DE2849138C2

DE2849138C2 - Membrananordnung zur Verwendung bei stark korrodierenden Verfahrensströmungsmitteln

Info

Publication number: DE2849138C2
Application number: DE2849138A
Authority: DE
Inventors: Nicholas E. Norwood Mass. Doyle jun.
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1977-11-14
Filing date: 1978-11-13
Publication date: 1984-05-24
Also published as: US4136603A; GB2008459B; JPS596374B2; FR2408901A1; CA1094342A; FR2408901B1; DE2849138A1; GB2008459A; IT1106929B; JPS54109888A; IT7851878A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Membrananordnung zur Verwendung bei stark korrodierenden Verfahrensströmungsmitteln mit einem eine Kammer-Vertiefung und eine diese umgebende Ringnut aufweisenden, nicht korrosionsbeständigen Tragkörper aus Metall, mit einer Membran aus einem im wesentlichen korrosionsbeständigen, mit dem Metall des Tragkörpers metallurgisch nicht verträglichen Metall und mit einem Zwischenstück mit einem ersten Metallteil, der mit dem Tragkörper vereinbar bzw. verträglich und mit ihm durch Schmelzschweißung verbunden ist.

Bei industriellen Instrumentenanlagcn werden seit langem Metall-Meinbrananordnungen beispielsweise als Primärelement zur Messung oder als Trennmembran in flüssigkeitsgefüllten Anlagen verwendet, bei denen der anliegende Druck äußerst genau auf ein anderes druckempfindliches Element übertragen werden soll.

Unabhängig vom jeweiligen Verwendungszweck der Membranvorrichtung ist es für die gesamten Leistungseigenschaften der Vorrichtung wesentlich, daß zwischen der Membran und ihrem Tragkörper eine luftdichte, metallurgisch einwandfreie Verbindung hergestellt wird. In den meisten Einzelfällen bei der Verfahrensregelung läßt sich eine solche Verbindung ohne weiteres nach herkömmlicher Technik (z. B. Schmelzschweißung) erreichen weil Membran und Tragkörper aus demselben Metall, üblicherweise aus rostfreiem Stahl, bestehen.

Wenn jedoch die Drücke verschiedener stark korrodierender Verfahrensströmungsmittel gemessen werden sollen, wird die Membran üblicherweise aus Tantal oder einem ähnlichen, chemisch inerten und teueren Metall hergestellt. Aus fertigungswirtschaftiichen Gründen ist es dabei sehr wünschenswert, in diesen Einsatzfällen den aus rostfreiem Stahl bestehenden Tragkörper beizubehalten.

Dem Fachmann ist bekannt, daß die hoch korrosionsbeständige Metaiimembran (z. B. aus Tantai) und der Tragkörper aus einem chemisch stärker aktiven Metall (z. B. aus rostfreiem Stahl) metallurgisch nicht miteinander vereinbar bzw. verträglich sind, d. h. die chemischen und physikalischen Eigenschaften dieser Metalle sind so stark verschieden, daß ein Schmelzschweißen nach den üblichen Verfahren nicht durchführbar ist. Der Ausdruck »Schweißarbeit« bezieht sich dabei auf die Herstellung einer einwandfreien bzw. massiven, homogenen, luftdichten molekularen Bindung längs der Berührungsstelle zwischen den beiden Metallen, wie beispielsweise bei der Vernischung zweier metallurgisch verträglicher, geschmolzener Metalle durch Verschmelzung. Versuche zum Schmelzverschweißen unverträglieher Metalle führen zur Bildung von inhomogenen Zonen aus Zwischenmetallverbindungen, die spröde sind und zu Bruch- oder Rißbildung neigen.

Das Problem der Gewährleistung einer einwandfreien Verbindung wird weiterhin daduuh verstärkt, daß derartige Membranvorrichtungen in manchen Fällen ständig wechselnden Temperaturen über weite Bereiche (z. B. -40° bis + 370°C) widerstehen und dabei ihre luftdichte Abdichtung beibehalten müssen Aus diesem Grund sind auch andere übliche Verbindungsverfahren wie Stauchen, Einpressen und Verkleben oder Verbinden mit Hilfe von Kunststoffen, Klebmitteln oder Hartlötlegierungen für die meisten industriellen Zwecke ungeeignet.

