架空管道保冷材料仿真與分析

呂小明 李英杰 李 虎 董江潔 朱 琳 陳良飛 黃良福

中國石油新疆油田分公司采氣一廠

1 背景描述

某采氣廠地處高緯度地區，在建深冷管線和裝置面臨評價所選柔性保冷材料與保冷工藝的適用性、安全性問題。對于保冷層經濟厚度選擇、管線冷損失核算缺乏有效技術手段，無法獲知其保冷效果，為建成投產、運行維護工作帶來困擾。在建深冷管線和裝置欲選用柔性保冷材料與PIR材料。柔性保冷材料由丁腈橡膠聚合物發泡（LT）和二烯烴泡沫（LTD）組成，內層采用LT，為減振兼顧隔熱層。外層采用LTD，是主保冷層兩種材料相互組合使用。聚異氰脲酸酯主要結構是異氰脲酸酯環。兩種材料物性參數比較如表1。

表1 保冷材料熱物性參數

2 有限元模擬分析

2.1 建立幾何模型

建立介質流—管道—防腐層—絕熱層—防潮層—空氣流物理模型。基于現場工藝參數，選擇脫甲烷塔中溫度最低管線，管徑89mm，壁厚5mm。建立架空保冷管道三維模型。保冷層最外層建立空氣層，厚度為管道內部各材料厚度之和。表2為保冷材料為柔性保冷材料時，各層材料物性參數。表3保冷材料為PIR時，各層材料物性參數。

表2 各層材料物性參數（柔性保冷）

3 4保冷層（黑）空氣層0.028 0.0242 50 196 50.00 1.225

表3 各層材料物性參數（PIR）

2.2 劃分網格

使用ANSYS Mesh 網格生成模塊選擇四面體結構化網格對模型進行網格劃分。

2.3 Fluent中模擬管道流動

將劃分好網格的模型導入Fluent 模塊中，模擬甲烷管流狀態。打開能量方程與k-ε 湍流模型[4]。隨后基于設置入口截面的邊界條件以及流固交界面，進行計算。

2.4 Steady-StateThermal模塊中進行流固耦合。

固定管內甲烷溫度不變，改變管外空氣溫度。基于該地區夏季最熱月平均氣溫，冬季最冷月平均氣溫，外部空氣溫度每改變4℃進行一次模擬。分別得到PIR 和柔性保冷材料最外層壁面溫度及兩種材料熱流密度，分別做出變化曲線。最后對兩種材料保冷效果進行比較。

3 模擬結果

3.1 柔性保冷材料模擬結果

圖1為柔性保冷層最外壁溫度變化曲線。外部氣溫每下降4℃，保冷層最外壁溫度變化。當外界溫度下降4℃時，保冷層外壁溫度同時下降4℃左右。圖2為柔性保冷材料熱流密度變化曲線。當外部氣溫下降時，保冷層熱流密度同時下降，當外界溫度下降4℃時，保冷層的熱流密度降低2W/m2。

圖1 柔性保冷材料最外層溫度變化曲線

圖2 柔性保冷材料熱流密度變化曲線

3.2 PIR模擬結果

圖3 為PIR 最外層溫度變化曲線。外部氣溫每變化4℃下，保冷層最外壁溫度變化。當外界溫度下降4℃時，管道外壁溫度同時也下降約4℃左右，熱流密度降低2W/m2。圖4 為PIR 最外層溫度變化曲線。外部氣溫每變化4℃下，保冷層熱流密度變化。當外界溫度下降4℃時，保冷層熱流密度降低2W/m2。

圖3 PIR最外壁溫度變化曲線

圖4 PIR熱流密度變化曲線

4 兩種材料比較

4.1 溫度分布

如圖5 所示，保冷材料選用柔性保冷材料，當外部氣溫為43℃時，保冷層最外壁溫度為41.024℃。如圖6 所示，保冷材料選用PIR時，當外部氣溫為43℃時，PIR最外層溫度為40.844℃。

圖6 PIR最外層溫度示意圖

4.2 熱流密度分布

如圖7所示，保冷材料選用柔性保冷材料時，當外部氣溫為43℃時，柔性保冷材料熱流密度為64.521W/m2。如圖8 所示，保冷材料選用PIR 時，當外部氣溫為43℃時，PIR 的熱流密度為69.884W/m2。

圖7 柔性保冷材料熱流密度示意圖

圖8 PIR熱流密度示意圖

5 結論

由模擬結果可知，在最高的極端溫度下，柔性保冷材料最外層溫度高于PIR 最外層溫度。因此柔性保冷材料比PIR 保冷效果更好，散熱損失量低，更能滿足工藝要求。