UHMWPE 复合套管导热性能数值模拟

尹站峰，秦建华，张志力

（武汉工程大学，湖北 武汉 430200）

UHMWPE 塑料管道已被国内外广泛应用于工农业生产和社会生活的各个方面，UHMWPE 管材具有极高的抗疲劳强度、耐磨性和力学性能、优良的化学惰性、优良的抗老化性、极低的摩擦系数和较低的导热系数[1-3]。UHMWPE 塑料管道凭借其优良的综合性质逐渐成为输送各种匀质与非匀质介质的理想管材。但是UHMWPE 塑料管道也有其无法弥补的缺点，其抗蠕变性能较差导致单层的UHMWPE 管道在长期使用过程中容易产生塑性变形。普通的碳钢管道在运输强酸强碱介质容易被腐蚀内壁，并且碳钢管道的导热性能非常好，这就导致介质在传输中有大量的热损失与能源浪费，在实际应用中通常需要在碳钢管道外部制作保温层，这就增加了一定的经济成本。使用UHMWPE 管外套碳钢管道的方式，可以发挥两种材料的优点，复合管道在保证一定刚度的前提下，其整体抗腐蚀与保温性能也得到了提升。本文通过ANSYS 计算模拟的方式，对室外架空的UHMWPE 复合管道进行稳态热分析，为UHMWPE 复合管道在工程建设的应用提供一定的理论依据。

1 管道几何模型建立

UHMWPE 复合管道由外部碳钢管道与内部UHMWPE 管道共同组成，其结构示意图如图1 所示，其中外部材料为Q235 碳钢，内部材料为450 万超高分子量聚乙烯，两种材料的具体参数[4-5]见表1。

表1 内外管道材料参数

图1 复合管道截面图

为了分析不同规格管道，不同的内管外管厚度对UHMWPE 复合管道保温性能的影响，本文根据HG/T 20538—2016《衬塑钢管和管件选用系列》共设计5 种不同的管道尺寸另外额外增加一组单层Q235 管道作为对比，其具体参数见表2。

表2 管道尺寸

2 有限元模型建立

本次数值模拟采用SolidWorks 软件3D 建模，并将其导入ANSYS WORKBENCH 中首先进行有限元网格划分，网格划分质量会对计算结果产生较大影响。为了提高数值模拟计算的准确性，本次模拟将复合管道划分为六面体网格数量251 000 个。经检查网格质量良好，如图2 所示。

图2 复合管网格模型

模型网格划分后对复合管整体进行传热分析，设置边界条件为内层UHMWPE 内壁面的工作温度分别为80℃和50℃，外层碳钢管道与空气接触，其对流换热系数设置为10 W/（m2·℃），环境温度为20℃，并且设置外管内表面与内管外表面的接触关系为绑定接触[6]，内外层管道之间的传热方式为热传导方式遵循傅里叶定律[7]，见公式1：

其中，q``为热流密度，单位W/m2；k为导热系数，单位W/（m·℃）。

3 UHMWPE 复合管道传热分析结果与讨论

通过数值计算模拟结果得出UHMWPE 复合管道分别在50℃和80℃工作温度时的稳态温度场分布如图3、图4 所示，复合管内壁面温度与外管温度最大温差见表3。

图3 内壁面50℃温度分布

图4 内壁面80℃温度分布

通过对图3、图4 和表3 的分析可以得到如下结论：

表3 复合管内壁面温度与外管温度最大温差

（1）对于同种尺寸的复合管道UHMWPE 内层管道的厚度越大复合管道的保温性能越好。

（2）对于相同厚度的UHMWPE 内层管道，DN100的复合管道的保温性能略优于DN200 的复合管道。

（3）同种外界温度，内层管道的工作温度越高，内外管道的温差越大，其复合管整体的保温效果越好。

（4）DN100 和DN200 的复合管道保温效果无论在50℃还是80℃工作温度下都要优于普通的单层碳钢管道。