双法兰差压变送器是工业生产过程中测量液位、密度或界位等应用十分广泛的压力仪表。由差压变送器、毛细管、带密封隔膜双法兰以及内部填充液组成，填充液多数选择硅油或氟油，多用于密封罐体液位的测量。基于静压的测量原理：P=ρgh，液位高度与液体静压成正比的关系，计算出液位高度，并转换为电信号输出。双法兰差压变送器在液位测量时，介质的温度和压力是两个非常关键的因素，尤其是高温高真空工况对仪表测量准确性影响非常大。主要原因是高温高真空下，双法兰变送器的内部填充硅油状态发生了变化，不能有效传压，从而影响了测量准度。例如，在宁夏煤业公司煤制油生产工厂裂化单元减压塔系统中，工艺点温度大于300℃，塔内工作压力为1kPa(abs)。减压塔液位的测量选用双法兰差压变送器，在使用了两个月时间后，就出现了测量不准，误差增大，到最后甚至直接失效，影响了车间生产进程。后期检测发现，高压测法兰的隔离膜片出现鼓包现象。膜片鼓包是硅油汽化结果的表现形式，针对此问题，本文进行了详细的分析研究，并提出解决措施。
1、双法兰差压变送器的制造工艺
根据现场工艺人员了解，此工艺点安装的双法兰差压变送器再生产制造时，已经结合行业经验对高温高真空液位变送器进行了工艺改进。具体措施如下：
①双法兰差压变送器本体选用了高精度单晶硅差压变送器。差压变送器在加装远传部件前，均做过正、负静压(正静压力大于10MPa，负静压力接近-0.1MPa)测试，误差均小于0.5%；
②远传隔膜法兰、毛细管和变送器本体之间均采用焊接式连接，防止外部空气的渗透；
③双法兰差压变送器的远传部件填充液选用耐高温硅油，型号为道康宁DC704硅油；
④接触填充液的结构部件均做了脱气处理，防止原材料的渗透气体挥发。
2、汽化鼓包原因分析
2.1 硅油特性
法兰型压力变送器在高温工况下应选择高温灌充液，行业内多数选择道康宁公司开发的扩散泵DC704硅油。其为无色透明液体，具有卓越的耐热性、耐氧化性。常温下很低的蒸气压，凝固点低，低温下黏度变化小，具有无味、无毒、无腐蚀及化学特性稳定等特点。它的使用温范围0℃～315℃；粘度为9.5mPa.s(25℃)；密度为1.07kg/m3(25℃)；热膨胀系数：0.95×10-3/℃。DC704硅油温压曲线如图1。
图1 道康宁公司DC704硅油温压曲线图
2.2 硅油汽化原因
从硅油的特性可知，当温度升高时，黏度降低，挥发性显著增高，沸点同时降低；当压力降低时，黏度也相应降低。当硅油用于高温高真空工况下，黏度大幅度降低，它的挥发性增大，沸点降低，热膨胀性增大，硅油就会发生汽化，体积膨胀，产生额外附加压力，导致膜片膨胀鼓包。结合减压塔系统液位实际情况：温度大于300℃，塔内工作压力为2kPa(abs)。由图1 DC704硅油饱和温压曲线可以看出，当压力接近1kPa(abs)时，耐温点已经下降至270℃以下，完全不满足现场的温度要求。DC704硅油在高温和负压的双重作用下，特性已经完全发生了变化，汽化和膨胀是必然的。由此说明：双法兰差压变送器的填充液选用高温硅油，在某些高温高真空的工况下使用是不合适的。
3、改进办法与措施
3.1 更换耐高温填充液
硅油作为双法兰差压变送器的填充液，利用液体特性传递压力，但在高温高真空工况下，具有局限性，可以选用镓液态合金作为填充液来代替。镓液态合金的制作方法有很多种，例如杭州龙灿液态金属有限公司报道了多种镓基液态合金的合成方法，如含有65wt%～70wt%的镓(Ga)、17.5wt%～25wt%的铟(In)、5wt%～15wt%的锡(Sn)和0.5wt%～2wt%硒的四元镓基液态合金，其凝固点可低至-30℃；又如含有镓60wt%～80wt%、铟9wt%～22wt%、锡5wt%～18wt%、铋(Bi)0.5wt%～4wt%、银(Ag)0.2wt%～1.5wt%的五元镓基液态合金，其预凝固温度为-15℃～-28℃。此类镓液态合金熔点都低于-15℃，沸点大于1300℃，密度为6.44kg/m3(25℃)，粘度为0.0024mPa.s(25℃)，热膨胀系数在1×10-4/℃～2×10-4/℃之间。镓基液态合金具有非常优异的物理特性，常温下呈液态，有很好流动性。耐温范围在-15℃～1300℃之间。作为金属类极低的热膨胀率，即使在高温高负压下，也不会发生汽化膨胀。它作为填充液，与高温硅油(DC704硅油)相比较，有很大的优势。那么双法兰差压变送器充灌镓基液态合金作为填充液，在高温高真空工况下使用，可以提高测量液位的精度和稳定性。
