基于Workbench的鞍座溫度場計算及選材建議

房全國 岳 明 楊鐵樺 張志華 中國五環工程有限公司 武漢 430223

鞍座是臥式容器的主要支撐形式，其材料的選擇應綜合考慮容器的設計溫度(尤其是低溫工況)、環境溫度和經濟合理性等[1]。參考《塔式容器》NB/T47041-2014，鞍座與環境有關的最低設計溫度可取使用地區歷年月平均最低氣溫的最低值加20℃[1-3]，但沒有標準及資料明確設備設計溫度與鞍座設計溫度的關系，尤其是高溫設備和低溫設備。另外，土建專業設計也很關心鞍座底板的溫度高低。針對這些問題，設計人員只能憑經驗估算[4]。

隨著計算機技術和有限元軟件的迅速發展，數值模擬的研究方法受到各行各業的廣泛關注[5-7]。本文利用ANSYS軟件中的Workbench平臺，對工程中某設備鞍座的溫度場進行模擬計算，得出鞍座的溫度分布，并分析保溫厚度、設備設計溫度和環境溫度對鞍座溫度的影響，基于計算結果,對鞍座及其地腳螺栓的選材提出建議，為工程設計提供參考，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目中某臥式設備，直徑為800mm，殼體厚度為44mm，設計溫度為460℃，環境最高溫度為40℃，殼體材料的導熱系數為45.4W/(m·℃)，設備保溫厚度為100mm，保溫材料的導熱系數為0.13W/(m·℃)，采用標準鞍座BⅠ800，鞍座高度為200mm，鞍座結構尺寸見圖1。

圖1 鞍座結構尺寸

假設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，坐標原點為設備中心線與設備橫截面的交點。

圖2 鞍座三維模型

2 計算模型

2.1 數學模型

鞍座熱分析時，其熱量傳遞方式主要有熱傳導、自然對流和熱輻射[8]。

(1)熱傳導遵循傅立葉定律：

(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。

(3)熱輻射遵循斯蒂芬-波爾茲曼定律：

(3)

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

(4)熱分析的理論基礎是能量守恒定律，采用有限元分析時，穩態熱分析的能量守恒方程以矩陣形式表示為：

[K]{T}={Q}

(4)

式中，為熱傳導矩陣，包括導熱系數、對流系數、形狀系數和輻射率；{T}為節點溫度向量；{Q}為節點熱流率向量。Workbench利用模型的幾何參數、材料的性能參數以及邊界條件，生成、{T}和{Q}。

2.2 網格劃分及邊界條件

網格劃分是模擬計算的關鍵一步，本文利用Workbench平臺中的mesh對建立的鞍座模型進行網格劃分。網格采用四面體網格，網格節點數為23萬，網格數為15萬。

邊界條件：筒體內壁溫度為460℃，筒體截斷處、設備和鞍座保溫處為絕熱邊界，其他壁面(鞍座未保溫壁面)設置為自然對流，同時考慮輻射傳熱，自然對流換熱系數一般為5～10 W/(m2·℃)，此處取對流換熱系數為5W/(m2·℃)，環境溫度為40℃，輻射傳熱壁面發射率(黑度)為0.8。

3 模擬結果及分析

(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，本文對鞍座處設備保溫厚度分別為0mm、50mm、100mm和150mm四種工況下的鞍座進行了溫度場模擬，模擬時將被保溫材料包裹的鞍座部分設置為絕熱邊界，模擬結果見圖5、圖6。

圖5 不同設備保溫厚度下鞍座不同位置處的溫度分布

圖6 不同設備保溫厚度δ下鞍座溫度分布

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

(3)設備設計溫度Td及環境溫度Ta對鞍座溫度分布的影響

為了考察設備設計溫度Td及環境溫度Ta對鞍座溫度分布的影響，本文通過改變設備設計溫度Td及環境溫度Ta對不同工況下的鞍座進行溫度場模擬，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，與設備的設計溫度相近，受環境溫度影響不大。腹板和筋板的設計溫度可考慮取與設備設計溫度相同。

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，與設備的設計溫度相差較大，其溫度隨設備的設計溫度和環境溫度的升高而升高。底板的設計溫度可參考表3取值，地腳螺栓的設計溫度可參考表4取值。

4 鞍座及其地腳螺栓的選材建議

參照表1和表2，腹板和筋板的設計溫度可考慮取與設備設計溫度相同，參考NB/T47065-2018規定，當-20℃≥Td≥200℃時，腹板和筋板材料可選擇Q235B、Q345B或Q345R；當-40℃≥Td>-20℃時，腹板和筋板材料可選擇Q345R；當Td<-40℃時，腹板和筋板材料應提出低溫檢驗要求或選用其他合適材料；當Td>200℃時，腹板和筋板材料可選擇與筒體一致，并根據實際材料的許用應力計算鞍座。

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-20℃≥Td≥460℃時，底板的設計溫度在-20～140℃范圍，參考NB/T47065-2018規定，底板可選擇Q235B、Q345B或Q345R；當-60℃≥Td>-20℃時，底板的設計溫度在-20～-40℃范圍，底板可選擇Q345R；當Td<-60℃時，底板材料應提出低溫檢驗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規定的Q355D；當-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規定的Q355NE；當-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規定的Q355NF。

5 結語

本文利用Workbench平臺對工程中某設備鞍座的溫度場進行模擬計算，得到鞍座的溫度分布，并分析保溫厚度、設備設計溫度和環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；腹板和筋板的設計溫度可考慮取與設備設計溫度相同；底板的溫度與設備的設計溫度相差較大，其溫度隨設備的設計溫度和環境溫度的升高而升高，其設計溫度可參考表3取值，地腳螺栓的設計溫度可參考表4取值。基于計算結果，對鞍座及其地腳螺栓的選材提出建議。因為鞍座處較低溫度部件的約束，還應在必要時考慮因為筒節與鞍座部件之間的溫度差引起的二次應力。