Eine einfache Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, den Tragkörper aus demselben inerten Metall wie die Membran herzustellen. Wie erwähnt, ist aiese Möglichkeit jedoch äußerst aufwendig. Außerdem kann die Gesamtgröße solcher zusammengesetzter Membranvorrichtungen nicht in allen Fällen zur Lösung der Kostenfrage verkleinert werden, weil die Größe der Membran normalerweise einen Einfluß auf Genauigkeit, Ansprechverhalten, Empfindlichkeit und Meßbereich des Instruments hat.

Dem geschilderten Problem wurde in der Vergangenheit große Aufmerksamkeit gewidmet, wie dies τ. Β, aus der US-PS 36 75 540 hervorgeht, die vorschlägt, eine dünne Tantalmembran an einem Rahmen aus rostfreiem Stahl durch Nahtschweißung zwischen den Umfangsrändern der Membran und dem Rahmen anzubringen. b5 Es ist aber bekannt, daß eine derartige Nahtschweißung keine einwandfreie, luftdichte Schweißverbindung /wischen den verschiedenen Metallen, sondern vielmehr eine solche Verbindung ergibt, die Zwischenmctallver-

bindungen enthält und daher einer Schmelzverschweißung strukturell unterlegen ist und schließlich durch Rißbildung vorzeitig versagt Wie aus dieser US-PS hervorgeht, muß eine zusätzliche Unterstützung für den Einbau der Membran in der Weise vorgesehen werden, daß die Membran durch Schrumpfen oder Einpressen in feste Anlage an den Gegenflächen ihres Stützrahmens gebracht wird.

Ein neuerer Vorschlag ist durch die US-PS 40 46 010 bekannt, die einw Membrananordnung zur Verwendung bei stark korrodierenden Verfahrensströmungsmitteln der anfangs genannten Art zeigt Hierbei ist die Membran zwischen dem Tragkörper und einem an diesem anliegenden Druckkörper eingespannt Der Tragkörper und der Druckkörper bestehen aus rostfreiem Stahl, während die Membran aus Tantal gefertigt ist, das heißt Tragkörper und Druckkörper einerseits und Membran andererseits bestehen aus metallurgisch nicht miteinander verträglichen Materialien. Die Verbindung zwischen Tragkörper und Druckkörper erfolgt durch eine Art »Lötschweißung« (brazewelding) unter luftdichter Abdichtung mit Hilfe eines zwischen diesen und auf der Tantalmembran angeordneten Zwischenringes aus Stahl. Eine solche »Lötschweißung« wird dadurch erreicht, daß der rostfreie Zwischenring auf eine Temperatur über seinem Schmelzpunkt, aber unter dem der Tantalmembran erwärmt wird, wobei sich zwischen dem Zwischenring und dem Tragkörper außerhalb der Membran eine Schweißstelle bildet, die die Verbindung zwischen der Membran und dem Tragkörper nach außen luftdicht abdichtet Es wird hier somit keine dichte Verbindung zwischen der Membran und dem Tragkörper geschaffen, sondern eine Verbindung zwischen dem Tragkörper und dem auf der Membran aufliegenden und über diese hinausragenden Zwischenring bzw. Druckkörper. Hier ist nachteilig, daß der Druckkörper, der aus Stahl, d. h. leicht korrodierbarem Material besteht, mit der korrodierenden Flüssigkeit in Berührung gelangt. Nach der genannten US-PS muß außerdem ein Korrosionsschutz für die Schweißstelle aus rostfreiem Stahl in Form einer elastomeren Dichtung vorgesehen werden, die am Innenumfang zwischen der Membran und dem Druckkörper angeordnet ist, um das Verfahrensströmungsmittel an einer Berührung und damit Zerstörung des freiliegenden rostfreien Zwischenrings und der Schweißnaht zu hindern.