3.2 结构的优化设计
3.2.1 双隔离传压结构和工艺
常规型双法兰差压变送器属于一体化远传结构，由隔膜法兰、变送器本体、毛细管以及充灌液组成。充灌液腔体较大，如选用镓基液态合金，密度和粘度比硅油大，会带来双法兰差压变送器传压响应时间变长，灵敏度降低，同时填充液的成本也会增加。为了解决此问题，需要对双法兰差压变送器远传部件进行结构优化设计。具体地说，将远传部件的一体式结构改为双隔离分体传压结构(这种结构在昌晖仪表制造有限公司超高温远传差压变送器中成功应用)。结构示意图如图2。
图2 双隔离结构示意图
双隔离结构的组成包括：①隔膜法兰；②镓液态合金；③散热管；④高温隔离座；⑤金属膜片；⑥常温隔离座；⑦高温硅油；⑧毛细管；⑨差压变送器。此方案以差压变送器远传部件高压侧结构进行阐述介绍，低压侧相同。由隔膜法兰、散热管、高温隔离座以及金属膜片构成的密封腔体，内部填充镓基液态合金，简称为高温腔体部件。由常温隔离座、毛细管、差压变送器以及金属膜片构成的密封腔体，内部填充高温硅油，简称为常温腔体部件。隔膜法兰为膜片和承压法兰组成的感测压力敏感元件，直接接触介质。毛细管和散热管属于远传部件腔体充灌液的连接管路。散热管表面呈齿型结构，为增大空间接触面积，有助于提高高温腔体散热效果。高温隔离座和常温隔离座相对连接，圆周夹紧固定金属膜片，相对面为半圆弧状，提供金属膜片受压变形后移动空间。金属膜片为弹性元件，在两个腔体部件之间起到隔离与分体连接的作用，同时还有传递压力的功能。高温腔体的结构设计尽可能小，腔体填充镓液态合金用量少，提高仪表的传压灵敏度。镓液态合金有非常好的耐高温高负压性能，适合传递高温介质压力，但同时介质的高温也会随之传导，影响常温腔体填充液的性能。在结构设计上，增加了散热管进行梯度降温，确保传递到金属膜片端的温度小于150℃以下。此温度完全低于高温硅油（优选DC704）在高负压下耐温范围。散热管的长度根据介质的高温热传导的衰减程度而确定，一般长度为150mm～250mm之间。常温腔体内充灌高温硅油（优选DC704），用于中继传导金属膜片所传递高温腔体部件的介质压力。毛细管长度根据高、低压侧隔膜法兰的间距和安装位置而定。
3.2.2 超高温远传差压变送器远传结构测压原理
超高温远传差压变送器远传结构测压原理：高温介质分别通过高、低压侧的隔膜法兰和高温腔体内部充灌的镓基液态合金传递给金属膜片，金属膜片受压变形后，通过常温腔体内部充灌的硅油传递给差压变送器本体，变送器将差压值转换为电信号输出。双法兰差压变送器的高低压端远传系统，从结构设计和材料选用上都完全相同，温度影响量可以达到平衡状态，从而提高了仪表测量的稳定性。
4、现场使用验证
经过改进后的超高温远传差压变送器，已在宁夏煤业煤制油裂化单元减压塔系统中再次使用，工艺点温度在300℃～350℃之间，塔内工作压力为1kPa(abs)，液位高度位在1.5mm～2mm之间。投用后，变送器输出的液位信号稳定，与罐体磁翻板液位保持一致。目前已经运行一年之久，没有出现过问题。由此证明，改进后的超高温远传差压变送器是可以长久用在高温高真空工况下的。
5、总结
双法兰差压变送器作为液位测量仪表，在高温高真空工况下大部分都会出现失效故障。本文详细分析了失效原因：远传部件的填充液选用高温硅油(DC704)，在高温负压下容易发生汽化现象，导致仪表测量故障。改进措施：选用耐高温高负压的镓液态合金代替高温硅油作为填充液；远传部件采用双隔离传压结构设计，配合相应的制造工艺。改进后的超高温远传差压变送器在现场应用的实践证明，设计方案是可行的，可以在高温高真空工况场景推广使用。
作者：郝正宏(从事单晶硅压力变送器及远传产品的研发工作)
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