礦用高承壓電磁流量計承壓特性研究

隨著煤礦開采逐漸向深部發(fā)展，電磁流量計安全應(yīng)用于煤礦取決于其承壓。研究了高承壓電磁流量計的承壓特性。建立了有限元仿真模型，對承壓特性進行了仿真分析，得到了高承壓電磁流量計的應(yīng)力應(yīng)變。為煤礦井下設(shè)備的承壓特性研究提供了理論基礎(chǔ)與分析方法。

1 .引言

隨著淺部煤炭資源的日益枯竭，我國煤礦開采逐漸向深部發(fā)展，相繼進入深部開采[1]。煤礦生產(chǎn)用水一般從地面通過管路系統(tǒng)從地面輸送到工作面，那么大垂深產(chǎn)生的高靜壓對管路系統(tǒng)上的設(shè)備的承壓提出了更高的要求。礦井降溫工藝系統(tǒng)中的冷凍水和冷卻水同樣面臨大垂深帶來的高靜壓。因此，研究高承壓、準確計量的礦用電磁流量計對礦井的安全、高效生產(chǎn)起到重要的作用[2]。

德國 EI 公司研制除了礦用本安型的電磁流量計，在國內(nèi)唐山大方匯中儀表有限公司開發(fā)出了礦用隔爆型分體式電磁流量計。電磁流量計應(yīng)用與煤礦除了解決防爆的問題，在高承壓和井下復雜振動環(huán)境中，對其壓力特性的研究也是重要的問題[3]。

2. 礦用高承壓電磁流量計承壓特性

2.1 電磁流量計原理

電磁流量計所依據(jù)的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，

法拉第電磁感應(yīng)定律是導體周圍變動的磁場使導體中產(chǎn)生電動勢[4]，如圖 1 所示。

流體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢被位于管子徑向兩端的一對電極拾取，該信號電壓 Ue 與磁場強度 B、電極間距 L 和平均流速 V 成正比。而磁場強度 B 和電極距離 D 為常數(shù)，所以信號電壓 Ue 與平均流速 V 成正比。

式中 Ue 為感應(yīng)電壓；B 為磁感應(yīng)磁場；V 為液體流速；

為液體流量；A 為管道截面面積；L 為電極間距。

電磁流量計承壓特性

處于井下高承壓的電磁流量計，其承壓特性主要取決于管腔所用的材料和尺寸結(jié)構(gòu)。管腔中間可以看成一段柔性梁，取其中一段微元進行分析，如圖 2 所示距中性層為 y0 處的縱向應(yīng)變?yōu)?/span>

式中r 為距中性層為 y0 處曲率半徑，Mz 為該截面的彎矩，E 為材料的楊氏模量，Iz 為橫截面對 z 軸慣性矩，慣性矩為I   = bh 3 ，其中 l，b 和 h 分別為柔性梁的長、寬、高。

根據(jù)均勻收壓強的簡支梁最大彎矩如式（4）所示

式中 q 為這微端梁所受的均布載荷。綜合式（3）與式（4）可以得到最大應(yīng)變與承壓的關(guān)系為

式中可以看出，電磁流量計管腔承壓最大應(yīng)變與其承受的壓力呈線性關(guān)系，最大應(yīng)變出現(xiàn)在管腔的中間，同時也是流量計的最大變形處。

礦用高承壓電磁流量計的承壓還與流量計的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，主要的結(jié)構(gòu)尺寸包括管徑和壁厚。流量計的承壓與其結(jié)構(gòu)尺寸管徑和壁厚的關(guān)系為

式中 P 為流量計承壓，S 為流量計壁厚，D 為流量計管徑；[s ] 為設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力，E 為調(diào)整系數(shù)。分析可知，流量計的承壓與管徑呈反比關(guān)系，與壁厚成正比關(guān)系。當壁厚一定時，流量計的承壓隨著管徑的增大線性減?。划敼軓揭欢〞r，流量計的承壓隨著壁厚的增大而線性增大。

3 .有限元仿真與分析

3.1 ANSYS 建模

為了模擬礦用高承壓電磁流量計的承壓特性，以 DN200 的電磁流量計為例對其進行 ANSYS 仿真分析。電磁流量計的二維圖如圖 3 所示，結(jié)構(gòu)尺寸如表 1 所示。為了方便建模，也為了更關(guān)注于流量計結(jié)構(gòu)承壓的部分，對其信號處理殼體及其他組成部分進行了簡化，取其結(jié)構(gòu)的一半進行建模。

3.2 承壓特性分析

模擬井下電磁流量計與地面垂直高差 1000 m，電磁流量計承受的靜壓為 10 MPa。在 ANSYS 模型基礎(chǔ)上，對流量計法蘭面的螺栓孔施加邊界條件，對流量計的內(nèi)表面施加10Mpa載荷，得到高承壓電磁流量計von Mises等效應(yīng)變，如圖5所示。