基于Workbench的鞍座溫度場(chǎng)計(jì)算及選材建議

房全國(guó) 岳 明 楊鐵樺 張志華 中國(guó)五環(huán)工程有限公司 武漢 430223

鞍座是臥式容器的主要支撐形式，其材料的選擇應(yīng)綜合考慮容器的設(shè)計(jì)溫度(尤其是低溫工況)、環(huán)境溫度和經(jīng)濟(jì)合理性等[1]。參考《塔式容器》NB/T47041-2014，鞍座與環(huán)境有關(guān)的最低設(shè)計(jì)溫度可取使用地區(qū)歷年月平均最低氣溫的最低值加20℃[1-3]，但沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)及資料明確設(shè)備設(shè)計(jì)溫度與鞍座設(shè)計(jì)溫度的關(guān)系，尤其是高溫設(shè)備和低溫設(shè)備。另外，土建專業(yè)設(shè)計(jì)也很關(guān)心鞍座底板的溫度高低。針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員只能憑經(jīng)驗(yàn)估算[4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元軟件的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬的研究方法受到各行各業(yè)的廣泛關(guān)注[5-7]。本文利用ANSYS軟件中的Workbench平臺(tái)，對(duì)工程中某設(shè)備鞍座的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得出鞍座的溫度分布，并分析保溫厚度、設(shè)備設(shè)計(jì)溫度和環(huán)境溫度對(duì)鞍座溫度的影響，基于計(jì)算結(jié)果,對(duì)鞍座及其地腳螺栓的選材提出建議，為工程設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也為支座的溫度計(jì)算提供新的途徑和方法。

1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為工程項(xiàng)目中某臥式設(shè)備，直徑為800mm，殼體厚度為44mm，設(shè)計(jì)溫度為460℃，環(huán)境最高溫度為40℃，殼體材料的導(dǎo)熱系數(shù)為45.4W/(m·℃)，設(shè)備保溫厚度為100mm，保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.13W/(m·℃)，采用標(biāo)準(zhǔn)鞍座BⅠ800，鞍座高度為200mm，鞍座結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 鞍座結(jié)構(gòu)尺寸

假設(shè)墊板與筒體完全接觸，計(jì)算時(shí)忽略筒體與墊板之間的空氣熱阻。在Workbench中建立的鞍座三維模型見(jiàn)圖2，坐標(biāo)原點(diǎn)為設(shè)備中心線與設(shè)備橫截面的交點(diǎn)。

圖2 鞍座三維模型

2 計(jì)算模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

鞍座熱分析時(shí)，其熱量傳遞方式主要有熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和熱輻射[8]。

(1)熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律：

(1)

(2)對(duì)流換熱遵循牛頓冷卻公式：

Q=Ah(ts-tf)

(2)

式中，ts和tf為表面溫度和流體溫度；A為換熱面積；h為對(duì)流換熱系數(shù)。

(3)熱輻射遵循斯蒂芬-波爾茲曼定律：

(3)

式中，ε為物體的發(fā)射率(黑度)；A1為輻射面1的面積；σ為斯蒂芬-波爾茲常數(shù)；F12為輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的絕對(duì)溫度；T2為輻射面2的絕對(duì)溫度。

(4)熱分析的理論基礎(chǔ)是能量守恒定律，采用有限元分析時(shí)，穩(wěn)態(tài)熱分析的能量守恒方程以矩陣形式表示為：

[K]{T}={Q}

(4)

式中，為熱傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)、形狀系數(shù)和輻射率；{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量。Workbench利用模型的幾何參數(shù)、材料的性能參數(shù)以及邊界條件，生成、{T}和{Q}。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

網(wǎng)格劃分是模擬計(jì)算的關(guān)鍵一步，本文利用Workbench平臺(tái)中的mesh對(duì)建立的鞍座模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為23萬(wàn)，網(wǎng)格數(shù)為15萬(wàn)。

邊界條件：筒體內(nèi)壁溫度為460℃，筒體截?cái)嗵?、設(shè)備和鞍座保溫處為絕熱邊界，其他壁面(鞍座未保溫壁面)設(shè)置為自然對(duì)流，同時(shí)考慮輻射傳熱，自然對(duì)流換熱系數(shù)一般為5～10 W/(m2·℃)，此處取對(duì)流換熱系數(shù)為5W/(m2·℃)，環(huán)境溫度為40℃，輻射傳熱壁面發(fā)射率(黑度)為0.8。

3 模擬結(jié)果及分析

(1) 鞍座溫度分布

模擬計(jì)算得到鞍座的溫度分布，見(jiàn)圖3、圖4。

由圖3、圖4可以看出，筒體的溫度較高，筒體內(nèi)表面與外表面的溫差較小，與鞍座腹板、筋板的溫

圖3 鞍座整體的溫度分布

圖4 鞍座底板的溫度分布

差較大，沿腹板豎直方向從上至下溫度逐漸降低，腹板和筋板頂部與設(shè)備筒體溫度相近。鞍座底板溫度較低，整體分布均布，在鞍座底板靠近腹板和筋板的位置局部溫度較高。

模擬計(jì)算得到腹板最高溫度約為459℃，筋板最高溫度約為440℃，底板最高溫度約為139℃，地腳螺栓附近底板溫度(近似等效為地腳螺栓溫度)約為110℃。

(2)設(shè)備保溫厚度對(duì)鞍座溫度分布的影響

為了考察鞍座處保溫厚度(見(jiàn)圖1)對(duì)鞍座溫度分布的影響，本文對(duì)鞍座處設(shè)備保溫厚度分別為0mm、50mm、100mm和150mm四種工況下的鞍座進(jìn)行了溫度場(chǎng)模擬，模擬時(shí)將被保溫材料包裹的鞍座部分設(shè)置為絕熱邊界，模擬結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 不同設(shè)備保溫厚度下鞍座不同位置處的溫度分布

