弹簧管式一般压力表的工作可靠性分析

弹簧管式一般压力表运用广泛,其工作可靠性关系到设备与人员的安全。本文分析弹簧管压力表的可靠性，对压力表制造、工作载荷、温度、振动、腐蚀等影响可靠性的因素以及可能引发的相应后果进行探讨。

0.引言

弹簧管式一般压力表（以下简称压力表）由于结构简单、容易制造、价格低廉、方便实用，广泛的应用在工业、农业、军事等领域。但是由于结构原理、制造选用材料、制造工艺等方面的原因，压力表的量值稳定性、可靠性等都不同程度的存在问题，这给压力表的使用带来潜在的风险。相当一部分压力表的使用直接关系到人员与设备的安全,所以压力表的可靠性引起人们的高度重视。

1.压力表的基本原理

1.1压力表的结构

压力表的基本结构由接头、弹黄官、齿轮传动机构、指示机构和外壳等部分组成,如图1所示。

接头用于焊接弹簧管、固定表壳和齿轮传动机构、连接被测管路弹簧管用于将传压介质传递的管路压力转换为自由端的线位移；齿轮传动机构将弹簧管自由端的线位移传递放大为中心轴的角位移；指示机构用于指示对应的压力示值表壳用于机械机构的防护。

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1.2压力表弹簧管材料特性

（1）弹性特性。弹性特性是材料的变形仅受载荷的影响所表现出来的性质。厂家在设计阶段即限定压力表弹簧管在其选用材料‘‘应力-应变”曲线的线性弹性阶段工作。

（2）弹性后效。弹性后效是指材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓慢增长,在去除载荷后，不能立即恢复而需要经过一段足够时间之后才能逐渐恢复原状的现象。

（3）弹性迟滞。弹性迟滞是指金属在“应力-应变”曲线的线性弹性区间内经历加载卸载时，由于应变落后于应力,使加载形变曲线与卸载形变曲线不重合,产生相同载荷对应不同形变的现象。

（4）弹性滞后。弹性滞后是弹性后效和弹性迟滞的统称,二者通常叠加显现无法分开。弹性滞后现象在压力表计量检定中主要表现为回程误差。材料弹性滞后的差值越大,压力表的回程误差也就越大。

（5）内应力。内应力是指在结构上没有外力存在时,弹性物体内所保存的应力。合格的压力表其弹簧管应只有较小的内应力，以保证良好的弹性性能。特别是中高压弹簧管,必须保证只有较小的内应力，以确保使用中的稳定性和安全性。

（6）金属疲劳。金属疲劳是指在交变载荷作用下，金属材料发生破坏的现象。当金属经过一定工序被加工为零件后，内应力将集中在零件的外形曲线突变处（如压力表齿轮的齿根部分）。如果不采用适当方法消除内应力,零件经受一段时间的交变载荷作用后,在局部高应力区将形成微小裂纹,进而逐步扩展引起断裂。压力表机芯部分出现齿轮断裂的主要原因就是金属材料的疲劳。

（7）磨损。磨损是指任意由于表面相对运动而使表面物质不断损失的现象。磨损程度与材料性质、相对运动频度、环境温度和环境中腐蚀性条件有关。磨损造成零件表层材料的损耗,使得零件尺寸发生变化,直接影响零件的机械性能,缩短其使用寿命。机芯运动部件磨损将导致压力表示值误差变化直至超出允许范围。

（8）蠕变。蠕变是材料在保持所承受应力不变的条件下,应变随时间延长而增加的现象。只要应力的作用时间足够长，当应力小于材料弹性极限时蠕变也能出现。压力表长期承受负载，弹簧管材料出现蠕变现象的几率增大,会进而改变其原有的弹性特性,使压力表的示值出现超出设计预期的误差。

（9）腐蚀。金属腐蚀按照反应机理不同可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀主要是气体腐蚀,有金属与氧气的氧化反应，或者金属与活性气态介质（如二氧化硫、蒸汽和二氧化碳等）的化学反应。电化学腐蚀是在自然条件下（如海水、潮湿空气、酸雾等），不同的金属与电解质溶液接触时发生的原电池反应。压力表的零件腐蚀故障与上述两种腐蚀原理有关。

