重載化工流程泵在高溫高壓下的結構熱力耦合分析及優(yōu)化

葛雅馨

摘? ?要：在化工和石油行業(yè)發(fā)展中，往往會將重載化工的流程泵當作流程的用泵，一般常用在高溫和高壓流體環(huán)境中，較易導致泵出現(xiàn)振動、汽蝕、噪音、泄漏、變形等情況，需做好對泵結構的科學設計。就重載化工流程泵在高溫高壓下的結構熱力耦合進行分析，提出一定的優(yōu)化措施，從而保證其在實際的應用中發(fā)揮更高的價值。

關鍵詞：重載化工流程泵;高溫高壓;熱力耦合;優(yōu)化措施

重載化工流程泵工作的環(huán)境和條件較復雜，為保證其能正常地運轉和生產(chǎn)，對泵的結構要求十分嚴格。因此，這就需做好對重載化工流程泵在高溫高壓下結構熱力耦合的分析及優(yōu)化。本課題圍繞某重載化工的流程泵，針對高溫高壓條件下結構的熱力耦合，采用ANSYS有限元的仿真分析方法對其進行了具體的分析，實現(xiàn)了對重載化工流程泵的優(yōu)化設計和性能改進。

1? ? 重載化工流程泵軸承架的傳熱特性分析及優(yōu)化

本課題以某型重載化工流程泵軸承架當作案例研究，因軸承架和輸送介質(zhì)是不接觸且遠離的，材料選擇ZG240-450鑄鋼，成本較低且結構的強度也滿足要求。先對原泵的表面不帶筋板軸承架實施計算和分析，后對不同的3種類型軸承架實施設計與優(yōu)化處理，泵結構主要有如下特征：泵結構表面帶有筋板，并且在泵蓋端位置處配備有冷卻腔，在傳動端配備有強制性對流風扇。

1.1? 有限元熱力耦合分析法概述

此方法實際是對熱與應力兩物理場間相互作用的問題進行分析。此方法和單物理場分析不同，在ANSYS有限元的仿真分析相應軟件中，主要有直接法與間接法兩種類型分析法。對于直接法而言，主要是通過在相關軟件的幫助下，實現(xiàn)對結構熱與結構進行應力分析，獲取相應結果。該方法在實際進行熱應力分析時，充分利用各種耦合單元，比如熱與應力的耦合，熱、應力與電的耦合，熱、應力與磁耦合等。而從間接法實施過程來看，則是通過在常規(guī)性的熱單元幫助下，實現(xiàn)對結構的熱性能分析，然后圍繞熱單元，進行進一步轉換，使其變?yōu)轫憫越Y構單元類型，并把所求節(jié)點實際溫度在模型內(nèi)當作載荷進行施加，再對結構應力進行分析[1]。

1.2? 三維建模和優(yōu)化處理

將二維的設計圖置于三維的軟件（如UG）中進行建模處理后，對模型進行適當?shù)膬?yōu)化與處理，比如，進行小片面的合并及小臺階與小倒角的去除等。其中一種表面帶有筋板類型軸承架的三維結構如圖1所示。

1.3? 網(wǎng)格的劃分

在完成三維的模型建立后，直接導入計算機工程與計算制造（Integrated Computer Engineering and Manufacturing，ICEM）軟件中，完成網(wǎng)格的劃分。在劃分過程中，還需要進行復雜的計算才能完成，為進一步簡化這種方式，可通過利用全四面體類型非結構化的網(wǎng)格完成網(wǎng)格劃分。同時，針對關鍵性部位，可以利用加密性網(wǎng)格進行妥善處理。一種表面帶有筋板軸承架網(wǎng)格劃分狀況如圖2所示。

1.4? 模型材料設置

泵軸承架材料選用ZG240-450鑄鋼，密度是7 750 kg/m3，彈性的模量是2E+11、泊松比為0.284，熱膨脹的系數(shù)為1.02e-05C-1。在其他的材料性能中，據(jù)其軟件系統(tǒng)的缺省值進行設置，還可對相關資料查閱來重新進行定義[2]。

