На российском рынке КИП все чаще возникает потребность в надежных решениях для измерения давления в агрессивных средах, при экстремальных температурах, а также при высоком статическом давлении. Как защитить оборудование от коррозии, абразивного износа и водородного охрупчивания? Какие методы термозащиты работают в условиях Крайнего Севера? Сегодня мы публикуем технически детальное интервью с директором по развитию АО «ЭМИС» Артуром Даутовым. Поговорим о разделителях сред мембранных (РСМ), термобоксах, промывочных кольцах и выборе заполняющих жидкостей для сложных технологических процессов.
Фото 1
Вопрос: Начнем с самого частого вопроса от технологов КИП. Как защитить датчик давления от агрессивного влияния окружающей среды, особенно при минусовых температурах? Какие методы защиты существуют?
Ответ: Для защиты датчика давления от агрессивного влияния окружающей среды применяется несколько методов защиты. Наиболее оптимальный вариант — это жесткий кожух, который называется термобоксом. В нем вы можете установить специальную монтажную планку, установить датчик на специальное устройство, удерживающее его в необходимом положении, подвести к нему импульсные трубки, завести туда разделители сред мембранные, подвести питание, установить обогрев и различные средства регулирования температуры и устройства, которые будут контролировать эту температуру внутри термобокса.
Такое решение позволит защитить оборудование от воздействия окружающей среды. Ведь, собственно, датчик давления не боится минусовых температур. Мы защищаем в первую очередь внутреннюю измерительную полость датчика, импульсные линии и манифольд от перемерзания измеряемой среды, от накопления каких-то остатков конденсата, льда и прочих сред, которые могут воспрепятствовать корректному измерению давления. Термобокс позволит всегда поддерживать плюсовую температуру и избежать возникновения дополнительной температурной погрешности при измерении.
Контроль температуры внутри термобокса можно осуществить опрашивая датчик давления ЭМИС-БАР по протоколу HART и получая от него температуру электронного преобразователя или измерительного сенсора в режиме реального времени.
Фото 2: ЭМИС-БАР в термобоксе на АГХК
Вопрос: Какие еще бывают агрессивные факторы, которые воздействуют на датчик давления ?
Ответ: Это, конечно же, химическое коррозионное, абразивное воздействие измеряемой среды, от которых мы и хотим защитить наш датчик с использованием специальных устройств — разделителей сред мембранных (РСМ).
Вопрос: Как устроены разделители сред мембранные (РСМ) датчика давления?
Ответ: Разделители сред мембранные (РСМ) – это конструкция, которая может представлять из себя фланец с какой-то выбранной по заданию заказчика или требованиям проекта присоединительной поверхностью по определенному стандарту. Это могут быть стандарты ASME, EN, могут быть ГОСТ. На практике возможно изготовить присоединительную часть по любому стандарту с любыми требованиями к присоединительной поверхности из любых доступных материалов.
Далее следует мембрана на поверхности РСМ. Это приварная тонкая металлическая деталь специальной формы, которая физически отделяет гидравлическую жидкость внутри системы от измеряемой среды.
Во всей этой конструкции, то есть в какой-то небольшой полости разделителя сред мембранного, в этом капилляре залита гидравлическая жидкость, которая должна иметь строго определенные характеристики. Она не должна иметь значительное температурное расширение, и она должна обеспечить работу в широких температурных пределах.
Фото3: ЭМИС-БАР с РСМ
Вопрос: Какие требования предъявляются к заполняющей жидкости капиллярных линий датчика давления?
Ответ: Если вернуться к конструкции разделителя сред мембранного и капилляра, нужно сказать о важной составляющей этого комплекта – заполняющей жидкости, которая гидравлическим способом передает давление измеряемой среды на измерительную мембрану датчика давления. Все эти жидкости являются специальными, то есть они заточены на определенные температурные диапазоны. Они не должны вскипеть при высоких температурах, и они не должны полимеризоваться при низких температурах. Соответственно, физические и химические свойства этих жидкостей значительно отличаются от тех жидкостей, которые используются в датчиках давления. Однако не существует какой-то одной жидкости, на весь температурный диапазон, который может возникать при различных технологических процессах.