2.影响压力表工作可靠性的主要因素

2.1压力表的选材和制造缺陷

压力表在设计时需要按照预定的测量范围、外廓尺寸、接口尺寸、表盘标度和测量精度要求，选择满足一定孔径、壁厚、中心角、截面轴比和材质要求的弹簧管原料，以保证加工成型后弹簧管中心角变化与所承受载荷的变化满足设计要求。选用弹簧管的尺寸参数、材料不能满足理论设计要求,零件加工、装配达不到设计精度，均可能导致压力表工作不可靠，达不到理论的设计寿命和准确性。

2.2压力表的工作载荷

实际工作中压力表所承受载荷的情况十分复杂。为便于分析载荷对压力表的影响，将载荷简化为理想的长期恒定或正弦交变载荷、瞬时冲击载荷、瞬时卸载三种不同情况。

2.2.1长期恒定或正弦交变载荷

当压力表承受恒定载荷时,弹簧管、游丝等弹性零件长期受载荷作用，由于内应力、疲劳、蠕变等材料性能变化诱因的作用，使得弹簧管的管径、截面轴比、材料的弹性滞后量、游丝的弹性特性等逐渐变化，引起弹簧管中心角与载荷变化、自由端位移等逐步偏离初始状态,导致相应的示值误差、回程误差、零位误差、轻敲位移等指标,逐渐变坏。

当压力表承受正弦交变载荷时，除出现受恒定载荷影响的现象外，当交变载荷的幅值一定时,弹簧管、游丝的疲劳寿命随着平均载荷的增大而减小在交变载荷平均值一定的情况下,弹簧管、游丝的疲劳寿命随着载荷幅值的增加而逐渐减小弹簧管承受正压时其中径与内径之间、承受负压时其中径与外径之间由于承受拉应力更容易产生疲劳破坏。此外,压力表承受交变载荷时,连杆机构、机芯齿轮机构处于往复运动状态,连杆与弹簧管封口片、连杆与扇形齿轮、扇形齿轮与中心齿轮等机械联接处的磨损程度，随交变载荷施加时间的延长而增大。

2.2.2冲击载荷

当安装在压力表前端的阀门或其他管路控制装置突然关闭时,管路内流体的动能转为压力能,原先稳定的管路压力将急剧升高，这种现象称为水击现象。管路内增压泵工作时，由于增压机构的往复运动同样会发生水击现象,两种情况均会在管路中产生瞬时高压的脉冲压力，此时压力表承受冲击载荷作用。当冲击载荷超过压力表设计的最大安全载荷时,弹簧管或游丝的弹性变形、扇形齿轮与中心齿轮的啮合运动以及轮齿承受的应力将短时间超过设计的安全范围，可能产生不可预期的破坏结果，导致压力表工作失效。

2.2.3瞬时卸载

当管路中压力突然消失,没有节流阀结构的压力表将瞬时卸载,快速返回零位的指针由于止销作用而停止运动。卸载前的管路压力越大，指针敲击止销的力度越大,正常时为过盈配合的指针孔与机芯中心轴之间相对运动越大，可能导致压力表示值出现偏差；同时，指针孔和中心轴表面因相对运动出现的摩擦，可能导致指针松动或指针孔与中心轴表面磨损。瞬时卸载的频度越大,压力表故障出现的几率越大。

2.3环境温度

环境温度变化，会引起材料弹性模量E的变化，通常使用弹性模量的温度系数来表示弹性模量随温度变化的性质，即：

Et=E0(1-aE‘4)(1)

t=t—10(2)式中:Et一温度变化后的弹性模量；

E0一温度变化前的弹性模量；

At温度变化量，t一变化后的温度；to一变化前的温度；aE一弹性模量的温度系数。

压力表国家标准规定其工作环境温度（含介质温度）范围为-40°C~70°C。由式（1)可知，温度系数aE越大,则Et越大。同时,较高的环境温度会加快材料疲劳、蠕变和磨损的速率。因此当压力表工作环境温度变化范围较大时,应选择弹簧管材料弹性模量温度系数小的压力表,否则压力表示值将出现较大偏差。