1.5? 對模型邊界的條件、計算變量的設置和計算結果進行分析

在實際進行熱分析時，涉及導熱的系數(shù)λ以及對流換熱的系數(shù)h兩項關鍵參數(shù)。導熱系數(shù)為通過實驗所獲得物質(zhì)性的常數(shù)，與溫度以及壓力等參數(shù)具有密切關系。而對于流換熱的系數(shù)而言，一般在單位時間及面積中，換熱量與總溫差兩個參數(shù)之間具有比例常數(shù)關系。在物體表面的附近區(qū)域內(nèi)，流體流速越大，則表面的換熱系數(shù)越大。

設置泵送常溫介質(zhì)并確定原泵表面軸承架邊界條件，一般在軸承位置處，溫度載荷為60 ℃左右，在冷卻油的集油腔位置處，通常溫度載荷為25 ℃，這一溫度與室溫基本相同。對于軸承架全部外表面，傳熱給定的系數(shù)是15 W/m2·K。分析可知，流體內(nèi)熱量多是借助冷卻室內(nèi)的冷卻油帶走的，發(fā)生在軸承架的表面部位的散熱則是較少的。

泵額定的揚程保持不變，因此軸承架受力若不變，對泵送的介質(zhì)溫度進行改變，隨介質(zhì)的溫度增加，軸承架熱通量逐漸呈現(xiàn)線性的增加，約為200 ℃，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。如后軸承架不能快速進行散熱的話，就會造成軸承溫度迅速提升的情況，進而使材料出現(xiàn)變性而失去效果，因此，此軸承架就不適合在溫度超過200 ℃介質(zhì)的工況下運行[3]。

在設置泵送常溫介質(zhì)并確定原泵表面軸承架邊界條件時，一般在軸承位置處，溫度載荷為60 ℃左右，在冷卻油的集油腔位置處，通常溫度載荷為25 ℃，這一溫度與室溫基本相同。針對軸承架全部外表面，傳熱給定的系數(shù)是15 W/m2·K。

通過和無筋板時計算的結果進行對比，軸承架最低的溫度呈現(xiàn)更低的狀態(tài)，且軸承架的上部同筋板接近區(qū)域具有的溫度也呈現(xiàn)相對較低情況。按照熱通量實際分布情況分析，軸承架的冷卻腔有著最大值熱通量，且要比在沒有筋板時要小，則需使用冷卻油帶走的熱量就會更小，同時熱負荷也會更小。針對沒有筋板以及有筋板類型軸承架其模型進行計算分析，若加載方式具有相同性，則有筋類型軸承架具有更好散熱的效果。

隨介質(zhì)的溫度逐漸增加，軸承架具有的熱通量也呈現(xiàn)出線性逐漸增加的趨勢，在約為200 ℃時趨于穩(wěn)定狀態(tài)，后軸承架就不能快速實施散熱，進而造成軸承出現(xiàn)溫度迅速增加的情況，很容易導致材料發(fā)生變性而失效，為了更好地對高溫工況條件下軸承架不能快速散熱問題進行解決，繼續(xù)進行優(yōu)化。

在泵送高溫的介質(zhì)時，介質(zhì)溫度為300 ℃，則介質(zhì)溫度傳遞至軸承架的端面上有200 ℃溫度。進行優(yōu)化時于泵蓋端位置還需要實施冷卻腔設計，且在邊界條件下其軸承位的溫度載荷是60 ℃、冷卻油的集油腔體溫度的載荷是25 ℃、室溫是25 ℃，在對軸承架全部外表面的空氣在自然對流條件下對傳熱的系數(shù)給定是16 W/m2·K。在軸承架與泵蓋接觸面位置處，溫度載荷是200 ℃值，需要添加冷卻水，避免載荷溫度過高。對軸承架法蘭位置的溫度載荷應與室溫持平（25 ℃）。

隨著介質(zhì)的溫度提升，軸承架熱通量也隨之提升，并且從熱通量增加量來看，相較于上述兩種類型軸承架，速度增快了幾十倍。在介質(zhì)300 ℃溫度中，軸承架是能夠進行安全運行的，而于300～450 ℃的范圍中，其增加量呈現(xiàn)變緩趨勢，這也說明在更高溫的工況中還需對軸承架實施改善處理[4]。

