弯管流量计动态质量评价研究

克服传统的产品质量评价方法的不足，以DNl00弯管流量计为例，对弯管流量计的动态质量及其评价指标进行研究。利用有限元分析软件ANSYS分析现场环境温度、管内介质温度和前后直管段长度对弯管流量计几何形状的影响，并得出各工况下的弯管结构尺寸参数及其质量指数的变化规律。基于有限元分析的弯管流量计动态质量评价系统已在某热电厂得到应用，并且取得了预期的使用效果。

0.引言

目前，传统的质量评价理论仍然是产品质量评价的主体，它主要是规定某个参数的公差范围，通过判断该项参数是否落在给定区间内来评定产品是否合格：如果参数落在给定区间内，则一律认为产品“合格，否则就不合格。随着制造技术的不断提高，和人们消费水平的提高，这种质量评价方法受到了前所未有的挑战。1996年，Cen Yongting嵋1指出质量具有模糊属性，而且模糊质量和清晰质量之间可以相互转换。2006年，Li Chaona提出了产品静态质量和动态质量的概念以及基于模糊数学的产品数字化质量评价体系，认为任何产品的质量都由静态质量和动态质量构成。静态质量包括产品的设计质量和制造质量，其中，设计质量指产品的几何特征参数设计和公差分配等；制造质量指实际制造出的产品与设计指标的符合度。动态质量指产品在使用过程中受环境影响所表现出的实时质量。

弯管流量计以结构简单、维护方便、无附加阻力损失、测量精度高和使用寿命长等优点而深受用户的青睐，在冶金、石油和供热等行业获得了广泛的应用。对于弯管流量计来说，其质量也包括静态质量和动态质量两个方面，其中，动态质量主要是指弯管在使用过程中，由于受到周围环境温度、管内介质温度和安装位置等因素的影响而产生的质量变化。

1.弯管流量计测量原理

弯管流量计以标准的90。弯管作为传感器件，是一种将流体动量转换成压力的动压式流量仪表。根据流体强制旋流理论，当具有一定流速的流体流经弯管时，由于弯曲管壁的导流作用，流体被迫在弯管内作圆周运动而产生惯性离心力。在此离心力的作用下，弯管截面压力呈不均匀分布，由此在弯管的内外侧壁上产生压力差。经理论研究和试验分析，管内流体的流速与压差、流体密度及弯管几何尺寸有关，即：

式中：秽为流体的平均速度；口为流量系数；尺为弯管的曲率半径；D为弯管的内径；R／D为弯管的弯径比；△p为弯管内外侧壁的压力差；p。为管内流体的密度。、

由此可见，在弯管流量计的几何结构尺寸确定之后，只要测取流体流经弯管时内外侧壁的压力差和流体密度，就可以确定管道内流体的平均流速，进而计算出流体的流量H“j。

2.弯管流量计变形机理研究

2．1弯管流量计热应力有限元分析

在实际生产中，不同的约束条件将对弯管流量计的变形产生不同的影响。本文以DNl00弯管流量计为例，并借助ANSYS软件平台，采用间接耦合方法，对管内介质温度、环境温度和前后直管段长度对弯管流量计变形所产生的影响进行分析。7J。具体的热应力分析结果如下。当弯管流量计的环境温度正=一30。C、管内介质温度疋=20℃，以及前后直管段长度L分别为4D(用4D-4D表示前后两个直管段长度均为4D)、8D(8D．8D)、10D(10D一10D)时，其热应力形变分析图分别如图1、图2、图3所示。当弯管流量计的环境温度TI=20％、管内介质温度疋=150％，以及前后直管段长度三分别为40(40-40)、8D(8D．8D)、10D(10D．10D)时，其热应力形变分析图分别如图4、图5、图6所示。图4一图6中，箭头表示热应力产生的方向。由图1～图3所示可知，不同直管段长度时弯管流量计热应力形变***大应力值应为0．234 698、0．406 939、0．419  143。

由图1、图4所示可见，在TI=一30℃和疋=20℃的情况下，整个弯管流量计动态质量评价系统发生收缩变形，在T，=200C和疋=150。C的情况下则发生膨胀变形。由于直管段长度尺寸较短，前后直管段长度对弯管的热变形影响较小。此时，弯管流量计的弯管段上各点的位移不均匀，因此弯管将产生较大且复杂的变形：在正=一300C和疋=200C的情况下，弯管曲率半径将变小，而内径的变形非常小，如果忽略内径的变化，此时弯径比将变小；在T，=20cC和乃=150℃的情况下，弯管曲率半径将变大，如仍忽略内径的变化，则弯径比将变大，热应力使弯管形变变大。

