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展，電磁流量計安全應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力應變。為煤礦井下設備的承壓特性研究提供了理論基礎與分析方法。

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展，相繼進入深部開采[1]。煤礦生產用水一般從地面通過管路系統從地面輸送到工作面，那么大垂深產生的高靜壓對管路系統上的設備的承壓提出了更高的要求。礦井降溫工藝系統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，在國內唐山大方匯中儀表有限公司開發出了礦用隔爆型分體式電磁流量計。電磁流量計應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

電磁流量計所依據的基本原理是法拉第電磁感應定律，

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

流體中產生的感應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，所以信號電壓 Ue 與平均流速 V 成正比。

式中 Ue 為感應電壓；B 為磁感應磁場；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構。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 處的縱向應變為

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）可以得到最大應變與承壓的關系為

式中可以看出，電磁流量計管腔承壓最大應變與其承受的壓力呈線性關系，最大應變出現在管腔的中間，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構尺寸有關，主要的結構尺寸包括管徑和壁厚。流量計的承壓與其結構尺寸管徑和壁厚的關系為

式中 P 為流量計承壓，S 為流量計壁厚，D 為流量計管徑；[s ] 為設計溫度下材料許用應力，E 為調整系數。分析可知，流量計的承壓與管徑呈反比關系，與壁厚成正比關系。當壁厚一定時，流量計的承壓隨著管徑的增大線性減??；當管徑一定時，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，結構尺寸如表 1 所示。為了方便建模，也為了更關注于流量計結構承壓的部分，對其信號處理殼體及其他組成部分進行了簡化，取其結構的一半進行建模。

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 模型基礎上，對流量計法蘭面的螺栓孔施加邊界條件，對流量計的內表面施加10Mpa載荷，得到高承壓電磁流量計von Mises等效應變，如圖5所示。