通過泵對高溫介質(zhì)實施輸送中，在介質(zhì)的溫度超過了300 ℃時，介質(zhì)溫度傳遞至軸承架其端面位置約有200 ℃。對上述情況進行優(yōu)化時，在傳動端的一側，通過設置一個對流風扇，并做好邊界條件控制。在軸承位處，溫度的載荷一般在60 ℃，而在集油腔體內(nèi)，溫度荷載與室溫相同，一般在25 ℃左右。針對軸承架外表面，空氣強制性對流傳熱的系數(shù)一般為250 W/m2·K，在軸承架與泵蓋接觸面位置處，溫度載荷是200 ℃，需要通過添加冷卻水，避免載荷溫度過高。軸承架法蘭位置溫度載荷應與室溫持平（25 ℃）。

隨介質(zhì)的溫度呈現(xiàn)逐漸增加的狀態(tài)，軸承架熱通量情況呈現(xiàn)線性增加，且增加量要比前3種類型軸承架都要快很多，軸承和軸承架溫度也呈現(xiàn)更低情況。若介質(zhì)溫度為300 ℃條件下，軸承架還能安全運行，而在450 ℃其增加量還較快，這也表明在更高的溫度工況中，軸承架的散熱效果仍然很好[5]。

2? ? 重載化工流程泵泵軸熱力耦合的強度與疲勞壽命的分析和優(yōu)化

2.1? 對三維建模和優(yōu)化處理

以二維圖紙設計為依據(jù)，在三維軟件的幫助下，對圖紙進行數(shù)字化處理，完成3D建模，最終獲得的泵軸結構如圖3所示。

2.2? 網(wǎng)格劃分

完成三維的模型建立后，直接導入ICEM軟件中，完成網(wǎng)格的劃分。在劃分過程中，還需要進行復雜的計算，為進一步簡化這種方式，可通過利用全四面體類型非結構化的網(wǎng)格，完成劃分。同時，針對關鍵性部位，可以利用加密性網(wǎng)格進行妥善處理。泵軸網(wǎng)格的實際情況如圖4所示。

2.3? 對模型材料進行設置

泵軸在選擇中，使用20 Cr13的結構鋼，密度為7 750 kg/m3，彈性的模量為2.23E+11，泊松比為0.297，σa=500 MPa，σb=650 MPa。對于其他材料而言，在參數(shù)性能方面，則是以系統(tǒng)實際缺省值為依據(jù)，完成具體數(shù)值的設置，并通過查閱相關材料，完成相應內(nèi)容定義。

2.4? 對模型邊界的條件以及計算變量進行設置

泵軸轉速設置為1 495 r/min，聯(lián)軸器最大扭力16 515 kN，在葉輪位置處，最大扭反力為14 525 kN。在葉輪垂直的方向，最大受力為313 kN，是重力與徑向力的總和。兩軸承支反力分別是114 kN與850 kN。在葉輪側端面，溫度為200 ℃[6]。

2.5? 模擬性計算以及對數(shù)據(jù)結果的提取與分析

軸系于額定的載荷條件下會產(chǎn)生變形，主要是于葉輪的一側發(fā)生，最大的變形量約是0.12 mm;而軸系應力主要于鍵槽與軸階的倒角位置進行集中，最大的應力約是366 MPa，比Cr13要求許用的應力還要低。因此，此載荷并不會造成泵軸發(fā)生斷裂情況，若要進一步提高安全性系數(shù)，可對上述薄弱的部位泵軸實施優(yōu)化。

在對泵軸的前六階相應固有性頻率分析中，可知泵額定轉數(shù)是14 870 r/min，因此，泵軸是不會受到共振的破壞的。

在應力載荷循環(huán)的次數(shù)是105，所對應疲勞的極限為σ-1=540 MPa;在應力載荷循環(huán)的次數(shù)是107，所對應疲勞的極限是σ-1=393 MPa。應力越小，其運行的壽命就會越長，于最大的應力值364 MPa條件下進行25 000 h的運行也不會達到疲勞極限。因此，此泵軸符合設計要求。

2.6? 泵軸結構的優(yōu)化

據(jù)以上對泵軸結構的強度與疲勞壽命進行分析和評估得知，此泵軸滿足了要求，如想繼續(xù)加強泵軸使用的安全性，要對泵軸的結構改進設計，可通過對軸端懸臂比及軸階倒角進行進一步的優(yōu)化。

