石油化工行业的流体介质大多是强酸、强碱、高温、腐蚀性强等特性此类介质的压力测量是不能直接用压力仪表进行测量的而是采用膜片式压力表间接测量的方式，但是目前的膜片式压力表仍存在测量误差大，膜片损坏频率高的问题。通过利用三维CAD建模和FEMAP有限元分析技术对膜片式压力表的膜片进行分析，为膜片的优化设计提供了研究方法和理论依据并提出了一种延长膜片寿命的阻尼式引压方式，经现场使用证明可以延长膜片压力表的使用寿命。
1.引言
在石油化工、制碱、化纤、染化、制药、食品等工业部门中常常遇到强腐蚀、高温、高黏度、易凝固、有固体浮游物的恶劣介质，此类恶劣介质的压力测量是不能直接用压力仪表进行测量的。为使通用型压力表能适用于测量此类介质的压力而同时又避免介质直接进入压力仪表，防止沉淀物积聚和腐蚀仪表，就必须采用由膜片隔离器与通用型压力仪表组成一个系统的膜片压力仪表，如图1所示。介质压力P作用于膜片上，膜片把压力传递给工作液既而实现压力表显示压力。但目前的膜片压力表在测量恶劣介质时常出现如下问题：(1)系统启动时流体脉动引起压力表波动很大，甚至使压力表损坏（如正常工作表压在0.4MPa，但1.6MPa的压力表也常损坏)。⑵膜片由于介质脉动作用产生疲劳，加之腐蚀作用，膜片很快失去弹性，甚至破损失效。通过三维CAD和FEMAP有限元技术对膜片受压进行分析，为研宄膜片提供一种方法同时也提出了一种延长膜片寿命的阻尼式引压方式，经现场使用证明了可靠性。
2.创建有限元分析模型
Femap能够直接从三维CAD中读入几何模型或者利用Femap自身建模功能创建几何模型，但Femap自身建模没有成熟三维CAD那么方便。利用UG建模功能，创建了膜片模型。如图2、图3所示。
板式膜片规格为准60x80.2，如图2所示。准60x80.2波纹片(膜片中心分为准10和准15平板)，如图3所示。创建好几何模型后，后续还要创建材料数据、创建单元属性、生成网格、施加载荷、施加约束、模型检查、执行求解、后处理等过程来对模型进行求解、分析。
3.有限元分析
3.1分析条件
有限元分析W的条件包括模型的材料及其属性、载荷、边界条件等。模型的材料、材料属性和施加载荷情况，如表1?表3所示。表1模型材料
采用控制变量法进行研宄，仅分板式和波纹式膜片两种；另外分两组进行分析：（1)施加压力作用；(2)压力和温度的偶合作用。
3.2处理分析
在同等条件的情况下，先实行第一组试验，对图2和图3模片施加0.1MPa的压力，Femap采用Nastran求解器进行求解，结果，如图4、图5所示。
从图中看出，板式膜片的位移(形变)较小波纹膜片的位移
在同等条件下位移较大；同时波纹膜片中心平板直径越小，位移
也越大。设测量膜片为均匀圆形金属薄板，其面密度恒定，且为均
匀受力，那么对于其受压而产生弹性变形时的形变d可根据弹性
力学知识用极坐标法建立其微分方程[2-3]如式中:d—形变；一以膜片圆心的半径Q—极坐标中的角度；一
泊松系数￡:一拉、压弹性模量；一圆形膜片所受载荷；一
圆形膜片的厚度R—膜片半径。解式⑴微分方程得：
从式⑵中可以看出，当r=0(圆心)时，变形最大；当r二R时,变形为0。从图4可以看出，无论板式或波纹膜片’中心位移(形变)最大说明理论和有限元分析是完全吻合的。但若根据弹性力学可得，位移(形变)越大，则应力越大，可是实际上，仿真结果发现应力最大点不在膜片的中心位置(r=0)，如图5所示。实际上中心位置的变形是整个膜片变形的一个叠加，故最大应力点不在中心点；同时可以看出，波纹式的最大应力要比板式的小很多所以工业中多采用波纹膜片式值得提出的是，波纹膜片中心平板直径越大，则应力也越大。根据此分析，可以设计中间薄，向边界递增加厚的膜片来提高其性能。
第二组试验是压力和温度（100D的耦合，如图6所示。温度对膜片的性能产生的影响是巨大的，最大形变几乎是单纯压力作用下近十倍，应力也超出了屈服应力证实了温度是影响膜片性能和测量精度的重要因素％在工业中，高温膜片的应用也是一个待解决的问题。
4.一种延长膜片压力表寿命的方法
关于膜片压力表的研宄已经取得了很多理论成果，但是在测量恶劣介质时，膜片压力表很容易失效，多则半年，少则1个月；为了延长膜片的寿命，提出了一种阻尼式引压方式来对膜片进行保护，流程图，如图7所示。在测量时，由于孔板的阻尼作用，可以有效衰减介质的脉动效应，更好的保护膜片；同时对于易凝固介质，可以通过排污冲洗阀门进行冲洗排污。经现场使用检验，可以使膜片压力表的寿命延长至两年以上。
5.结束语
经过Femap有限元分析，可以得出：
（1）关于板式或波纹膜片的弹性形变，有限元分析结果和弹性力学计算结果吻合较好。
（2）同等参数条件下，波纹膜片的形变要大于板式膜片，但应力却要小很多。即波纹膜片有更好的力学性能。
（3）对于中心为板式(光滑)边缘为波纹的膜片，板式直径越小，相应应力也小。从而证明了刘人怀的当板式半径较小，则非线性效应较小，且与全波纹膜片的振动周期曲线相差也较小的结论。
（4）验证了温度是影响膜片性能和测量精度的重要因素之一。
（5）为膜片的研宄提供了研宄方法，同时阻尼式引压方式也大大延长了膜片压力仪表的使用寿命。
但多场耦合的膜片工况分析仍然是一个有待深入研宄的课
题。 |
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