输水管道冬季输水保温的研究

郭 锋，路晓婷

（兰州交通大学 土木工程学院，甘肃兰州 730070）

输水管道冬季输水保温的研究

郭 锋，路晓婷

（兰州交通大学 土木工程学院，甘肃兰州 730070）

对于冬季运行的混凝土结构，混凝土表面的温度受到气温与太阳辐射热的影响，从而使输水管道内外壁面形成较大的温度差，影响结构的安全可靠性。文中根据固体热传导理论，结合边界条件，利用ANSYSY有限元软件数值模拟冬季输水条件下无保温措施与有保温措施输水管道。数值模拟结果表明：冬季气温下降迅速，导致管道表面出现温度裂缝，采取保温措施，可有效地控制温度裂缝。

冬季输水；输水管道；温度场；温度应力；保温效果

在我国北方地区，冬季气温较低且持续时间较长，并且冬季降雨量特别小，需要输水管道在冬季运行供水。扬黄工程从宁夏吴忠市东干渠提引黄河水，冬季提取的河道水流温度要比气温高，管道内壁温度接近水温，由于水的比热大，温度变化小，管身产生了很大的横向温度应力，表面出现了裂缝。温度应力形成的裂缝严重影响结构的耐久性与安全性。因此，输水管道在冬季运行过程中，应采取有效的保温措施，防止表面温度裂缝的产生。

1 输水管道的热传导方程

假定输水管道的壁面结构为半无限厚板，水温沿输水管道方向分布均匀，管道环向温度分布也是均匀的。那么只有在壁厚方向存在热传导，从而将三维固体热传导简化为一维热传导，运行期的水工建筑物，混凝土温度已经达到稳定温度，气温与管道内水流温度影响结构的温度。取输水管道横截面建立二维模型来数值模拟。一维温度场T（x，t）满足热传导方程

式中：a——混凝土的导温系数，a=λ/cρ，m2/h；λ——混凝土导热系数，W/（m·k）；c——混凝土的比热，W/（m·k）；ρ——混凝土的密度，kg/m3。

2 输水管道的温度边界条件

固体热传导方程确定了固体温度场随时间与空间变化的规律，如果想得到需要的温度场，必须引入相应的边界条件与初始条件，这样才能得到热传导方程的定解。

2.1 初始条件

在初始时刻，导热物体内部的温度分布是坐标的已知函数，即当t=0时，

2.2 边界条件

固体热传导理论中，温度边界条件存在四类，但输水管道的温度边界条件根据实际情况可为第一类边界条件和第三类边界条件。

1）第一类边界条件。混凝土表面的温度T是时间的已知函数，即

输水管道外表面混凝土与水接触时，内表面温度等于已知的水温，即T混凝土=T水。

2）第三类边界条件。当混凝土与空气接触时，靠近固体表面存在层流边界层，在黏滞流边界层内，温度是线性分布的。从而假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T与气温Ta温度差成正比。

式中：β——混凝土表面放热系数，W/（m·k）；n——壁身外法线方向。

3 计算实例

3.1 原始资料

扬黄工程从宁夏吴忠市东干渠采用圆形输水管道提引黄河水，输水管道断面为环状，内壁半径0.6 m，外壁半径0.7 m，管壁厚度为0.1 m，结构采用钢筋混凝土结构，混凝土为C30，模拟冬季输水工况，其材料参数：外界气温为-10℃，内壁水温-3.35℃；输水管道外表面采用30 mm聚氨酯保温板；假定输水管道横截面各向同性，材料均匀，混凝土热膨胀系数α为0.000 01，弹性模量E为3.0×104MPa，混凝土导热系数λ=1.74 W/（m·k）。泊松比μ=0.167，聚氨酯保温板的导热系数λ= 0.016 3 W/（m·k），混凝土表面的散热系数β= 17.4 W/（m·k）。

3.2 ANSYS计算模型的建立

运用ANSYS数值模拟软件对圆形输水管道建模分析在冬季运行期间的温度场和温度应力。由于沿管道长度方向的温度保持不变，则冬季输水工况下的横截面温度应力变成平面应力问题。考虑的结构的几何对称和荷载对称条件，取对称轴截取的1/4横截面平面有限元模型，模型含有1 200个单元。

3.3 温度场和温度应力计算结果

运用ANSYS有限元软件，分析了圆形输水管道在有保温措施和无保温措施两种工况下的温度场和温度应力，图1和图2给出了2种工况下的温度场与温度应力等值线图。

3.3.1 无保温措施

输水管道在冬季运行，由于管道外壁处于外界低温环境中，管道内壁与水接触，从而内壁的温度高于外壁的温度，形成了管壁内压外拉。

图1 无保温措施温度场与温度应力

通过输水管道冬季低温环境下温度场的数值模拟，将模拟温度场作用在结构上，得到了冬季输水工况下管道在无保温措施情况下温度应力的分布规律，图1中数值正为拉应力，负为压应力。计算结果表明，无保温措施时，管壁沿壁厚方向的温度场近似成线性分布，管壁内外表面温度梯度较大。由于管壁内外温度差很大，导致管道内外壁面在径向与环向出现较大的温度应力，环向最大温度应力分布在管道外壁，最大拉应力为1.71 MPa。3.3.2有保温措施

有保温措施时（见图2），保温板有效地阻碍了内部水温通过管壁向外部低温环境的散失，很大程度上阻止外部冷空气的向管壁内部入侵，从而有效地控制了管壁内外的热传导效果，使外壁温度有了显著提高，从-8.86℃升高到2.01℃。输水管道内外壁面的温度梯度有了大幅度的减小，致使其温度应力有了明显的下降，环向最大拉应力分布在管壁外表面，最大拉应力为0.2 MPa。

由于流体的微观粒子运动，形成了通过流体质点的移动进行的热量传递，这与流体的流动状态有关，靠近壁面处有一薄层流体顺着壁面做层流流动，存在垂直于流动方向的热量传递。流体导热系数小，热量阻隔主要集中在该层。紊流层中流体质点剧烈掺混，温度均匀。从而与管道内壁接触边界条件应考虑对流换热系数hc（W/（m2·℃）选取对流换热系数：外管壁为30hc，内管壁为3.5hc。

图2 有保温措施温度场与温度应力

4 结论

根据有限元基本理论，通过计算2种工况温度场，并对比输水管道在有保温措施和无保温措施2种情况下的温度场和温度应力的变化情况，可得出以下结论：

1）混凝土管道在冬季低温环境下输水时，由于水温和气温所造成的温差均能在横截面的产生较大径向与环向的温度应力，很容易导致管道表面产生裂缝。

2）当管道壁面设置0.3 cm保温板，削减了管道内外壁面温差，使得管道厚度方向温度梯度大为减小，从而降低了表面环向拉应力峰值，达到控制表面裂缝的目的。

3）2 种工况下沿管道厚度方向的温差呈线性分布，沿环向的温度分布是均匀的，横向温度应力分布符合管道自身约束产生的自应力。

［1］张洪剂.热传导［M］.北京：高等教育出版社，1992：150-197.

［2］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1999.

［3］何文社，季日臣.水力学［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［4］王新敏.工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

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2016-07-13