳故障)。
对于无限的疲劳寿命，压力传感器套件的主体中的应力需要保持远低于制成套件的材料的弹性限制。在压力传感器套件的一些区域中，在设备的最大工作压力的单个应用期间，峰值应力可能超过材料的弹性限制，并且可能甚至超过材料的抗张强度。如果应力集中周围的区域可以防止应力集中中的材料被拉伸到裂缝形成的点(意味着应力集中的区域中的应力保持在故障应变以下)，则将不会发生故障。对于设备的从0到MWP的压力的多个循环(疲劳载荷)，类似的理论适用。如果在应力集中周围的材料防止在应力集中中的交替应变超过临界值，则即便应力集中中的峰值应力在压力的单个应用期间超过弹性限制，也可以达到疲劳负载下的期望寿命。这被称为疲劳设计的本地应变模型。
图4是根据本发明实施例的与隔离插头耦合的压力传感器子套件的概略图。图4中所示的传感器子套件180使用与图3中所示的套件不同的隔离插头和焊缝。图4中没有示出隔离膜片，然而示出了从隔离膜片向远端部分183传送填充流体的填充流体通道181。为了清楚，图4～7中没有指示过程连接器和隔离膜片。尽管一般参照隔离膜片的使用和从隔离膜片向压力传感器传送过程流体压力的填充流体来描述本发明，实施例也适用于任意高压感测布置。因此，在一些实施例中，可以直接向压力传感器子套件传送高压过程流体。压力传感器子套件182与隔离插头190耦合，使得远端部分183接近压力传感器185。
尽管图4中所示的设计在耦合传感器子套件和隔离插头的焊缝183的根部184处具有应力集中，它具有环绕焊缝187的更厚的壁186。焊缝187的根部处的应力可以超过316L不锈钢的抗屈强度，然而环绕应力集中的厚壁186可以保持应变相对低。套件180的另一个重要特征是隔离插头190的相对高的壁188。该高壁188延伸到传感器子套件182以上，并且当加压时帮助防止传感器子套件182弯曲。此外，高壁188还帮助防止焊缝187的根部184处的后续弯折应力。此外，被加工到焊缝根部184处的隔离插头中的压力释放修改弯折几何形状，使得焊缝的较大部分经历压缩应变，其对于疲劳寿命是有利的。据信图4中所示的本发明的实施例可以用于在高达15,000PSI的最大工作压力的压力应用。尽管图4中所示的设计在将传感器子套件182与隔离插头190加以接合的焊缝187的根部184处仍然具有显著的应力集中，隔离插头190的更厚的壁186环绕焊缝187。此外，在附图标记188处概略示出的壁186延伸到传感器子套件182之上，结合焊缝的根部184处的应力释放，创建了对该设计的可接受的疲劳寿命的充分支持。以下提供了相对于该设计的讨论结果。图4中所示的设计的一种具体优点在于：它可以使用当前在市售产品中使用的同一传感器子套件。然而，如以下所阐述的，包括对传感器子套件自身的改变在内的实施例可以实现更高的最大工作压力。
图5是根据本发明的另一个实施例的与隔离插头耦合的传感器子套件的概略图。套件200包括在焊缝206处与隔离插头204焊接的传感器子套件202。同样，图5中未示出过程连接器。图5中所示的套件包括与图4中所示的设计相比具有减小的直径的传感器子套件202。直径的减小(从例如0.6英寸到0.5英寸)降低了压力负载面积。附加地，在图5中所示的实施例中，在传感器子套件202的外径周围收缩装配(shrink fit)隔离插头204。通过生成隔离插头204和传感器子套件202之间的热差来实现该收缩装配。在一个示例中，这可以通过将隔离插头204加热到充分高的温度来实现，以便可以将传感器子套件202插入隔离插头204中的膛208中(在比隔离插头204更低的温度的同时)。在另一个示例中，这可以通过冷却传感器子套件202来实现。在又一个示例中，可以加热隔离插头204，同时冷却传感器子套件202。压力传感器子套件202和隔离插头204之间的余隙是基于它们的热膨胀系数和温差由膨胀的隔离插头204和/或收缩的传感器子套件202引起的。当压力传感器子套件202和隔离插头204温度相等时，产生较大的箍应力(hoop stress)，箍应力将隔离插头204压缩在传感器子套件202周围。在一些实施例中，还可以例如通过简单地将传感器子套件202按压装配到隔离插头204中，而不加热隔离插头204来实现收缩装配。任意一种装配方法可以在隔离插头204和传感器子套件202之间创建大的压缩力。本发明的实施例还包括对隔离插头204加热的应用，以及使用压力来将传感器子套件202啮合到加热的隔离插头204中。