Ungeachtet aller bisherigen Versuche und Entwicklungen auf diesem Gebiet besteht ersichtlicherweise nach wie vor der Bedarf für eine verbesserte Membrananordnung, in welcher Tweii unterschiedliche Metalle mittels einer einwandfreien molekularen Verbindung vereinigt werden, die höchstmögliche Zuverlässigkeit, Sicherheit und Kosteneinsparung gewährleistet

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten und iiweckmättigen Membrananordnung, bei der zwei metallurgisch unvereinbare und unverträgliche Metalle, einmal in Form einer Membran aus einem Metall, das für den korrodierenden Angriff des Verfahrensströmungsmittels beständig ist, und ium anderen in Form eines Tragkörpers aus einem üblicherweise benutzten, weniger korrosionsbeständigen Metall, mittels einer einwandfreien, d. h. fehlerfreien molekularen Verbindung so miteinander vereinigt werden, daß an der Verfahrensströmungsmittel-Grenzfläche ohne Verwendung von Dichtungen eine nur aus dem korrosionsbeständigen Metall besiehende Schranke oder Sperre vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird bei der anfangs genannten Menibrananordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Zwischenstück aus zwei Metallteilen besteht, die beide innerhalb der Ringnut angeordnet sind, und daß das anschließende zweite Metallteil aus einem unterschiedlichen, mit der Membran verträglichen Metall besteht, mit dem die Membran durch Schweißung verbunden ist, wobei die beiden Metallteile des Zwischenstücks mittels einer einwandfreien molekularen Verbindung miteinander vereinigt sind, so daß die Membran durch

ίο das zweite Metallteil des Zwischenstückes luftdicht am Tragkörper abgedichtet ist

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Metallteile des Zwischenstücks durch Explosionsschweißung molekular miteinander verbunden.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Membrananordnung angegeben.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 sine teilweise weggeschnittene perspektivische Darstellung einer Membrananoro- ,ung;

F i g. 2 einen in etwas vergrößertem Maßstab gehaltenen Querschnitt durch die Anordnung nach F i g. 1; F i g. 3 eine in weiter vergrößertem Maßstab gehaltene Darstellung des einen Endes der Anordnung nach F ig. 2;

Fig.4 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Zwischenstücks dienenden rohrförmigen Elements aus zwei unterschiedlichen Metallen, die durch Explosionsschweißen unter Herstellung einer einwandfreien molekularen Verbindung miteinander vereinigt worden sind; F i g. 5 eine F i g. 2 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung und F i g. 6 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Detailansicht des einen Endes der Anordnung nach F i g. 5. In den F i g. 1 bis 3 ist eine druckempfindliche Membrananordnung 10 dargestellt, die einen kreisförmigen Tragkörper 11 aus rostfreiem Stahl umfaßt, dessen Stirnseite HA mit einem leicht konkaven Bereich 12 versehen ist, und eine ringförmig geweilte (convoluted) Membran 15 aus 0,13 mm dickem Tantalblech, die unter Bildung einer Kammer 17 auf spezielle Weise um den Gesamlumfang des konkaven Bereichs herum am Tragkörper befestigt ist. Die Membran erstreckt sich dabei über die Kammer hinaus und über einen Rand 18 der Stirnseite des Tragkörpers. Die Anordnung wird durch zwei Durchgänge 13 und 14 vervollständigt, die mit der Kammer in Verbindung stehen und dazu dienen, die Kammer zu evakuieren und anschließend vollständig mit einem geeigneter.Strömungsmittel, wie Silikonöl, zu füllen.

Wie eingangs geschirrt, wird durch die Verschiedtnatiig-ceit der chemischen und physikalischen Eigenschäften von rostfreiem Stahl und Tantal, insbesondere wegen der weitgehenden Unvereinbarkeit ihrer Schmelzpunkte, sowie aus dem Grund, daß die Tantalmembran sehr dünn ausgebildet werden muß, um genaue, wiederholbare Meßergebnisse zu liefern, das Problem der Verbindung der beiden Metalle außerordentlich erschwert. Mit der noch näher zu erläuternden Konstruktion kann dagegen die Tantalmembran durch Schmelzschweißung luftdicht mit ihrem Tragkörper verbunden werden.

Gemäß den Fig.? und 3 ist in den Tragkörper 11 um den Gesamtumfang des konkaven Bereichs 12 herum, jedoch einwärts vom Rand 18, eine Ringnut 22 mit irrt wesentlichen rechteckigem Querschnitt eingestochen.

