UHMWPE 復合套管導熱性能數值模擬

尹站峰，秦建華，張志力

（武漢工程大學，湖北 武漢 430200）

UHMWPE 塑料管道已被國內外廣泛應用于工農業生產和社會生活的各個方面，UHMWPE 管材具有極高的抗疲勞強度、耐磨性和力學性能、優良的化學惰性、優良的抗老化性、極低的摩擦系數和較低的導熱系數[1-3]。UHMWPE 塑料管道憑借其優良的綜合性質逐漸成為輸送各種勻質與非勻質介質的理想管材。但是UHMWPE 塑料管道也有其無法彌補的缺點，其抗蠕變性能較差導致單層的UHMWPE 管道在長期使用過程中容易產生塑性變形。普通的碳鋼管道在運輸強酸強堿介質容易被腐蝕內壁，并且碳鋼管道的導熱性能非常好，這就導致介質在傳輸中有大量的熱損失與能源浪費，在實際應用中通常需要在碳鋼管道外部制作保溫層，這就增加了一定的經濟成本。使用UHMWPE 管外套碳鋼管道的方式，可以發揮兩種材料的優點，復合管道在保證一定剛度的前提下，其整體抗腐蝕與保溫性能也得到了提升。本文通過ANSYS 計算模擬的方式，對室外架空的UHMWPE 復合管道進行穩態熱分析，為UHMWPE 復合管道在工程建設的應用提供一定的理論依據。

1 管道幾何模型建立

UHMWPE 復合管道由外部碳鋼管道與內部UHMWPE 管道共同組成，其結構示意圖如圖1 所示，其中外部材料為Q235 碳鋼，內部材料為450 萬超高分子量聚乙烯，兩種材料的具體參數[4-5]見表1。

表1 內外管道材料參數

圖1 復合管道截面圖

為了分析不同規格管道，不同的內管外管厚度對UHMWPE 復合管道保溫性能的影響，本文根據HG/T 20538—2016《襯塑鋼管和管件選用系列》共設計5 種不同的管道尺寸另外額外增加一組單層Q235 管道作為對比，其具體參數見表2。

表2 管道尺寸

2 有限元模型建立

本次數值模擬采用SolidWorks 軟件3D 建模，并將其導入ANSYS WORKBENCH 中首先進行有限元網格劃分，網格劃分質量會對計算結果產生較大影響。為了提高數值模擬計算的準確性，本次模擬將復合管道劃分為六面體網格數量251 000 個。經檢查網格質量良好，如圖2 所示。

圖2 復合管網格模型

模型網格劃分后對復合管整體進行傳熱分析，設置邊界條件為內層UHMWPE 內壁面的工作溫度分別為80℃和50℃，外層碳鋼管道與空氣接觸，其對流換熱系數設置為10 W/（m2·℃），環境溫度為20℃，并且設置外管內表面與內管外表面的接觸關系為綁定接觸[6]，內外層管道之間的傳熱方式為熱傳導方式遵循傅里葉定律[7]，見公式1：

其中，q``為熱流密度，單位W/m2；k為導熱系數，單位W/（m·℃）。

3 UHMWPE 復合管道傳熱分析結果與討論

通過數值計算模擬結果得出UHMWPE 復合管道分別在50℃和80℃工作溫度時的穩態溫度場分布如圖3、圖4 所示，復合管內壁面溫度與外管溫度最大溫差見表3。

圖3 內壁面50℃溫度分布

圖4 內壁面80℃溫度分布

通過對圖3、圖4 和表3 的分析可以得到如下結論：

表3 復合管內壁面溫度與外管溫度最大溫差

（1）對于同種尺寸的復合管道UHMWPE 內層管道的厚度越大復合管道的保溫性能越好。

（2）對于相同厚度的UHMWPE 內層管道，DN100的復合管道的保溫性能略優于DN200 的復合管道。

（3）同種外界溫度，內層管道的工作溫度越高，內外管道的溫差越大，其復合管整體的保溫效果越好。

（4）DN100 和DN200 的復合管道保溫效果無論在50℃還是80℃工作溫度下都要優于普通的單層碳鋼管道。