圖6 不同設(shè)備保溫厚度δ下鞍座溫度分布

由圖5、圖6可以看出，不同設(shè)備保溫厚度下鞍座的溫度分布相似，隨著設(shè)備保溫厚度的增加，鞍座同一位置處的溫度增大。當(dāng)設(shè)備保溫厚度由0增加到150mm時(shí)，鞍座腹板最高溫度(A點(diǎn))由438℃增加到459℃，筋板最高溫度(B點(diǎn))由403℃增加到442℃，底板最高溫度(C點(diǎn))由115℃增加到166℃，地腳螺栓附近底板溫度(D點(diǎn))由92℃增加到128℃。

(3)設(shè)備設(shè)計(jì)溫度Td及環(huán)境溫度Ta對(duì)鞍座溫度分布的影響

為了考察設(shè)備設(shè)計(jì)溫度Td及環(huán)境溫度Ta對(duì)鞍座溫度分布的影響，本文通過(guò)改變?cè)O(shè)備設(shè)計(jì)溫度Td及環(huán)境溫度Ta對(duì)不同工況下的鞍座進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，保溫厚度為100mm，模擬得到鞍座的溫度，見(jiàn)表1～表4。

表1 Td≤0℃時(shí)腹板的最低溫度和Td>0℃時(shí)腹板的最高溫度 (℃)

表2 Td≤0℃時(shí)筋板的最低溫度和Td>0℃時(shí)筋板的最高溫度 (℃)

表3 Td≤0℃時(shí)底板的最低溫度和Td>0℃時(shí)底板的最高溫度 (℃)

表4 地腳螺栓附近底板溫度 (℃)

由表1和表2可以看出，Td≤0℃時(shí)腹板和筋板的最低溫度以及Td>0℃時(shí)腹板和筋板的最高溫度，與設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度相近，受環(huán)境溫度影響不大。腹板和筋板的設(shè)計(jì)溫度可考慮取與設(shè)備設(shè)計(jì)溫度相同。

由表3和表4可以看出，Td≤0℃時(shí)底板的最低溫度和Td>0℃時(shí)底板的最高溫度和地腳螺栓附近底板溫度，與設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度相差較大，其溫度隨設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度和環(huán)境溫度的升高而升高。底板的設(shè)計(jì)溫度可參考表3取值，地腳螺栓的設(shè)計(jì)溫度可參考表4取值。

4 鞍座及其地腳螺栓的選材建議

參照表1和表2，腹板和筋板的設(shè)計(jì)溫度可考慮取與設(shè)備設(shè)計(jì)溫度相同，參考NB/T47065-2018規(guī)定，當(dāng)-20℃≥Td≥200℃時(shí)，腹板和筋板材料可選擇Q235B、Q345B或Q345R；當(dāng)-40℃≥Td>-20℃時(shí)，腹板和筋板材料可選擇Q345R；當(dāng)Td<-40℃時(shí)，腹板和筋板材料應(yīng)提出低溫檢驗(yàn)要求或選用其他合適材料；當(dāng)Td>200℃時(shí)，腹板和筋板材料可選擇與筒體一致，并根據(jù)實(shí)際材料的許用應(yīng)力計(jì)算鞍座。

參照表3，在鞍座高度為200mm，鞍座未被保冷的高度≥100mm情況下，當(dāng)-20℃≥Td≥460℃時(shí)，底板的設(shè)計(jì)溫度在-20～140℃范圍，參考NB/T47065-2018規(guī)定，底板可選擇Q235B、Q345B或Q345R；當(dāng)-60℃≥Td>-20℃時(shí)，底板的設(shè)計(jì)溫度在-20～-40℃范圍，底板可選擇Q345R；當(dāng)Td<-60℃時(shí)，底板材料應(yīng)提出低溫檢驗(yàn)要求或選用其他合適材料。

參照表4，在鞍座高度為200mm，鞍座未被保冷的高度≥100mm情況下，當(dāng)Td≥-20℃時(shí)，地腳螺栓最低溫度不低于-20℃，地腳螺栓材料可選擇GB/T1591-2018規(guī)定的Q355D；當(dāng)-40℃>Td≥-70℃時(shí)，地腳螺栓最低溫度不低于-40℃，地腳螺栓材料可選擇GB/T1591-2018規(guī)定的Q355NE；當(dāng)-100℃>Td≥-70℃時(shí)，地腳螺栓最低溫度不低于-60℃，地腳螺栓材料可選擇GB/T1591-2018規(guī)定的Q355NF。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用Workbench平臺(tái)對(duì)工程中某設(shè)備鞍座的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到鞍座的溫度分布，并分析保溫厚度、設(shè)備設(shè)計(jì)溫度和環(huán)境溫度對(duì)鞍座溫度的影響。分析得到不同保溫厚度下鞍座的溫度分布相似，隨著保溫厚度的增加，鞍座同一位置處的溫度增大；腹板和筋板的設(shè)計(jì)溫度可考慮取與設(shè)備設(shè)計(jì)溫度相同；底板的溫度與設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度相差較大，其溫度隨設(shè)備的設(shè)計(jì)溫度和環(huán)境溫度的升高而升高，其設(shè)計(jì)溫度可參考表3取值，地腳螺栓的設(shè)計(jì)溫度可參考表4取值。基于計(jì)算結(jié)果，對(duì)鞍座及其地腳螺栓的選材提出建議。因?yàn)榘白庉^低溫度部件的約束，還應(yīng)在必要時(shí)考慮因?yàn)橥补?jié)與鞍座部件之間的溫度差引起的二次應(yīng)力。