3? ? 重載化工流程泵泵體與泵蓋結構的熱力耦合和分析和優(yōu)化

3.1? 進行三維建模和優(yōu)化

按照二維設計的圖紙要求，通過UG三維的軟件實施建模處理。針對泵體以及泵蓋等實施三維模型的建立，對泵相應進出口的管路及機封的腔體實施優(yōu)化和處理。

3.2? 網(wǎng)格的劃分

在完成三維模型建立后，需要將其導入相應軟件中，然后進行分區(qū)處理，以更好地進行網(wǎng)格劃分。在獨立分片算法的幫助下，針對泵體與泵蓋，能夠實現(xiàn)四面體類型非結構性的網(wǎng)格劃分;針對管路，可以進行六面體的結構網(wǎng)格劃分;針對關鍵性部位，可以實施局部加密處理。

3.3? 對模型材料進行設置

針對泵體、進出口的管路及泵蓋等，使用1.431 7的不銹鋼，密度是7 741 kg/m3，彈性的模量是2.23E+11，泊松比是0.284，熱膨脹的系數(shù)是1.02e-5C-1。在螺栓和與螺母材質(zhì)選擇上，可采用42 CrMo的結構鋼。而對于其他材料而言，在參數(shù)性能方面，則是以系統(tǒng)實際缺省值為依據(jù)，完成具體數(shù)值設置，并通過查閱相關材料完成相應內(nèi)容定義。

3.4? 模型邊界的條件和計算變量的設置

對泵體及泵蓋相關參數(shù)設置中，對其全部鏈接的螺栓的受力是拉力加上預緊力，為87.37 kN;針對泵體及管路，在進行法蘭參數(shù)設置時，法蘭螺栓受力為21.40 kN，是拉力與預緊力的總和。對其他的參數(shù)，按照以下幾種方案進行設置，從而完成壓力情況、溫度等因素等對泵體及泵蓋的強度影響分析。

（1）對原泵的材料是1.431 7的不銹鋼，壁厚是1.7 cm，研究運行的工況改變后的原泵。

對于方案Ⅰ而言，是高溫高壓的工況條件下，介質(zhì)的溫度按照高溫為300 ℃，泵體和泵蓋、進出口的管路，內(nèi)腔壓力為10 MPa實施設置[7]。

對于方案Ⅱ而言，介質(zhì)溫度可設置為300 ℃，對于泵體和泵蓋、進出口的管路，內(nèi)腔壓力設置為2.5 MPa。

對于方案Ⅲ而言，介質(zhì)的溫度可按照室溫進行設置，對于泵體和泵蓋、進出口的管路，內(nèi)腔壓力設置為10 MPa。

（2）在高溫高壓的狀態(tài)下，所使用的材料是1.421 8的不銹鋼類型，對泵結構實施改變來研究。

在方案Ⅳ中，把壁厚改成3 cm后，實施熱力耦合的分析。

在方案Ⅴ中，把壁改成4.5 cm厚度后，實施熱力耦合的分析。

（3）在高溫高壓條件下，壁厚控制在1.7 cm左右，同時做好泵材料的配置。在方案Ⅵ中，選擇ZG240類型材料替代原本的材料，然后進行熱力耦合分析。

對變量進行計算時，主要對變形、安全性系數(shù)、應變以及應力等實施分析。

3.5? 對模型的結果及優(yōu)化設計的結果進行分析

在方案Ⅰ中：通過對泵體與泵蓋總變形情況分析得知，變形主要在泵體的前腔區(qū)域和泵蓋其機封腔的區(qū)域發(fā)生，于熱力耦合的條件下，最大的變形量約是3.4 mm，而在實際的應用中，由于機封腔體內(nèi)液體在經(jīng)過相應的冷卻與降壓處理，往往不會發(fā)生很大變化，在后面實施分析中也就主要對泵體實際前腔具有危險性的區(qū)域進行考慮。

泵體與泵蓋等效應力通過分析，應力主要集中在支撐座、泵體、泵蓋等位置，在支撐座與泵蓋的環(huán)腔附近還有著較大的等效應力，為1 170 MPa，在改進時，要對此類部位進行特別的加厚處理。