Например, есть жидкости, которые не вскипают, не создают дополнительное давление паров при температурах до +400 градусов Цельсия. Но нужно понимать, что многие из этих жидкостей являются полимерами при температурах уже около –10 градусов Цельсия. Соответственно, мы не можем их использовать в комплектах разделителей сред мембранных где капиллярные линии находятся без обогрева и могут охлаждаться в окружающей среде. Потому что наш фланец, наш разделитель может быть установлен на аппарате с высокой температурой, например +350 градусов Цельсия, а капилляр может быть длиной 5 -20 метров и находиться при температуре окружающей среды около -15 градусов Цельсия. Соответственно, подобного рода жидкости недопустимо использовать в разделителях сред. Для таких условий мы используем специальные жидкости, которые сохраняют очень низкую кинематическую вязкость для температур до -40 градусов Цельсия.
Но если вам требуется измерение давления среды с очень низкой температурой, необходима жидкость, которая не полимеризуется, например, до температуры -120 градусов Цельсия. Понятно, что такая жидкость имеет ограничение по верхней границе температуры. Это обычно не более +150 градусов Цельсия. То есть максимальный диапазон эксплуатации различных жидкостей может достигать 450 градусов Цельсия, минимальный до -120 градусов Цельсия
Мы этот диапазон каждый раз выбираем исходя из технологических задач – какой будет температура измеряемой среды, какой будет температура окружающей среды.
Вопрос: Как измерить давление среды с высокой температурой, если температура окружающей среды низкая?
Ответ: Если вы выбираете жидкость на особо высокие температуры, и у вас нет возможности технологически обогревать капилляр, мы предложим вам жидкость, которая сохранит свои кинематические свойства, свою низкую вязкость при температуре окружающей среды до –40 градусов Цельсия.
Если температура окружающей среды согласно условиям проекта составляет до –60 градусов Цельсия, то мы в данном случае предложим капилляры в специальной оболочке с установкой греющего кабеля внутрь. Это будет капилляр с обогревом, но такое решение потребует обеспечения электрического питания для каждого такого капилляра. Что касается измерения давления измеряемой среды температурой выше +200…+300 градусов Цельсия в сочетании с температурой окружающей среды до -60 градусов — у нас есть опыт поставки оборудования для решения такой технологической задачи.
Фото 4: ЭМИС-БАР с РСМ с обогревом капиллярных линий
Вопрос: Каким способом разделитель сред мембранный (РСМ) присоединяется к датчику давления ?
Ответ: Сама собранная конструкция разделителя сред с капилляром присоединяется к датчику давления посредством приварки. Но существует вариант резьбового присоединения через специальный переходной штуцер.
Если мы используем резьбовое присоединение, то соответственно мы получаем разделитель сред, который может использоваться в качестве расходника. То есть эту конструкцию вы вполне можете заменить впоследствии при эксплуатации. Если у вас произошло механическое либо коррозионное, либо химическое разрушение разделителя сред мембранного, вам нет необходимости менять полностью комплект. Вы можете отправить на ремонт или на замену этот комплект, и вам поменяют только капиллярную часть и разделитель сред мембранный. Это будет существенно дешевле и, конечно же, ускорит сроки.
В качестве другой меры присоединения РСМ и самого капилляра к датчику используется сварка. Этот тип присоединения следует выбрать в том случае, когда имеются какие-то вакуумные процессы, где есть высокие требования к герметичности, и вам необходимо с максимальной надежностью избежать любой разгерметизации процесса, либо какого-то случайного механического воздействия в процессе эксплуатации или в процессе установки. В этом случае сварка предпочтительна.
Вопрос: Какие материалы используются для защиты датчика давления от химически агрессивных сред?
Ответ: При использовании отдельного устройства в качестве разделителя среды вы можете применять различные материалы:
Стали аустенитного класса
Для химически агрессивных сред это могут быть стали аустенитного класса – 316L, 316 Ti, различные коррозионно-стойкие стали, например дуплексные, полудуплексные, хастеллой и монель. Из этих сталей может быть изготовлена не только мембрана, но и вся смачиваемая поверхность РСМ.
Золотое покрытие
Одним из технологических способов защиты измерительной мембраны от агрессивной среды с содержанием водорода, сероводорода является покрытие микронным слоем золота поверхности измерительной мембраны. Атомарный водород при высоком давлении, особенно при высокой температуре, может проникать и скапливаться во внутреннем объеме, превращаясь в молекулярный водород.
Соответственно, под мембраной разделителя со временем могут появиться пузырьки газа, которые будут вносить существенное значение в измерение давления.
Золотое покрытие защищает от проникновения атомарного водорода или от агрессивного воздействия. То есть, от так называемого водородного охрупчивания, а также защищает от воздействия сероводорода.