隔离插头204和压力传感器子套件202之间的压缩力具有多种目的。压缩力通过使区域受压，来减小将隔离插头和传感器子套件加以接合的焊缝的根部处的应力集中。附加地，压缩对玻璃密封(例如对通向传感器子套件的电连接加以密封的玻璃密封210)施加附加的压缩，由此实现更高的最大工作压力。最终，压缩力导致了整个套件中的较高平均应变和较低交替应变。较低的交替应变导致了疲劳负载期间的较长寿命，然而平均应变不足够高以导致它们不可接受地降低套件的破裂压力。
对图3～5中所示的各种套件执行压力疲劳测试。针对15,000PSI最大工作压力，使用0～18,000PSI的循环压力来执行初始测试。对于图3中所示的设计(市售设计)，直到故障为止的平均循环数是10,000。对于图4所示的设计，循环压力的同一应用在该设计故障之前的平均循环是40,000。最后，参照图5中的设计，在同一循环压力的100,000循环处没有出现故障。当压力从0～24,000PSI循环时，图5中所示的设计额外幸存了100,000循环，由此表明设计将可能满足高达20,000PSI MWP。
至此，本发明的实施例一般使用的是由相同材料形成的各种组件。这种材料的示例包括300系列不锈钢、双相不锈钢、和超奥式体不锈钢。然而，可以想到的是：可以适应材料中的一些变化，并且仍允许压力传感器子套件和隔离插头之间的有效的焊接。例如，可以由300系列不锈钢形成一个组件(压力传感器子套件)并且可以用依然与第一组件可焊接(still weldable)的不同材料来形成另一个组件(隔离插头)。这种组合的示例包括：300系列不锈钢/22％Cr双相不锈钢、300系列不锈钢/25％Cr双相不锈钢、300系列不锈钢/超奥氏体不锈钢。这些材料具有良好的抗腐蚀性，并且可以易于焊接在一起。然而，当与碳钢或沉淀硬化钢(例如17-4PH不锈钢)相比时，316L不锈钢强度相对低。当使用这种较高强度的材料时，与316不锈钢子套件组件焊接是主要的挑战。对于将不泄漏的套件来说，需要焊接。
图6是根据本发明的另一个实施例的高压传感器子套件的概略图。高压传感器子套件220使用较高强度的合金，以便提高套件的疲劳寿命。图6示出了包括在焊缝226处与隔离插头224焊接的传感器子套件222在内的子套件220。除传感器子套件222包括延伸超出焊缝226以外的凸缘230之外，传感器子套件222与传感器子套件202类似。此外，在附加有由高强度合金(例如沉淀硬化不锈钢)形成的支撑环228的情况下，高压传感器子套件220与套件200(图5中所示)不同。在隔离插头224的壁223周围应用环228。在一个实施例中，在隔离插头224上按压装配支撑环228，以便在隔离插头224和传感器子套件222内产生径向压缩，而保持支撑环228中的拉伸箍应力。在按压装配期间，支撑环228被轴向地压到隔离插头224上，直至支撑环228接触传感器子套件222的凸缘230。在接触时，进一步按压支撑环228，由此在隔离插头224和传感器子套件222上产生轴向压缩。当释放按压的力时，利用支撑环228和隔离插头224的壁223之间的摩擦力来保持轴向压缩。该轴向压缩释放了通过来自径向压缩的泊松比值引入的一些轴向张力，并使用外部压缩源来移除势能(potential)以减轻在焊接过程中的压缩力。
图7是根据本发明的另一个实施例应用于传感器子套件/隔离插头的附加支撑环的概略图。套件250包括在焊缝256处与隔离插头254焊接的压力传感器子套件252。在焊缝256的区域中在隔离插头254周围应用由高强度的合金(例如沉淀硬化不锈钢)形成的支撑环258。相应地，套件250的设计除了它不在传感器子套件252的顶部上提供轴向压缩之外与图6中所示的类似。
尽管已经参照优选实施例描述了本发明，本领域技术人员将认识到：可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节方面进行改变。

