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(yè)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(yōu)良的化學惰性、優(yōu)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(yōu)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(fā)揮兩種材料的優(yōu)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(wěn)態(tài)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(guī)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(huán)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(wěn)態(tài)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(yōu)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(yōu)于普通的單層碳鋼管道。