Фото 5: РСМ с золотым напылением
Напыление фторопластом
Для увеличения химической стойкости поверхности разделителя сред мембранного мы можем использовать напыление фторопластом. Оно не влияет на измерение давления, но является очень инертным материалом, который не взаимодействует практически с любыми измеряемыми средами. Единственное условие – эксплуатация такого покрытия допускается при температуре измеряемой среды не более +200 градусов Цельсия.
Фото 6: РСМ с напылением из фторопласта
Вопрос: Как защитить датчик давления от абразивного воздействия измеряемой среды?
Ответ: Кроме коррозионного и химически агрессивного воздействия на измерительную мембрану может быть абразивное воздействие. Соответственно, мы можем также применять определенного типа напыления. Например, нитрид титана, который оказывает упрочняющее воздействие на поверхность измерительной мембраны.
Вопрос: Какие еще преимущества, кроме защиты от агрессивной измеряемой среды дает применение РСМ?
Ответ: Кроме защиты от агрессивного воздействия измеряемой среды, есть факторы присоединения к процессу, которые могут существенно отличаться от стандартных вариантов присоединения обычного датчика давления. Это могут быть различные фланцевые присоединения различных стандартов с различными диаметрами. Выпускать датчики давления со всеми возможными присоединениями – это и непрактично, и сильно удорожает саму конструкцию.
Вопрос: Как быть с высоким избыточным давлением измеряемой среды и низкими перепадами? Например, присоединение к процессу по проекту Ду 50, а нужно измерить 5 кПа при избыточном давлении 5 МПа.
Ответ: Одним из распространенных вариантов решения технологической задачи по измерению давления является требование присоединения к процессу определенного диаметра, например Ду 50 – это так называемый унифицированный диаметр присоединения к процессу. Но при этом технологически вам необходимо измерить очень низкий перепад давления или само избыточное давление очень маленькое.
Для измерения маленьких диапазонов давления нужна большая площадь мембраны. Потому что чем меньше диаметр измерительной мембраны РСМ, тем она жестче, тем меньше ее чувствительность. И в данном случае мы вынуждены использовать конструктивное решение – дополнительную камеру, внутри которой размер мембраны расширен до необходимого.
Например, входное отверстие присоединения Ду 50, а мембрана внутри разделителя, внутри этой массивной камеры, которая используется для присоединения, будет уже, например, 130 миллиметров, 80 миллиметров либо 100 миллиметров. Тогда мы сможем измерить перепад давления от 5, 10, 20, 50 кПа при высоком статическом давлении.
В данном случае на фото 7 представлена «двухэтажная» конструкция со специальными шпильками для подключения к самому фланцу процесса.
Фото 7: РСМ на Ду 50 для низких диапазонов перепада давления
Одним из способов использования разделителя сред мембранного в сочетании с датчиком давления может быть использование без капилляра. В том случае, когда нам просто нужно отделить измеряемую среду от датчика давления.
Фото8: ЭМИС-БАР с РСМ без капилляра, фланцевое присоединение
При этом заблуждением будет считать, что это всегда фланцевое присоединение. Это может быть и штуцерное присоединение. Мы можем изготовить с любой ответной резьбой для любого разделителя сред с любой поверхностью измерительной мембраны, которая является измерительной и разделительной для данного комплекта.
Фото 9: ЭМИС-БАР с РСМ без капилляра, штуцерное присоединение
Также в этой сборке мы можем использовать различные материалы, отличные от конструкции самого датчика. Соответственно, у вас будет такой же комплект, но при этом будет являться стойким к окружающей среде либо коррозионно-активной химической среде. Данный разделитель возможно как разбирать, так и промывать, а также использовать в более сложных технологических условиях.
Фото 10: ЭМИС-БАР в комплекте с сборным РСМ
Еще один из распространенных вариантов изготовления разделителя сред мембранного – разделитель сред сборный, который позволяет разбирать конструкцию в процессе эксплуатации. Он представляет собой штуцерное присоединение к процессу, где есть сам разделитель сред с мембраной и накидная гайка определенной формы и резьбы, которая позволяет собирать, разбирать, обслуживать и промывать эту полость в процессе эксплуатации.
Вопрос: Рассмотрим практическую задачу: измерение уровня жидкости в сосуде под избыточным давлением. Как это реализуется?
