防腐保溫管塑料擠出技術研究*

王禮翔

(中國石油天然氣股份有限公司 西南油氣田分公司成都天然氣化工總廠，四川 成都 610213)

0 引 言

保溫管是絕熱管道的簡稱，保溫管用于液體、氣體及其他介質的輸送，用在石油、化工、航天、軍事、集中供熱、中央空調、市政等管道的絕熱保溫工程。防腐管是指經過防腐工藝加工處理，可有效防止或減緩在運輸與使用過程中發(fā)生化學或電化學反應發(fā)生腐蝕現象的管道[1]。因此防腐保溫管在國內主要用于石油化工、天然氣、污水處理、水源、橋梁等管道工程領域，有重要的作用。

在單螺桿擠出中，固體輸送量決定擠出機的產量，且固體輸送段消耗的功率大，甚至達到整根螺桿消耗功率的60%左右。單螺桿擠出機固體輸送段的性能直接決定了單螺桿擠出機的擠出質量和生產效率。螺桿擠出機固體輸送理論的研究還沒有形成系統(tǒng)的方法和技術，不能夠實現物料高效低能耗輸送、高質量塑化效果[2]。

目前的研究目標是實現物料高效、低能耗輸送同時實現高質量塑化，滿足油田快速建設需要的同時提高防腐層的強度。

1 擠出成型技術研究

1.1 擠出過程概述

高聚物有三種存在形式：玻璃態(tài)，黏流態(tài)，高彈態(tài)。塑料的擠出是在黏流態(tài)中進行的。物料由料斗進入料筒，被旋轉擠壓進機頭方向，加料段，螺槽被松散的固體粒子填充，物料被壓實；進入壓縮段，螺槽變淺，物料在阻力下形成很高的壓力，開始被壓實，此時，料筒外熱，螺桿，物料的混合，剪切作用所產生的內摩擦作用，物料溫度上升。當塑料溫度達到黏流溫度，開始熔融。這時候物料繼續(xù)被向前推進，物料量增加，大約壓縮段快要結束之時，物料全部變?yōu)轲ち鲬B(tài)，此時溫度不均勻，要經過均化段變均勻。最后，物料被螺桿定量，定壓，定溫的擠壓進機頭[3-6]。機頭中的口模使得物料以一定的尺寸和形狀成型。

1.2 固體輸送理論

此處介紹運用廣泛的固體對固體的靜摩擦力平衡的輸送理論。假定螺槽中壓實的物料像固體塞子在運動，塞子跟所有面接觸。螺桿與料筒表面取不同的摩擦系數，忽略料筒與螺棱的間隙，螺槽是矩形的，深度不變，固體塞子的密度不變。如圖1為固體塞運動模型。

2 T形機頭流道設計

為表征擠出片材的厚薄均勻程度，可以將熔體在歧管封閉端單位寬度的體積流量，與其入口端單位寬度的體積流量之比，定義為流動均勻指數UI，則有

UI=

式中：UI為流動均勻性指數；n為材料函數；a=h/R；b=B/R；c=B/L。

方程說明，T形機頭擠出板材的不均勻性，是材料函數n和流道幾何參數a，b，c的復雜函數，而與塑料熔體的粘度無關。就其影響程度來看，以流道幾何參數a=h/R為最大，b=B/R最小，c=B/L居中。通常，可以取B=50～100 cm,R=2 ～5 cm,L=5～7 cm進行預算內，直至UI≥0.95為止。圖2是T型機頭模型。

圖1 固體塞運動模型 圖2 T型機頭模型

入口區(qū)，歧管區(qū)，口模區(qū)，其主要參數設計原則：

入口直徑d，一般取30～80 mm，一般機頭會考慮d>35 mm。本研究選擇d=40 mm

縫隙長L，一般為擠出產品厚度的20～30倍，L越大，會使得擠出末端的阻力越大，物料和壓力的分布會越均勻，使得產品表面光滑。

根據青島大倉防腐管道生產有限公司生產工藝，擠出PE的擠出機機頭的寬度B可取1 000 mm。

基于參數設計原則，設計的三種方案中入口區(qū)，歧管區(qū)，口模區(qū)主要參數如表1所列。

表1 入口區(qū)，歧管區(qū)，口模區(qū)的主要參數

上述方案中選取材料函數n為1，則計算得流動均勻指數UI分別為：方案一UI=0.947 24，方案二UI=0.971 53，方案三UI=0.985 305。

3 機頭流動有限元仿真

3.1 機頭三維模型

在用Ansys對機頭進行有限元分析之前，已經對機頭的具體參數進行了選擇以及簡單設計，通過三種T形機頭尺寸，對流道流體的速度以及壓力進行流場仿真分析。通過流動均勻性比對，選擇出經濟，擠出板材質量好的機頭尺寸模型[7]。

3.2 網格劃分

因為T形機頭的結構對稱性，只研究其對稱的1/4模型進行計算與分析，使用四面體網格劃分方法，將流道進行網格劃分。在壁面邊界和幾何突變部位使用較小的網格來保證計算精度[8]。本模型采用FLUENT自帶的網格劃分方法，發(fā)現FLUENT自帶的網格劃分方法在劃分時間和計算時間上較優(yōu)。這是因為本模型結構簡單不復雜的原因。在網格查質量的查看項目中，可以看到網格質量。圖4的網格有23 047個節(jié)點，95 465個單元，平均網格質量為0.796，Min：0.105，Max：0.9999，整體質量滿足要求。

圖3 機頭三維模型 圖4 FLUENT自帶的 網格劃分

3.3 邊界條件

邊界有入口面IN，速度為0.1 m/s，溫度為200 ℃即為473.15 K。出口面OUT，類型type為outflow。對稱面一DUICHEN1和對稱面二DUICHEN2其余邊界面WALL。固體壁面和對稱面symmetry均采用速度分量為0的無滑移邊界[9]。其界面圖如圖5所示。