泵體及泵蓋具有安全性系數(shù)，系數(shù)值主要是通過對其材料實際物理性能以及具有的結構應力的變化大小等實施綜合性計算得到。安全系數(shù)越大，就表示越安全，安全系數(shù)低于1時就說明不合格，在設計時一定要注重防范。分析得知，于熱力耦合的情況下，安全系數(shù)大部分是低于1的，說明存在很不安全性，在改進時一定要對此類部位進行特別的加厚處理。

在方案Ⅱ中：通過對泵體與泵蓋總變形情況分析得知，變形和方案Ⅰ類似，最大的變形量于高溫標準的壓力下約是1.67 mm。而在實際應用中，機封的腔體內(nèi)所具有液體被降壓處理，因此，形狀并不會有很大的變化，在后面實施分析中就主要是對泵體所具有前腔內(nèi)危險性的區(qū)域進行考慮。

通過泵體與泵蓋等效應力進行分析，應力和方案Ⅰ類似，最大的等效應力于高溫標準的壓力下約是550 MPa。

對泵體與泵蓋安全系數(shù)分析得知，于高溫標準的壓力下，泵體泵蓋大部分的安全系數(shù)都是超過2.5的，在理論上十分安全。

在方案Ⅲ中：通過對泵體與泵蓋總變形情況分析得知，變形和方案Ⅰ類似，最大的變形量于常溫高壓條件為0.95 mm。在應用中，泵蓋內(nèi)機封腔體中的液體處于降壓狀態(tài)時，變形并不會很大，在后面進行分析中主要對泵體前腔危險的區(qū)域進行考慮。

通過泵體與泵蓋等效應力進行分析，應力主要的集中區(qū)域和方案Ⅰ也較為類似，最大的應力于常溫高壓條件下約380 MPa。

對泵體與泵蓋安全系數(shù)分析得知，于常溫高壓條件下，泵體泵蓋大部分安全系數(shù)都是超過3的，在理論上屬于十分安全。

在方案Ⅳ中：通過對泵體與泵蓋總變形情況分析得知，變形主要在泵體的前腔區(qū)域和泵蓋的機封腔等區(qū)域集中，最大的變形量于熱力耦合條件下約是 2.13 mm。

通過對泵體與泵蓋等效應力進行分析，其應力主要的集中區(qū)域和方案Ⅰ也較為類似，最大的應力于熱力耦合下約是780 MPa。

對泵體與泵蓋安全系數(shù)進行分析得知，于熱力耦合條件下，泵體泵蓋還存在一部分是低于1的，說明存在一定的不安全性，在改進時可對此類部分進行特別的加厚處理。

在方案Ⅴ中：通對泵體與泵蓋總變形情況分析得知，其變形發(fā)生的區(qū)域和Ⅳ較為類似，主要在泵體的前腔區(qū)域和泵蓋的機封腔等區(qū)域集中，最大的變形量于熱力耦合條件下約是1.06 mm。

通過對泵體與泵蓋等效應力進行分析，應力主要的集中區(qū)域和方案Ⅰ也較為類似，在熱力耦合的條件，最大應力為450 MPa，在安全范圍之內(nèi)。

對泵體與泵蓋安全系數(shù)分析得知，于熱力耦合條件下，泵體泵蓋大部分是超過2的，說明理論上較為安全。

在方案Ⅵ中：通過對泵體與泵蓋總變形情況分析得知，變形主要在泵體的前腔區(qū)域和泵蓋的機封腔等區(qū)域集中，最大的變形量于熱力耦合條件下約是3.56 mm。

通過對泵體與泵蓋等效應力進行分析，應力主要的集中區(qū)域和方案Ⅰ也較為類似，最大的應力在熱力耦合的條件下約是1 300 MPa，在改進中要對此類部位特別進行加厚處理。

對泵體與泵蓋安全系數(shù)分析得知，于熱力耦合條件下，泵體泵蓋大部分多是低于1的，說明存在很不安全性，在改進時可對此類部分進行特別加厚的處理。

4? ? 結語

綜上所述，通過使用有限元的分析法，對泵壓力、結構形式以及溫度、材料的配置進行分析，對一系列的重載化工流程泵進行優(yōu)化和設計，保證其能安全可靠運行的同時，還實現(xiàn)了對設計和生產(chǎn)周期的縮短，減少了材料的使用，對企業(yè)經(jīng)濟效益具有積極的影響。

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