摘要：从小口径远传法兰变送器设计的必要性入手，深入细致地探讨FCX- AIII系列远传变送器DN25小法兰设计思路和方法，并列举实例。通过对3种设计方法对比分析，提出在设计方面的见解和建议。该设计对于DN20、DN15等更小口径远传法兰变送器的研究开发具有推广意义。
引言
法兰变送器主要用于测量各种流体的压力、差压、液位等工业过程控制参数，广泛应用于石油化工行业。FCX-AIII系列法兰变送器是在差压、压力变送器的基础上扩展的品种，即在压力、差压品种基础上，通过隔膜法兰引压，充有硅油的毛细管传递压力，实现特殊工艺条件下压力信号的远距离测量。目前，国内石油化工装置管道法兰按公称直径大小划分，主要有DN40、DN50、DN80和DN100，小口径管道法兰（公称直径DN25以下）需求较少，一般占管道法兰总数15%左右。然而，公称直径DN25以下的小口径法兰变送器，对于国内大多数变送器厂商来说都是一个办辞苍驳产补颈，必须依赖国外进口。
1 设计思路及方法
FCX-AIII系列法兰变送器，按其公称直径大小划分，主要有DN40、DN50、DN80和DN100，DN25小口径法兰设计是在DN50法兰的基础上进行，同时兼顾工艺可行性、现场安装、使用可靠性以及制造成本等方面，使之与现场工艺法兰匹配。
2 设计方法
DN25小口径法兰的设计方法主要有过渡法兰法、适配器法兰法和镶件-法兰法。
2.1 DN50-DN25过渡法兰
如图1所示，现场工艺法兰口径为DN25，在DN50取压法兰和DN25工艺法兰之间增加一段能够实现法兰口径大小转换的法兰组件，图中虚线框从右到左，达到了法兰口径由DN50到DN25的转换之目的。在仪表设计制造中，习惯上把取压法兰和工艺法兰之间的那一部分法兰组件称之为过渡法兰，这里即DN50-DN25过渡法兰。
过渡法兰设计时，理论上应整体处理，做成一体，如图2所示。但考虑到零件机械加工工艺的可行性、材料及人工成本等诸多因素，实际设计时，多采用两片法兰加一段喇叭口焊接而成。这里即“一大法兰（DN50）一小法兰（DN25）加喇叭口”，如图3所示，连接处焊缝设计根据工艺#高工作压力选取和确定，同样能够达到整体式设计的强度要求，既能满足工艺要求又便于生产制造。图中，D、K、d、f、B、δ以及N-M的尺寸属于标准设计，具体根据法兰公称压力值的不同而设计选取相应数值。L的长度根据两侧螺栓的有效长度确定，以两侧螺栓互不干涉为前提，以方便安装和距离紧凑为宜。
2.2 DN25适配器法兰组件
适配器法兰如图4双点划线框所示，在型式上和过渡法兰比较相似，为了尽可能实现过渡法兰的小型化，shou先对远传变送器的取压法兰进行优化设计，使取压法兰具备既要取压又要连接的双重作用，然后在此基础上设计适配器法兰。
以化工部行业标准HG/T20592-2009 DN50 PN16到DN25 PN16过渡为例，如图5所示，shou先对取压法兰和适配器法兰进行匹配设计，保证两者之间实现可靠连接。其次设计适配器法兰右侧口径为DN50，左侧口径为DN25（26）。然后依据标准手册设计DN25 PN16直接安装法兰。#终根据DN25 PN16压力等级选取短管规格33×3.5，通过计算螺栓有效长度、所需空间长度以及焊缝大小等，确定短管长度取55 mm。
2.3 DN25镶件-法兰
如图6所示，DN25镶件-法兰的设计，就是想办法直接把远传变送器的取压法兰的口径变成DN25。从机械设计原理讲，就是直接把取压法兰及其取压膜片按照DN25设计，就能实现。但如果DN25 这么小的口径还用DN50时的取压膜片（厚度0.04 mm），会导致远传法兰变送器整机性能不能达到技术指标，尤其是温度附加误差很大，这样的远传变送器根本不能使用，因为膜片相对于口竞么说太厚了。如果设计选用与DN25口径相匹配的膜片，其厚度大约0.02 mm，太薄了，目前国内外的焊接技术不能实现该膜片与取压法兰的有效焊接。综上，采取在取压法兰上焊接一个镶件的措施，镶件的入口尺寸和出口尺寸分别为DN25和DN50, 以实现DN50到DN25的有效转接。
图7为DN25镶件-法兰组件装配图，镶件嵌入取压法兰中，连接表面氩弧焊环焊一周，组成镶件-法兰组件。设计时，要注意计算配合尺寸，两者之间为间隙配合，要求配合间隙在0.05～0.15 mm之间，以保证氩弧焊接的有效性。
镶件的内腔和外形尺寸主要结合取压法兰的取压侧统筹考虑，设计起来较为容易。由于薄壁零件焊接时容易变形，镶件的厚度尺寸设计是设计的难点。为了确定镶件的#小厚度尺寸，通过多次焊接试验，结果表明：当镶件总厚度小于4.5 mm时，焊接后镶件密封面变形严重；当镶件总厚度等于5 mm时，焊接后镶件密封面表面几乎无变形，通过打压试验，密封效果良好。故选取镶件总厚度δ=5 mm，考虑到设计的美观，设计成如图8所示的台阶型式。
3 对比分析
过渡法兰没有对取压法兰进行变更设计，仅仅是对安装进行了补充设计，接近于标准化设计。因此，使用它的优势在于设计简单、仪表的整机性能稳定，而缺点在于体积重量大、材料和加工成本高、安装占用空间大，并且当法兰公称压力改变时设计随之改变。适配器法兰对取压法兰进行了二次设计，同时补充设计适配器法兰、短管、直接安装法兰以及相应的密封圈和螺栓螺母，需要设计的零件多而复杂，材料和加工成本较高，其优势在于可以对DN25不同压力等级的法兰进行通用设计，以实现其规格系列化。镶件-法兰组件设计简单，设计的零件少，只需要进行镶件设计和取压法兰变更设计即可完成，成本低，但其弱点在于仪表的整机性能稍差，尤其是死区较大，长期使用会导致取压法兰和镶件之间的空隙留有残渣，甚至影响仪表的响应速度。
对于DN25小口径法兰设计方案的选取，一般在项目评审前期的技术交底中要和用户、设计院两家进行沟通，根据现场工艺条件、对仪表性能指标要求以及用户的实际需求来确定。过渡法兰、适配器法兰和镶件-法兰3种方案可以通过仪表选型中得到体现，必要时加备注说明和强调。实践证明：采用适配器法兰设计实现DN50到DN25口径的转换，远传变送器性能稳定可靠，能够完全满足现场工艺要求，同时设计上可以实现规格系列化，零件通用性强，在一定程度上缩短了交货期，降低了制造成本，建议优先选取这一方案。
4 结语
FCX-AIII系列远传变送器DN25小口径法兰的设计，通常采取的过渡法兰、适配器法兰和镶件-法兰3种方法，都是在DN50法兰的基础上进行的补充设计，三者各有利弊。选取哪种设计方法，主要取决于变送器的现场工艺条件、测量范围、安装位置等因素，以满足用户使用要求为前提，统筹考虑设计系列化、生产标准化、工艺规范化以及成本的低廉化。本文所提出的设计思路及方法，对于FCX-AIII系列远传变送器DN20、DN15等更小口径的法兰研究开发具有推广意义。
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