2.4环境振动

环境振动使得压力表机械机构分别承受往复运动产生的摩擦和循环应力作用。振动摩擦会引起压力表机械连接部分出现预期之外的磨损。理论认为材料循环松弛,多数金属材料在一定的循环应力作用下,其应力幅值超过一定范围，则在每个循环后材料都将会产生微小的残余塑性变形增量。这样可能导致压力表拉杆与扇形齿轮之间的示值调节螺钉、机芯与机座之间的紧固螺钉出现松动，引起拉杆与扇形齿轮臂之间夹角、示值调节螺钉位置、机芯与机座位置、中心齿轮与扇形齿轮啮合位置等出现变化,引起压力表误差增大或故障。

2.5材料腐蚀

压力表的实际工作环境中不可避免存在潮湿空气,甚至会有腐蚀性气体。因此压力表机构常会出现锈蚀,会在弹簧管管体、端头部分产生锈蚀孔洞；此外由于环境中积尘或油污的附着，压力表零件的初始表面状态和联接（接触）方式将显著改变锅炉、船舶发动机舱室内的压力表工作环境温度偏高，其材料腐蚀的速率增快,工作可靠性相对于一般工作环境将下降更快。

假设压力表零件的强度为C,所受的应力为S,它们都是随机变量,并且概率密度函数分别为f(c)与g(s)。当两个分布的方差很小时,零件强度的最小值大于应力的最大值,能够保证一定的安全裕度。压力表投入使用后,尽管产品质量、承受载荷、环境温度、环境振动、材料腐蚀等因素的影响带有随机性质，但总体趋势使得零件的强度C逐渐下降,偏离设计时的理想区间，导致f(c)与g(s)曲线出现重合,最终产生故障。

3.压力表工作可靠性因素引起的后果

设计制造缺陷。弹簧管式压力表设计比较成熟，问题主要出现在制造工艺和材料的选择方面，选用材料不合适可导致弹性材料性能不合要求、机械强度不够等问题。制造工艺不成熟、流程不规范可导致零件加工、装配精度不合要求,压力表量值不稳定,达不到设计目标和预期寿命。

长期恒定或交变载荷。压力表长期加载较大压力或

不断的加载幅度大、频率高的交变压力，引起弹簧管、游丝的弹性特性逐渐恶化或永久变形降低弹簧管、游丝的疲劳寿命,增大机械联接的磨损程度。

冲击载荷、瞬时卸载。压力表测量快速冲击性压力、快速将压力表从较高压力瞬间降低等类似操作，可能使弹簧管或游丝的弹性变形超出设计范围、齿轮副啮合运动超出极限、轮齿承受应力超过安全范围，指针敲击止销引起示值偏差、指针松动或指针孔与中心轴表面磨损,严重时会造成压力表损坏。

环境振动。压力表安装在机械振动较大的部位,会使压力表机械连接部分产生预期之外的磨损，导致压力表机械机构连接部分出现不同情况的移位、损伤,使压力表偏出零位,指针松动，转动部分间隙变大，弹性元件老化,破坏压力表的基本性能，降低压力表的寿命,严重时在短时间内造成压力表损坏。

环境温度。压力表长时间工作在高温环境中测量高压力,会引起材料弹性模量的变化，加速材料疲劳、蠕变和机械磨损。产生压力表量值的漂移,严重时使压力表大大的超出测量误差。

腐蚀。压力表长时间在腐蚀性环境中使用或测量腐蚀性介质，可使压力表的金属部分受到腐蚀,破坏压力表的金属结构,使弹簧管锈蚀孔洞，改变压力表零件的初始表面状态和联接（接触）方式。破坏压力表的基本性能，严重时损坏压力表。

4.结束语

通过以上论述可知，压力表的工作可靠性取决于其材料的选择、制造质量、工作载荷、工作环境条件、维护保养等因素。因此,应结合实际情况对影响压力表可靠性因素进行分析,排除不利因素，掌握使用中的压力表性能状态变化趋势，降低使用风险,科学合理的使用、管理好压力表。