Ein ringförmiges Übergangs- bzw. Zwischenstück 23 besteht aus einem Außenteil 24 aus rostfreiem Stahl und einem Innenteil 25 aus Tantal, die längs ihrer Berührungsfläche 26 durch eine einwandfreie, luftdichte molekulare Verbindung miteinander vereinigt sind. Der Außendurchmesser dieses Zwischenstücks ist dabei geringfügig größer als der Durchmesser der Ringnul, so daß es mit Preßsitz in letztere einpaßbar ist. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Zwischenstücks aus zwei miteinander unvereinbaren Metallen unter Ausbildung einer einwandfreien molekularen Verbindung wird an späterer Stelle näher erläutert.

Nach dem Einsetzen in die Ringnut 22 liegt das Zwischenstück 23 mit Preßsitz an nur einer Fläche bzw. Flanke 23A des Tragkörpers 11 an (F i g. 3). Durch diesen Preßsitz in Verbindung mit einer präzisen maschinellen Fertigung des Zwischenstücks und der Ringnutflanken wird die Anordnung zur Herstellung einer strömungsmitteldichten VerschweiBung vorbereitet und ausgerichtet. Zur Erleichterung des Einsetzens des Zwischenstücks ist dieses an der Rückseite seines Außenteils bei 28 hinterdreht. Im Zwischenstück sind zwei um 180° voneinander entfernte radiale Nuten 27 A vorgesehen, über die in der Ringnut eingeschlossene Verunreinigungen und Luft beim Evakuieren über die Durchgänge 13 und 14 entfernt werden können, damit die Füllflüssigkeit ungehindert zu allen Stellen der Ringnut vordringen und dabei die Genauigkeit der Vorrichtung im Normalbetrieb gewährleisten kann. Außerdem ermöglicht der »Lockersitz« der anderen Fläche des Zwischenstücks in der Ringnut eine ungehinderte Ausdehnung der Metalle bei Temperaturschwankungen, so daß keine Bauteile und/oder Verbindungsfugen unzulässig beansprucht werden. Der Einbau des Zwischenstücks wird durch Elektronenstrahlschweißung seines aus rostfreiem Stahl bestehenden Außenteils gegen den Tragkörper iängs ihrer Berührungsfläche 29.4 abgeschlossen.

Das Zwischenstück 23 wird aus einem Rohrelement 40 (F i g. 4) angefertigt, das ein Innenrohr 25A aus Tantal und ein Außenrohr 24Λ aus rostfreiem Stahl aufweist. Diese beiden, eigentlich metallurgisch unvereinbaren oder unverträglichen Metalle werden durch Explosionsschweißung mit einer einwandfreien, luftdichten molekularen Verbindung miteinander vereinigt, welche den Bereich 26Λ der einander berührenden Flächen beider Rohre gleichmäßig überspannt. Explosionsschweißverfahren zur Verbindung von verschiedenartigen Metallen sowie die einwandfreien Eigenschaften der auf diese Weise hergestellten Schweißverbindung sind bekannt. Eine genauere Erläuterung findet sich in einem Artikel »Flow Configuration in Colliding Plates: Explosive Bonding« von George R. Cowan und Arnold H. Holtzmann. Journal of Applied Physics, Bd. 34, Nr. 4 Teiil). April 1963, S. 928-939, sowie in der US-PS 31 40 537.

Ein genau bemessenes und gefertigtes Zwischenstück 23 wird vom Rohrelement 40 abgestochen, um auf beschriebene Weise in die Ringnut 22 eingesetzt und mit dem Tragkörper 51 verschweißt zu werden. Hierauf wird die Tantal-Membran 15 über die Stirnseite 11Λ des Tragkörpers hinweg angeordnet und mit Hilfe eines Tantal-Schweißrings 30 am Tantalteil 25 des Zwischenstücks durch Elektronenstrahlschweißung angebracht.

Die Membrananordnung bildet somit eine ganz spezielle Konstruktion, bei welcher das Verfahrensströmungsmittel in unmittelbare Berührung mit einer metallurgisch einwandfreien, höchst zuverlässigen Schweißverbindung von Tantal mit Tantal gelangt. Infolgedessen kann die Vorrichtung in stark korrodierender Umgebung und unter wiederholten Temperaturwechseln zwischen mindestens —40° und +370⁰C eingesetzt

^r, werden, während gleichzeitig eine wirksame Abdichtung an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Metallen erhalten bleibt, die unter einem angelegten Druck von 1,05 bar (Meßdruck) höchstens 2 ■ 10-* cmVs Helium treten läßt.

