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        基于Workbench的鞍座溫度場計算及選材建議

        2022-03-07 12:11:20房全國楊鐵樺張志華中國五環(huán)工程有限公司武漢430223
        化工設(shè)計 2022年1期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備設(shè)計鞍座筋板

        房全國 岳 明 楊鐵樺 張志華 中國五環(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],但沒有標(biāo)準(zhǔn)及資料明確設(shè)備設(shè)計溫度與鞍座設(shè)計溫度的關(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)計也很關(guān)心鞍座底板的溫度高低。針對這些問題,設(shè)計人員只能憑經(jīng)驗(yàn)估算[4]。

        隨著計算機(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,對工程中某設(shè)備鞍座的溫度場進(jìn)行模擬計算,得出鞍座的溫度分布,并分析保溫厚度、設(shè)備設(shè)計溫度和環(huán)境溫度對鞍座溫度的影響,基于計算結(jié)果,對鞍座及其地腳螺栓的選材提出建議,為工程設(shè)計提供參考,同時也為支座的溫度計算提供新的途徑和方法。

        1 研究對象

        本文研究對象為工程項(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,計算時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 計算模型

        2.1 數(shù)學(xué)模型

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

        (1)熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律:

        (1)

        (2)對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的絕對溫度;T2為輻射面2的絕對溫度。

        (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,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)格劃分是模擬計算的關(guān)鍵一步,本文利用Workbench平臺中的mesh對建立的鞍座模型進(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,網(wǎng)格數(shù)為15萬。

        邊界條件:筒體內(nèi)壁溫度為460℃,筒體截斷處、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)置為自然對流,同時考慮輻射傳熱,自然對流換熱系數(shù)一般為5~10 W/(m2·℃),此處取對流換熱系數(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

        模擬計算得到鞍座的溫度分布,見圖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)備保溫厚度對鞍座溫度分布的影響

        為了考察鞍座處保溫厚度(見圖1)對鞍座溫度分布的影響,本文對鞍座處設(shè)備保溫厚度分別為0mm、50mm、100mm和150mm四種工況下的鞍座進(jìn)行了溫度場模擬,模擬時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,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)計溫度Td及環(huán)境溫度Ta對鞍座溫度分布的影響

        為了考察設(shè)備設(shè)計溫度Td及環(huán)境溫度Ta對鞍座溫度分布的影響,本文通過改變設(shè)備設(shè)計溫度Td及環(huán)境溫度Ta對不同工況下的鞍座進(jìn)行溫度場模擬,保溫厚度為100mm,模擬得到鞍座的溫度,見表1~表4。

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

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

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

        表4 地腳螺栓附近底板溫度 (℃)

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

        由表3和表4可以看出,Td≤0℃時底板的最低溫度和Td>0℃時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)計溫度相差較大,其溫度隨設(shè)備的設(shè)計溫度和環(huán)境溫度的升高而升高。底板的設(shè)計溫度可參考表3取值,地腳螺栓的設(shè)計溫度可參考表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)計溫度可考慮取與設(shè)備設(shè)計溫度相同,參考NB/T47065-2018規(guī)定,當(dāng)-20℃≥Td≥200℃時,腹板和筋板材料可選擇Q235B、Q345B或Q345R;當(dāng)-40℃≥Td>-20℃時,腹板和筋板材料可選擇Q345R;當(dāng)Td<-40℃時,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,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,底板的設(shè)計溫度在-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,底板的設(shè)計溫度在-20~-40℃范圍,底板可選擇Q345R;當(dāng)Td<-60℃時,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,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,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,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

        本文利用Workbench平臺對工程中某設(shè)備鞍座的溫度場進(jìn)行模擬計算,得到鞍座的溫度分布,并分析保溫厚度、設(shè)備設(shè)計溫度和環(huán)境溫度對鞍座溫度的影響。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)計溫度可考慮取與設(shè)備設(shè)計溫度相同;底板的溫度與設(shè)備的設(shè)計溫度相差較大,其溫度隨設(shè)備的設(shè)計溫度和環(huán)境溫度的升高而升高,其設(shè)計溫度可參考表3取值,地腳螺栓的設(shè)計溫度可參考表4取值?;谟嬎憬Y(jié)果,對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。

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