Claims (16)

1.一种管道内过程流体压力变送器，包括：
过程流体连接器，被配置为与过程流体源耦合；
插头，与所述过程流体连接器耦合，所述插头具有被配置为向所述插头的远端传送流体的通道；
压力传感器子套件，在焊缝处与所述插头耦合，所述压力传感器子套件具有压力传感器，所述压力传感器与所述通道的远端可操作耦合，使得所述压力传感器对过程流体压力做出反应；
其中，所述插头收缩装配到所述压力传感器子套件的外径周围，使得所述插头包括环绕所述焊缝并被配置为向所述焊缝施加径向压缩力的侧壁；以及
变送器电子装置，与所述压力传感器耦合，并被配置为测量所述压力传感器的电特性并基于所测量的电特性来提供过程流体压力值。
2.根据权利要求1所述的管道内过程流体压力变送器，其中，所述插头是具有隔离膜片的隔离插头，所述隔离膜片被布置为接触所述过程流体并响应于过程流体压力而偏转，并且所述隔离插头具有在所述通道中布置的填充流体。
3.根据权利要求1所述的管道内过程流体压力变送器，其中，所述侧壁被配置为通过施加径向压缩力来降低所述焊缝处的应力集中。
4.根据权利要求1所述的管道内过程流体压力变送器，其中，所述侧壁沿轴向延伸超过所述压力传感器子套件。
5.根据权利要求1所述的管道内过程流体压力变送器，其中，所述压力传感器子套件具有0.5英寸的直径。
6.根据权利要求1所述的管道内过程流体压力变送器，其中，所述插头和所述压力传感器子套件是由相同材料形成的。
7.根据权利要求6所述的管道内过程流体压力变送器，其中，所述材料是从由300系列不锈钢、双相不锈钢和超奥氏体不锈钢所组成的组中选择的。
8.根据权利要求1所述的管道内过程流体压力变送器，其中，所述压力传感器子套件和所述插头之一是由300系列不锈钢形成的，而另一个是由双相不锈钢形成的。
9.根据权利要求1所述的管道内过程流体压力变送器，其中，所述压力传感器子套件和所述插头之一是由300系列不锈钢形成的，而另一个是由超奥氏体不锈钢形成的。
10.一种制造管道内过程流体压力变送器的方法，所述方法包括：
提供压力传感器子套件，所述压力传感器子套件中具有压力传感器；
提供隔离插头，所述隔离插头中具有定义膛的侧壁；
将所述压力传感器子套件插入所述膛中，使得所述侧壁延伸超过所述压力传感器子套件，以及使得所述隔离插头收缩装配在子套件的外径周围且所述隔离插头的侧壁环绕焊缝并向所述焊缝施加径向压缩力；以及
将所述压力传感器子套件与所述隔离插头焊接。
11.一种制造管道内过程流体压力变送器的方法，所述方法包括：
提供压力传感器子套件，所述压力传感器子套件中具有压力传感器；
提供隔离插头，所述隔离插头中具有定义膛的侧壁；以及
将所述压力传感器子套件在焊缝处与所述隔离插头耦合，使得所述隔离插头收缩装配到所述压力传感器子套件的外径周围，并使得所述侧壁对所述焊缝施加径向压缩力。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述压力传感器子套件与所述隔离插头耦合包括：相对于所述压力传感器子套件，对所述侧壁加热。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述压力传感器子套件与所述隔离插头耦合包括：将所述压力传感器子套件压入所述膛中。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述压力传感器子套件与所述隔离插头耦合包括：生成所述压力传感器子套件和所述隔离插头之间的热差。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，生成热差包括：冷却所述压力传感器子套件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，生成热差包括：在将所述压力传感器子套件插入所述膛之前加热隔离插头。
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