克服傳統(tǒng)的產品質量評價方法的不足，以DNl00彎管流量計為例，對彎管流量計的動態(tài)質量及其評價指標進行研究。利用有限元分析軟件ANSYS分析現(xiàn)場環(huán)境溫度、管內介質溫度和前后直管段長度對彎管流量計幾何形狀的影響，并得出各工況下的彎管結構尺寸參數及其質量指數的變化規(guī)律?；谟邢拊治龅膹澒芰髁坑媱討B(tài)質量評價系統(tǒng)已在某熱電廠得到應用，并且取得了預期的使用效果。

0.引言

目前，傳統(tǒng)的質量評價理論仍然是產品質量評價的主體，它主要是規(guī)定某個參數的公差范圍，通過判斷該項參數是否落在給定區(qū)間內來評定產品是否合格：如果參數落在給定區(qū)間內，則一律認為產品“合格，否則就不合格。隨著制造技術的不斷提高，和人們消費水平的提高，這種質量評價方法受到了前所未有的挑戰(zhàn)。1996年，Cen Yongting嵋1指出質量具有模糊屬性，而且模糊質量和清晰質量之間可以相互轉換。2006年，Li Chaona提出了產品靜態(tài)質量和動態(tài)質量的概念以及基于模糊數學的產品數字化質量評價體系，認為任何產品的質量都由靜態(tài)質量和動態(tài)質量構成。靜態(tài)質量包括產品的設計質量和制造質量，其中，設計質量指產品的幾何特征參數設計和公差分配等；制造質量指實際制造出的產品與設計指標的符合度。動態(tài)質量指產品在使用過程中受環(huán)境影響所表現(xiàn)出的實時質量。

彎管流量計以結構簡單、維護方便、無附加阻力損失、測量精度高和使用壽命長等優(yōu)點而深受用戶的青睞，在冶金、石油和供熱等行業(yè)獲得了廣泛的應用。對于彎管流量計來說，其質量也包括靜態(tài)質量和動態(tài)質量兩個方面，其中，動態(tài)質量主要是指彎管在使用過程中，由于受到周圍環(huán)境溫度、管內介質溫度和安裝位置等因素的影響而產生的質量變化。

1.彎管流量計測量原理

彎管流量計以標準的90。彎管作為傳感器件，是一種將流體動量轉換成壓力的動壓式流量儀表。根據流體強制旋流理論，當具有一定流速的流體流經彎管時，由于彎曲管壁的導流作用，流體被迫在彎管內作圓周運動而產生慣性離心力。在此離心力的作用下，彎管截面壓力呈不均勻分布，由此在彎管的內外側壁上產生壓力差。經理論研究和試驗分析，管內流體的流速與壓差、流體密度及彎管幾何尺寸有關，即：

式中：穢為流體的平均速度；口為流量系數；尺為彎管的曲率半徑；D為彎管的內徑；R／D為彎管的彎徑比；△p為彎管內外側壁的壓力差；p。為管內流體的密度。、

由此可見，在彎管流量計的幾何結構尺寸確定之后，只要測取流體流經彎管時內外側壁的壓力差和流體密度，就可以確定管道內流體的平均流速，進而計算出流體的流量H“j。

2.彎管流量計變形機理研究

2．1彎管流量計熱應力有限元分析

在實際生產中，不同的約束條件將對彎管流量計的變形產生不同的影響。本文以DNl00彎管流量計為例，并借助ANSYS軟件平臺，采用間接耦合方法，對管內介質溫度、環(huán)境溫度和前后直管段長度對彎管流量計變形所產生的影響進行分析。7J。具體的熱應力分析結果如下。當彎管流量計的環(huán)境溫度正=一30。C、管內介質溫度疋=20℃，以及前后直管段長度L分別為4D(用4D-4D表示前后兩個直管段長度均為4D)、8D(8D．8D)、10D(10D一10D)時，其熱應力形變分析圖分別如圖1、圖2、圖3所示。當彎管流量計的環(huán)境溫度TI=20％、管內介質溫度疋=150％，以及前后直管段長度三分別為40(40-40)、8D(8D．8D)、10D(10D．10D)時，其熱應力形變分析圖分別如圖4、圖5、圖6所示。圖4一圖6中，箭頭表示熱應力產生的方向。由圖1～圖3所示可知，不同直管段長度時彎管流量計熱應力形變***大應力值應為0．234 698、0．406 939、0．419  143。

由圖1、圖4所示可見，在TI=一30℃和疋=20℃的情況下，整個彎管流量計動態(tài)質量評價系統(tǒng)發(fā)生收縮變形，在T，=200C和疋=150。C的情況下則發(fā)生膨脹變形。由于直管段長度尺寸較短，前后直管段長度對彎管的熱變形影響較小。此時，彎管流量計的彎管段上各點的位移不均勻，因此彎管將產生較大且復雜的變形：在正=一300C和疋=200C的情況下，彎管曲率半徑將變小，而內徑的變形非常小，如果忽略內徑的變化，此時彎徑比將變??；在T，=20cC和乃=150℃的情況下，彎管曲率半徑將變大，如仍忽略內徑的變化，則彎徑比將變大，熱應力使彎管形變變大。