3.4 物性參數

選取高密度聚乙烯HDPE(ethylene)為材料擠出，物性參數：比熱容Cp=1 800 J/kg·k，密度ρ=850 kg/m3，導熱系數λ=0.3 w/m·k，非牛頓流體參數的粘度viscosity設置界面如圖6所示。

圖5 邊界條件設置工作圖 圖6 物性參數設置

3.5 求解器設置

FLUENT有四種耦合的方式：SIMPLE算法:默認算法，非常穩(wěn)健，適合于大多數模型，如紊流。SIMPLEC算法:對于簡單問題，收斂比較快，比如層流。PISO算法：對于非穩(wěn)態(tài)流動和高扭曲度網格相當適用[10]。FSM算法：對非穩(wěn)態(tài)問題和NITA合用，類似于PISO。本模型壓力速度耦合方式采用SIMPLEC算法。如圖7，且在General中設置Type為Pressure-Based，為壓力基耦合求解器。

圖7 求解器設置

3.6 初始化及收斂計算

FLUENT要求所有的求解變量有相關的初始值，一般在計算前需要進行初始化處理，如圖8，在設置完成計算步數設置后，可選擇點擊Check Case項，發(fā)現常見錯誤設置和不一致性，給予參數和模型的指導。

計算收斂性需要滿足的是所有的離散動量守恒，能量守恒方程和一些標量要在所有的單元中滿足指定的誤差或者結果隨著計算不再改變。使用殘差歷史曲線來檢測收斂，一般情形下，殘差下降三個量級表示至少達到定性的收斂，流場的主要基本特征已經形成了。并且壓力基求解器的能量殘差值要下降到10-6，組分殘差應下降至10-5。檢測定量收斂，需要監(jiān)測一些關鍵物理量來保證全局的能量守恒，質量守恒和組分守恒。

對于某種病態(tài)問題，質量比較差些的網格或者不適合的求解設置，都會出現數值的不穩(wěn)定。這種表現就是殘差曲線的上升或者下降，發(fā)散就說明守恒方程的不平衡增加，沒有收斂的結果將會誤導操縱者。有些方法可以解決問題。確保問題有物理的合理性，對一階離散格式計算一個出場。對壓力基求解器，減少發(fā)散方程的松弛因子。圖9為對于由于網格質量差引起的要加密網格。那如果流場仿真出來的結果看似不合理，則需要考慮物理模型或者邊界條件的設置，網格質量差時有必要重新劃分，修改邊界條件和域的位置，不充分的邊界對結果精度影響比較大。

圖8 計算初始化 圖9 方案控制界面

4 仿真結果分析

4.1 速度場分析

圖10是第一組模擬計算所得的口模對稱面上的速度分布云圖。圖11是第二組機頭模型的速度分布圖。圖12是第三組機頭模型的速度分布圖。通過圖像，可以得到如下結論，熔體從歧管流出時的速度并不均勻，但是通過狹縫時候，由于狹縫的阻尼作用，熔體速度沿著橫向的分布逐漸就變均勻了。第三組比第二組在唇膜的流動更加均勻平緩，第二組又比第一組平緩。

圖10 對稱面上的速度分布云圖(第一組)

圖11 對稱面上的速度分布云圖(第二組)

圖12 對稱面上的速度分布云圖(第三組)

看得出來，隨著遠離對稱面，歧管內熔體的最大速度由歧管中心移到和狹縫的交界處，歧管中的最大流速也越來越小。

4.2 壓力場分析

圖13～15分別是三組方案口模的對稱面上的壓力分布。也可得到如下結論，歧管中的壓力沿著熔體流動的方向逐漸下降，狹縫中的熔u壓力依然有著相似的規(guī)律。歧管中壓力降低的比較小，但是在狹縫中壓力降低的卻很大。另外，狹縫中的等壓線基本平行于口模的出口，在口模封閉的末端附近也為發(fā)現壓力的突變?？梢钥闯龅谌M壓力分布過度的更平緩。

圖13 口模的對稱面上的壓力分布(第一組)

圖14 口模的對稱面上的壓力分布(第二組)

圖15 口模的對稱面上的壓力分布(第三組)

4.3 溫度場分析

圖16是溫度的對稱面上的壓力分布。也可得到如下結論，由于唇膜尺寸小的原因，擠出的不均性，溫度的分布也不均勻。越靠近機頭的右端物料擠出量越低，顯然溫度也比較低。三組方案的溫度場圖像差別不大，這里僅發(fā)布一組圖像。

4.4 優(yōu)選結果

根據FLUENT得到的仿真結果，可得到速度場分布，壓力場分布，溫度場分布圖像，通過三種方案得到

的圖像進行對比，發(fā)現第三組的機頭參數模型獲得的機頭擠出流動過程更加均勻平穩(wěn)，這也與通過式(1)計算得到的流動均勻指數UI計算結果相吻合。所以，本研究所要優(yōu)選的結構尺寸參數即為方案三的參數。

圖16 口模的對稱面上的溫度分布

5 結 語

(1) 在對本T型機頭中熔體流動現象進行了有限元仿真分析，可以全面了解機頭內熔體的流動過程，對機頭設計有一定的指導作用。

(2) 將仿真得到的機頭內流場分布情況與已有的相關文獻中機頭內流場分布進行比對，證明了所建的機頭模型準確性和合理性。

(3) 采用不同尺寸參數的機頭模型流場分析對比，可找到比較優(yōu)化的機頭模型尺寸，該過程的比對是合理的。

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