架空管道保冷材料仿真与分析

吕小明 李英杰 李 虎 董江洁 朱 琳 陈良飞 黄良福

中国石油新疆油田分公司采气一厂

1 背景描述

某采气厂地处高纬度地区，在建深冷管线和装置面临评价所选柔性保冷材料与保冷工艺的适用性、安全性问题。对于保冷层经济厚度选择、管线冷损失核算缺乏有效技术手段，无法获知其保冷效果，为建成投产、运行维护工作带来困扰。在建深冷管线和装置欲选用柔性保冷材料与PIR材料。柔性保冷材料由丁腈橡胶聚合物发泡（LT）和二烯烃泡沫（LTD）组成，内层采用LT，为减振兼顾隔热层。外层采用LTD，是主保冷层两种材料相互组合使用。聚异氰脲酸酯主要结构是异氰脲酸酯环。两种材料物性参数比较如表1。

表1 保冷材料热物性参数

2 有限元模拟分析

2.1 建立几何模型

建立介质流—管道—防腐层—绝热层—防潮层—空气流物理模型。基于现场工艺参数，选择脱甲烷塔中温度最低管线，管径89mm，壁厚5mm。建立架空保冷管道三维模型。保冷层最外层建立空气层，厚度为管道内部各材料厚度之和。表2为保冷材料为柔性保冷材料时，各层材料物性参数。表3保冷材料为PIR时，各层材料物性参数。

表2 各层材料物性参数（柔性保冷）

3 4保冷层（黑）空气层0.028 0.0242 50 196 50.00 1.225

表3 各层材料物性参数（PIR）

2.2 划分网格

使用ANSYS Mesh 网格生成模块选择四面体结构化网格对模型进行网格划分。

2.3 Fluent中模拟管道流动

将划分好网格的模型导入Fluent 模块中，模拟甲烷管流状态。打开能量方程与k-ε 湍流模型[4]。随后基于设置入口截面的边界条件以及流固交界面，进行计算。

2.4 Steady-StateThermal模块中进行流固耦合。

固定管内甲烷温度不变，改变管外空气温度。基于该地区夏季最热月平均气温，冬季最冷月平均气温，外部空气温度每改变4℃进行一次模拟。分别得到PIR 和柔性保冷材料最外层壁面温度及两种材料热流密度，分别做出变化曲线。最后对两种材料保冷效果进行比较。

3 模拟结果

3.1 柔性保冷材料模拟结果

图1为柔性保冷层最外壁温度变化曲线。外部气温每下降4℃，保冷层最外壁温度变化。当外界温度下降4℃时，保冷层外壁温度同时下降4℃左右。图2为柔性保冷材料热流密度变化曲线。当外部气温下降时，保冷层热流密度同时下降，当外界温度下降4℃时，保冷层的热流密度降低2W/m2。

图1 柔性保冷材料最外层温度变化曲线

图2 柔性保冷材料热流密度变化曲线

3.2 PIR模拟结果

图3 为PIR 最外层温度变化曲线。外部气温每变化4℃下，保冷层最外壁温度变化。当外界温度下降4℃时，管道外壁温度同时也下降约4℃左右，热流密度降低2W/m2。图4 为PIR 最外层温度变化曲线。外部气温每变化4℃下，保冷层热流密度变化。当外界温度下降4℃时，保冷层热流密度降低2W/m2。

图3 PIR最外壁温度变化曲线

图4 PIR热流密度变化曲线

4 两种材料比较

4.1 温度分布

如图5 所示，保冷材料选用柔性保冷材料，当外部气温为43℃时，保冷层最外壁温度为41.024℃。如图6 所示，保冷材料选用PIR时，当外部气温为43℃时，PIR最外层温度为40.844℃。

图6 PIR最外层温度示意图

4.2 热流密度分布

如图7所示，保冷材料选用柔性保冷材料时，当外部气温为43℃时，柔性保冷材料热流密度为64.521W/m2。如图8 所示，保冷材料选用PIR 时，当外部气温为43℃时，PIR 的热流密度为69.884W/m2。

图7 柔性保冷材料热流密度示意图

图8 PIR热流密度示意图

5 结论

由模拟结果可知，在最高的极端温度下，柔性保冷材料最外层温度高于PIR 最外层温度。因此柔性保冷材料比PIR 保冷效果更好，散热损失量低，更能满足工艺要求。