Ответ: Чтобы измерить уровень жидкости в емкости под избыточным давлением, то есть высоту столба жидкости, мы предлагаем следующее техническое решение:
- В нижней точке емкости на фланцевое присоединение подключается датчик перепада давления с уже установленным фланцем уровня. Кстати это может быть отвод с резьбовым присоединением. Высота расположения датчика будет нулевой точкой.
- На капиллярной линии от минусовой камеры датчика перепада давления устанавливается разделитель сред, который измеряет избыточное давление газовой подушки, (паровой подушки) самой емкости.
То есть мы вычитаем избыточное давление газовой подушки из результирующего давления избыточного в емкости и гидростатического столба жидкости. Соответственно, измерение гидравлического давления посредством такого комплекта позволяет вам получить высоту столба жидкости, зная ее плотность.
Фото11: ЭМИС-БАР гидростатического давления
Вопрос: Какая конструкция РСМ позволяет измерить высокое статическое давление?
Ответ: Измерение высокого статического давления требует от нас изготовления очень массивных деталей с большим количеством резьбовых отверстий для болтового присоединения к самому процессу. Это конструкция в виде прочных фланцев согласно ГОСТ или стандарта ASME, вес которой может достигать 50-60 килограмм только лишь одного РСМ без учета капиллярных систем и датчика давления.
На представленном ниже фото 11 и 12 представлен датчик давления ЭМИС-БАР с разделителями сред мембранными, которые изготовлены на статическое давление до 42 МПа расчетного. При этом вы можете обратить внимание на конструкцию РСМ, где подвод самого капилляра осуществляется не с противоположной стороны перпендикулярно фланцу, а сбоку. То есть, это конструкция РСМ ячеечного типа, которая позволяет установить разделитель сред на вертикальный аппарат, но при этом сами капилляры будут направлены вертикально вниз, и не будут испытывать нагрузки на излом на место присоединения. Это является оптимальным для высоких аппаратов и защищает комплект разделителя сред мембранных от механических повреждений при работе персонала на объекте.
Фото 12: ЭМИС-БАР с РСМ на высокое статическое давление
Фото 13: ЭМИС-БАР с РСМ на высокое статическое давление
Вопрос: Какие решения существуют для измерения среды, склонной к налипанию или кристаллизации?
Ответ: В числе негативных факторов воздействия измеряемой среды могут являться физические свойства самой среды, которая может быть склонна к налипанию, к образованию кристаллов при разных переходных температурных процессах. Либо в процессе измерения может меняться давление процесса, вследствие чего среда может менять физические свойства. Соответственно, в измерительной полости среда может кристаллизоваться или образовывать налипания, которые со временем образуют устойчивый к воздействию давления слой и мешают корректно измерить давление.
Для решения этой проблемы у нас есть специальное технологическое приспособление – промывочные кольца, которые представляют из себя механическую конструкцию с присоединительной поверхностью, обеспечивающая плотное прилегание к ответному фланцу процесса и к самому разделителю сред.
В данном промывочном кольце есть технологические отверстия, через которые может подаваться промывочная жидкость под давлением. При этом промывочное кольцо может представлять из себя определенную конструкцию, которая уже изготовлена вместе со специальным штуцером. Подача агрессивных промывочных растворов может перекрываться специальными вентилями, соленоидами. Соответственно, весь процесс промывки и эксплуатации осуществляется автоматически, что позволяет избежать участия персонала и повышает безопасность процесса.
Фото 14: Промывочные кольца со штуцером
Вопрос: А если температура измеряемой среды достигает +500...+600 °C? Как быть с охлаждением?
Ответ: Несмотря на широкий диапазон эксплуатации заполняющей жидкости, существуют требования, когда измеряемая среда может находиться при температурах +500, +600°C. В данном случае мы используем различные охладители, отводы, импульсные трубки либо фланцевые охладители, которые являются массивной конструкцией с большим радиатором, который позволяет снизить температуру измеряемой среды.
Фото 15: ЭМИС-БАР с охладителем
Фото 16: фланцевый охладитель
Но есть и ограничения при использовании подобных конструкций, если среда при охлаждении меняет свои физические свойства или агрегатное состояние. В данном случае нужно обсуждать данные обстоятельства с технологами предприятия заказчика, чтобы обеспечить полную информацию при подборе технического решения.
Если в вашем случае у вас есть задача со сложными технологическими условиями, вы всегда можете обратиться к специалистам компании «ЭМИС». Мы расскажем об ограничениях каждого метода измерения, подберем оптимальное решение, конструкцию, материалы, порекомендуем использование тех или иных конструктивных решений для вашей задачи.
