基于Workbench的鞍座温度场计算及选材建议

房全国 岳 明 杨铁桦 张志华 中国五环工程有限公司 武汉 430223

鞍座是卧式容器的主要支撑形式，其材料的选择应综合考虑容器的设计温度(尤其是低温工况)、环境温度和经济合理性等[1]。参考《塔式容器》NB/T47041-2014，鞍座与环境有关的最低设计温度可取使用地区历年月平均最低气温的最低值加20℃[1-3]，但没有标准及资料明确设备设计温度与鞍座设计温度的关系，尤其是高温设备和低温设备。另外，土建专业设计也很关心鞍座底板的温度高低。针对这些问题，设计人员只能凭经验估算[4]。

随着计算机技术和有限元软件的迅速发展，数值模拟的研究方法受到各行各业的广泛关注[5-7]。本文利用ANSYS软件中的Workbench平台，对工程中某设备鞍座的温度场进行模拟计算，得出鞍座的温度分布，并分析保温厚度、设备设计温度和环境温度对鞍座温度的影响，基于计算结果,对鞍座及其地脚螺栓的选材提出建议，为工程设计提供参考，同时也为支座的温度计算提供新的途径和方法。

1 研究对象

本文研究对象为工程项目中某卧式设备，直径为800mm，壳体厚度为44mm，设计温度为460℃，环境最高温度为40℃，壳体材料的导热系数为45.4W/(m·℃)，设备保温厚度为100mm，保温材料的导热系数为0.13W/(m·℃)，采用标准鞍座BⅠ800，鞍座高度为200mm，鞍座结构尺寸见图1。

图1 鞍座结构尺寸

假设垫板与筒体完全接触，计算时忽略筒体与垫板之间的空气热阻。在Workbench中建立的鞍座三维模型见图2，坐标原点为设备中心线与设备横截面的交点。

图2 鞍座三维模型

2 计算模型

2.1 数学模型

鞍座热分析时，其热量传递方式主要有热传导、自然对流和热辐射[8]。

(1)热传导遵循傅立叶定律：

(1)

(2)对流换热遵循牛顿冷却公式：

Q=Ah(ts-tf)

(2)

式中，ts和tf为表面温度和流体温度；A为换热面积；h为对流换热系数。

(3)热辐射遵循斯蒂芬-波尔兹曼定律：

(3)

式中，ε为物体的发射率(黑度)；A1为辐射面1的面积；σ为斯蒂芬-波尔兹常数；F12为辐射面1到辐射面2的形状系数；T1为辐射面1的绝对温度；T2为辐射面2的绝对温度。

(4)热分析的理论基础是能量守恒定律，采用有限元分析时，稳态热分析的能量守恒方程以矩阵形式表示为：

[K]{T}={Q}

(4)

式中，为热传导矩阵，包括导热系数、对流系数、形状系数和辐射率；{T}为节点温度向量；{Q}为节点热流率向量。Workbench利用模型的几何参数、材料的性能参数以及边界条件，生成、{T}和{Q}。

2.2 网格划分及边界条件

网格划分是模拟计算的关键一步，本文利用Workbench平台中的mesh对建立的鞍座模型进行网格划分。网格采用四面体网格，网格节点数为23万，网格数为15万。

边界条件：筒体内壁温度为460℃，筒体截断处、设备和鞍座保温处为绝热边界，其他壁面(鞍座未保温壁面)设置为自然对流，同时考虑辐射传热，自然对流换热系数一般为5～10 W/(m2·℃)，此处取对流换热系数为5W/(m2·℃)，环境温度为40℃，辐射传热壁面发射率(黑度)为0.8。

3 模拟结果及分析

(1) 鞍座温度分布

模拟计算得到鞍座的温度分布，见图3、图4。

由图3、图4可以看出，筒体的温度较高，筒体内表面与外表面的温差较小，与鞍座腹板、筋板的温

图3 鞍座整体的温度分布

图4 鞍座底板的温度分布

差较大，沿腹板竖直方向从上至下温度逐渐降低，腹板和筋板顶部与设备筒体温度相近。鞍座底板温度较低，整体分布均布，在鞍座底板靠近腹板和筋板的位置局部温度较高。

模拟计算得到腹板最高温度约为459℃，筋板最高温度约为440℃，底板最高温度约为139℃，地脚螺栓附近底板温度(近似等效为地脚螺栓温度)约为110℃。

(2)设备保温厚度对鞍座温度分布的影响

为了考察鞍座处保温厚度(见图1)对鞍座温度分布的影响，本文对鞍座处设备保温厚度分别为0mm、50mm、100mm和150mm四种工况下的鞍座进行了温度场模拟，模拟时将被保温材料包裹的鞍座部分设置为绝热边界，模拟结果见图5、图6。

