尹站峰，秦建華，張志力

（武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430200）

UHMWPE 塑料管道已被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，UHMWPE 管材具有極高的抗疲勞強(qiáng)度、耐磨性和力學(xué)性能、優(yōu)良的化學(xué)惰性、優(yōu)良的抗老化性、極低的摩擦系數(shù)和較低的導(dǎo)熱系數(shù)[1-3]。UHMWPE 塑料管道憑借其優(yōu)良的綜合性質(zhì)逐漸成為輸送各種勻質(zhì)與非勻質(zhì)介質(zhì)的理想管材。但是UHMWPE 塑料管道也有其無法彌補(bǔ)的缺點(diǎn)，其抗蠕變性能較差導(dǎo)致單層的UHMWPE 管道在長期使用過程中容易產(chǎn)生塑性變形。普通的碳鋼管道在運(yùn)輸強(qiáng)酸強(qiáng)堿介質(zhì)容易被腐蝕內(nèi)壁，并且碳鋼管道的導(dǎo)熱性能非常好，這就導(dǎo)致介質(zhì)在傳輸中有大量的熱損失與能源浪費(fèi)，在實(shí)際應(yīng)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(jīng)濟(jì)成本。使用UHMWPE 管外套碳鋼管道的方式，可以發(fā)揮兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)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(jì)算模擬的方式，對室外架空的UHMWPE 復(fù)合管道進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，為UHMWPE 復(fù)合管道在工程建設(shè)的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 管道幾何模型建立

UHMWPE 復(fù)合管道由外部碳鋼管道與內(nèi)部UHMWPE 管道共同組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，其中外部材料為Q235 碳鋼，內(nèi)部材料為450 萬超高分子量聚乙烯，兩種材料的具體參數(shù)[4-5]見表1。

表1 內(nèi)外管道材料參數(shù)

圖1 復(fù)合管道截面圖

為了分析不同規(guī)格管道，不同的內(nèi)管外管厚度對UHMWPE 復(fù)合管道保溫性能的影響，本文根據(jù)HG/T 20538—2016《襯塑鋼管和管件選用系列》共設(shè)計(jì)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(shù)見表2。

表2 管道尺寸

2 有限元模型建立

本次數(shù)值模擬采用SolidWorks 軟件3D 建模，并將其導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH 中首先進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。為了提高數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，本次模擬將復(fù)合管道劃分為六面體網(wǎng)格數(shù)量251 000 個(gè)。經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量良好，如圖2 所示。

圖2 復(fù)合管網(wǎng)格模型

模型網(wǎng)格劃分后對復(fù)合管整體進(jìn)行傳熱分析，設(shè)置邊界條件為內(nèi)層UHMWPE 內(nèi)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(shù)設(shè)置為10 W/（m2·℃），環(huán)境溫度為20℃，并且設(shè)置外管內(nèi)表面與內(nèi)管外表面的接觸關(guān)系為綁定接觸[6]，內(nèi)外層管道之間的傳熱方式為熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)，單位W/（m·℃）。

3 UHMWPE 復(fù)合管道傳熱分析結(jié)果與討論

通過數(shù)值計(jì)算模擬結(jié)果得出UHMWPE 復(fù)合管道分別在50℃和80℃工作溫度時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布如圖3、圖4 所示，復(fù)合管內(nèi)壁面溫度與外管溫度最大溫差見表3。

圖3 內(nèi)壁面50℃溫度分布

圖4 內(nèi)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(jié)論：

表3 復(fù)合管內(nèi)壁面溫度與外管溫度最大溫差

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

（2）對于相同厚度的UHMWPE 內(nèi)層管道，DN100的復(fù)合管道的保溫性能略優(yōu)于DN200 的復(fù)合管道。

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

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