 由圖2、圖5所示可見，在8D一8D的情況下，由于彎管流量計直管段長度增加，前后直管段的熱伸長量變大，且向彎管處集中，因此對彎管變形的影響進一步增大。同時，在彎管流量計動態(tài)質量評價系統(tǒng)發(fā)生變形時，彎管段對直管段產生如圖5所示的熱應力，直管段由于彎矩作用將向內側彎曲，而且彎管上各點的位移接近相等，且其變形源于連續(xù)位移，從而減小了對彎管變形復雜程度的影響。

 由圖3、圖6所示可見，10D—IOD彎管流量計在環(huán)境溫度為一30℃或20。C和管內介質溫度為20。C或1500C情況下，當彎管流量計動態(tài)質量評價系統(tǒng)發(fā)生熱變形時，由于受到彎管的反作用，直管段將產生更大的彎曲，并向直管段集中，從而減小了彎管的熱變形，說明溫度對彎管的影響變小。另外，彎管上各點的位移變化進一步縮小，因此彎管的變形將更為理想。

2．2彎管流量計結構尺寸變化研究彎管流量計曲率半徑變化分析如圖7所示，圖7中，分別取直管段上兩點A、B，AC和BE段為管線的直管段(點A、點B固定)，CE段為管線的彎管段，冷態(tài)下管線的直管段與彎管段分別相切于點C、點E，做AC的垂直線與BE的垂直線相交于點0，確立圓心為0。由于溫度變化的影響，彎管發(fā)生形變，同理可確定變形后的圓心為0．，彎管直徑變大，彎管直管段伸長，且均向彎管處集中，彎徑比發(fā)生變化。彎徑比就是彎管的中心曲率半徑與彎管內徑的比值，它是描述彎管幾何特征的重要參數。彎徑比的大小準確地描述了彎管的彎曲程度，隨著彎管彎徑比的增加，彎管的彎曲程度將減小。

為了使問題簡化，對彎管流量計做出如下假設¨J。1)變形后的彎管仍然為圓弧形，與兩側管線分別相切于點C．和點E。。2)變形后，彎管的橫截面仍為圓形且內徑不變。

考慮溫升所引起的熱伸長，彎管的弧長z為：

f=(0．51『+0．5,rrr／AT)R (2)

式中：叼為彎管材料的熱膨脹系數；△r為環(huán)境溫度與管內介質溫度的差值；R為彎管變形前的曲率半徑。

考慮安裝條件的影響，彎管的弧長2’為：

根據式(4)計算，并結合有限元分析結果，可得到不同溫度和安裝條件下DNl00彎管流量計的曲率半徑的比值R’／R與實際彎徑比R’／D，如表1所示

3.彎管流量計動態(tài)質量評價指標

況下，DNl00彎管流量計的質量指數隨著直管段長度的增加而有所降低，而在其他溫度下，質量指數均有所提高，這說明在實際生產中，由于各種因素的影響，彎管流量計的質量將發(fā)生不同程度的改變。

4.結語

目前，彎管流量計已在許多工業(yè)領域得到廣泛應用。應用場合不同，管內介質溫度和外界環(huán)境溫度之間存在很大的差別，而且安裝條件也可能有很大差異。根據動態(tài)質量評價研究的結果，通過對現(xiàn)場應用環(huán)境進行分析，可以判斷出彎管彎徑比的實際變化，當彎管流量計動態(tài)質量評價系統(tǒng)溫度升高時(圖4一圖6對比圖1一圖3應力結果)，彎管殼體之間的不同熱膨脹以及結構相互作用，會使彎管處于高應力狀態(tài)，選取不同彎管彎徑比對彎管撓曲變形有較大影響，圖1一圖3分析結果顯示，彎管流量計熱應力形變***大應力值分別為0．234 698、0．406  939、0．419 143MPa，在相同溫度環(huán)境和管內介質溫度下，彎徑比越大，應力數值越大，反之彎管變曲應力數值變小，其受力狀況好轉。對于彎管流量計動態(tài)質量評價而言，重要的是彎徑比變化，而對于變形方向并無太多考慮，減小彎管變形就是為了減小彎徑比變化，從而選擇***為合適的彎管流量計，而不是簡單地選擇彎徑比***接近于1．5的彎管流量計。這樣既可以降低彎管流量計動態(tài)質量評價系統(tǒng)成本，又能夠降低生產企業(yè)的加工難度，制造出質量***好的產品。也是進行彎管流量計動態(tài)質量評價研究的意義所在。