图5 不同设备保温厚度下鞍座不同位置处的温度分布

图6 不同设备保温厚度δ下鞍座温度分布

由图5、图6可以看出，不同设备保温厚度下鞍座的温度分布相似，随着设备保温厚度的增加，鞍座同一位置处的温度增大。当设备保温厚度由0增加到150mm时，鞍座腹板最高温度(A点)由438℃增加到459℃，筋板最高温度(B点)由403℃增加到442℃，底板最高温度(C点)由115℃增加到166℃，地脚螺栓附近底板温度(D点)由92℃增加到128℃。

(3)设备设计温度Td及环境温度Ta对鞍座温度分布的影响

为了考察设备设计温度Td及环境温度Ta对鞍座温度分布的影响，本文通过改变设备设计温度Td及环境温度Ta对不同工况下的鞍座进行温度场模拟，保温厚度为100mm，模拟得到鞍座的温度，见表1～表4。

表1 Td≤0℃时腹板的最低温度和Td>0℃时腹板的最高温度 (℃)

表2 Td≤0℃时筋板的最低温度和Td>0℃时筋板的最高温度 (℃)

表3 Td≤0℃时底板的最低温度和Td>0℃时底板的最高温度 (℃)

表4 地脚螺栓附近底板温度 (℃)

由表1和表2可以看出，Td≤0℃时腹板和筋板的最低温度以及Td>0℃时腹板和筋板的最高温度，与设备的设计温度相近，受环境温度影响不大。腹板和筋板的设计温度可考虑取与设备设计温度相同。

由表3和表4可以看出，Td≤0℃时底板的最低温度和Td>0℃时底板的最高温度和地脚螺栓附近底板温度，与设备的设计温度相差较大，其温度随设备的设计温度和环境温度的升高而升高。底板的设计温度可参考表3取值，地脚螺栓的设计温度可参考表4取值。

4 鞍座及其地脚螺栓的选材建议

参照表1和表2，腹板和筋板的设计温度可考虑取与设备设计温度相同，参考NB/T47065-2018规定，当-20℃≥Td≥200℃时，腹板和筋板材料可选择Q235B、Q345B或Q345R；当-40℃≥Td>-20℃时，腹板和筋板材料可选择Q345R；当Td<-40℃时，腹板和筋板材料应提出低温检验要求或选用其他合适材料；当Td>200℃时，腹板和筋板材料可选择与筒体一致，并根据实际材料的许用应力计算鞍座。

参照表3，在鞍座高度为200mm，鞍座未被保冷的高度≥100mm情况下，当-20℃≥Td≥460℃时，底板的设计温度在-20～140℃范围，参考NB/T47065-2018规定，底板可选择Q235B、Q345B或Q345R；当-60℃≥Td>-20℃时，底板的设计温度在-20～-40℃范围，底板可选择Q345R；当Td<-60℃时，底板材料应提出低温检验要求或选用其他合适材料。

参照表4，在鞍座高度为200mm，鞍座未被保冷的高度≥100mm情况下，当Td≥-20℃时，地脚螺栓最低温度不低于-20℃，地脚螺栓材料可选择GB/T1591-2018规定的Q355D；当-40℃>Td≥-70℃时，地脚螺栓最低温度不低于-40℃，地脚螺栓材料可选择GB/T1591-2018规定的Q355NE；当-100℃>Td≥-70℃时，地脚螺栓最低温度不低于-60℃，地脚螺栓材料可选择GB/T1591-2018规定的Q355NF。

5 结语

本文利用Workbench平台对工程中某设备鞍座的温度场进行模拟计算，得到鞍座的温度分布，并分析保温厚度、设备设计温度和环境温度对鞍座温度的影响。分析得到不同保温厚度下鞍座的温度分布相似，随着保温厚度的增加，鞍座同一位置处的温度增大；腹板和筋板的设计温度可考虑取与设备设计温度相同；底板的温度与设备的设计温度相差较大，其温度随设备的设计温度和环境温度的升高而升高，其设计温度可参考表3取值，地脚螺栓的设计温度可参考表4取值。基于计算结果，对鞍座及其地脚螺栓的选材提出建议。因为鞍座处较低温度部件的约束，还应在必要时考虑因为筒节与鞍座部件之间的温度差引起的二次应力。