ίο Selbstverständlich sind verschiedene Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform möglich. Beispielsweise kann es sich je nach den jeweiligen Betriebsbedingungen als wünschenswert erweisen, andere korrosionsbeständige Metalle wie Titan oder Columbium als Membranwerkstoff zu benutzen. Derartige Metalle können ebenfalls einwandfrei mit anderen, weniger korrosionsfesten Körpern z. B. aus Nickel verbunden werden, um die beschriebene Membrananordnung herzustellen Neben den offensichtlichen Abwandlungen von Form und Größe der verschiedenen Bauteile ist es dem Fachmann auf diesem Gebiet auch bekannt, daß die das Zwischenstück 23 bildenden verschiedenartigen Metalle auch durch Diffusionsverbindung oder -schweißung oder isostatisches Heißpreßverbinden oder aber auf eine andere geeignete Weise vereinigt werden können, die eine einwandfreie Schweißverbindung zwischen diesen Metallen ergibt.

Eine ν iitere Abwandlung ist in den F i g. 5 und 6 veranschaulicht, in denen den vorher beschriebenen Teilen entsprechenden Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet sind. Diese Abwandlung eignet sich speziellfür die Anwendungsfälle, in denen ein beträchtlicher Teil der Membrananordnung in die Verfahrensumgebung hineinragt, wie dies beispielsweise bei einigen Behälter-Füllstandsmessungen der Fall ist. Dabei muß der Tragkörper 11 aus rostfreiem Stahl vor chemischem Angriff geschützt werden.

Anstelle der vorher beschriebenen Kingnut wird um den Umfang des Tragkörpers 11 herum eine (stufenförmige) Ausnehmung 50 ausgebildet, wobei der Tantalteil 25 des Zwischenstücks 23 außerhalb des rostfreien Stahlteils 24 angeordnet wird. Das Zwischenstück wird dabei mittels einer Schweißnaht 29 am Tragkörper befestigt, und die Tantal-Membran 15 erstreckt sich zum Umfang des Tragkörpers, wo sie wie zuvor mit dem Tantalteil des Zwischenstücks verschweißt wird. Der einem korrodierenden Angriff ausgesetzte Abschnitt des Tragkörpers ist vollständig von einer rohrförmigen Manschette 19 aus Tantal umschlossen, die mittels einer

so Schweißnaht 33 am Tantalringteil 25 festgelegt ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Membrananordnung zur Verwendung bei stark korrodierenden Verfahrensströmungsmitteln mit einem eine Kammer-Vertiefung und eine diese umgebende Ringnut aufweisenden, nicht korrosionsbeständigen Tragkörper aus Metall, mit einer Membran aus einem im wesentlichen korrosionsbeständigen, mit dem Metall des Tragkörpers metallurgisch nicht verträglichen Metall und mit einem Zwischenstück mit einem ersten Metallteil, der mit dem Tragkörper vereinbar bzw. verträglich und mit ihm durch Schmelzschweißung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück aus zwei Metallteilen (24,25) besteht, die beide innerhalb der Ringnut (22) angeordnet sind, und daß das anschließende zweite Metallteil (25) aus einem unterschiedlichen, mit der Membran (15) verträglichen Metall besteht, mir dem die Membran durch Schweißung verbunden ist, wobei die beiden Metallteile (24, 25) des Zwischenstückes mittels einer einwandfreien molekularen Verbindung miteinander vereinigt sind, so daß die Membran durch das zweite Metallteil des Zwischenstückes luftdicht am Tragkörper (11) abgedichtet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metallteile (24,25) des Zwischenstückes (23) durch Explosionsschweißung molekular miteinander verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenstück (23) mit Preßsitz nur gegen die Λ ußenflanke der Ringnut (22) eingesetzt ist, so daß eine ungei^ ^:nderte Ausdehnung der Metalle der Anordnung bei Temperaturschwankungen ermöglicht ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringnut (22) als Ausnehmung am AuBenumfang des Tragkörpers (11) ausgebildet und der aus Tantal bestehende Teil (25) des Zwischenstückes (23) an dessen AuOenum fang angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine rohrförmige Manschette (19) aus Tantal um den Tragkörper (11) herum angeordnet und an diesem durch Schmelzschweißung gegen den Tantalteil (25) des Zwischenstücks (23) befestigt ist.