 由图2、图5所示可见，在8D一8D的情况下，由于弯管流量计直管段长度增加，前后直管段的热伸长量变大，且向弯管处集中，因此对弯管变形的影响进一步增大。同时，在弯管流量计动态质量评价系统发生变形时，弯管段对直管段产生如图5所示的热应力，直管段由于弯矩作用将向内侧弯曲，而且弯管上各点的位移接近相等，且其变形源于连续位移，从而减小了对弯管变形复杂程度的影响。

 由图3、图6所示可见，10D—IOD弯管流量计在环境温度为一30℃或20。C和管内介质温度为20。C或1500C情况下，当弯管流量计动态质量评价系统发生热变形时，由于受到弯管的反作用，直管段将产生更大的弯曲，并向直管段集中，从而减小了弯管的热变形，说明温度对弯管的影响变小。另外，弯管上各点的位移变化进一步缩小，因此弯管的变形将更为理想。

2．2弯管流量计结构尺寸变化研究弯管流量计曲率半径变化分析如图7所示，图7中，分别取直管段上两点A、B，AC和BE段为管线的直管段(点A、点B固定)，CE段为管线的弯管段，冷态下管线的直管段与弯管段分别相切于点C、点E，做AC的垂直线与BE的垂直线相交于点0，确立圆心为0。由于温度变化的影响，弯管发生形变，同理可确定变形后的圆心为0．，弯管直径变大，弯管直管段伸长，且均向弯管处集中，弯径比发生变化。弯径比就是弯管的中心曲率半径与弯管内径的比值，它是描述弯管几何特征的重要参数。弯径比的大小准确地描述了弯管的弯曲程度，随着弯管弯径比的增加，弯管的弯曲程度将减小。

为了使问题简化，对弯管流量计做出如下假设¨J。1)变形后的弯管仍然为圆弧形，与两侧管线分别相切于点C．和点E。。2)变形后，弯管的横截面仍为圆形且内径不变。

考虑温升所引起的热伸长，弯管的弧长z为：

f=(0．51『+0．5,rrr／AT)R (2)

式中：叼为弯管材料的热膨胀系数；△r为环境温度与管内介质温度的差值；R为弯管变形前的曲率半径。

考虑安装条件的影响，弯管的弧长2’为：

根据式(4)计算，并结合有限元分析结果，可得到不同温度和安装条件下DNl00弯管流量计的曲率半径的比值R’／R与实际弯径比R’／D，如表1所示

3.弯管流量计动态质量评价指标

况下，DNl00弯管流量计的质量指数随着直管段长度的增加而有所降低，而在其他温度下，质量指数均有所提高，这说明在实际生产中，由于各种因素的影响，弯管流量计的质量将发生不同程度的改变。

4.结语

目前，弯管流量计已在许多工业领域得到广泛应用。应用场合不同，管内介质温度和外界环境温度之间存在很大的差别，而且安装条件也可能有很大差异。根据动态质量评价研究的结果，通过对现场应用环境进行分析，可以判断出弯管弯径比的实际变化，当弯管流量计动态质量评价系统温度升高时(图4一图6对比图1一图3应力结果)，弯管壳体之间的不同热膨胀以及结构相互作用，会使弯管处于高应力状态，选取不同弯管弯径比对弯管挠曲变形有较大影响，图1一图3分析结果显示，弯管流量计热应力形变***大应力值分别为0．234 698、0．406  939、0．419 143MPa，在相同温度环境和管内介质温度下，弯径比越大，应力数值越大，反之弯管变曲应力数值变小，其受力状况好转。对于弯管流量计动态质量评价而言，重要的是弯径比变化，而对于变形方向并无太多考虑，减小弯管变形就是为了减小弯径比变化，从而选择***为合适的弯管流量计，而不是简单地选择弯径比***接近于1．5的弯管流量计。这样既可以降低弯管流量计动态质量评价系统成本，又能够降低生产企业的加工难度，制造出质量***好的产品。也是进行弯管流量计动态质量评价研究的意义所在。