高温冷却水（共7篇）
高温冷却水 篇1
0 引言
发电机在运行过程中, 燃料燃烧会释放大量热量, 气缸中温度最高可达到2 000℃, 但其中可以转化为机械能的只有30%～40%, 近1/4的热能被冷却系统带走。如果发电机冷却系统无法正常工作, 冷却水温过高, 将会给发电机正常工作产生极大影响, 因此, 实践中要对发电机组冷却水高温报警问题予以特别注意。
1 报警系统总体设计分析
如图1所示, 报警系统 (BNWAS) 中的检测系统主要由单片机、数据存储器、LED显示器以及RS-485通讯接口等部分组成。采用单片机MCS8751构成检测系统的核心部分, 根据单片机内部计时中断, 实现休眠时间可设置为3～12 min区间内的调节;使用复位按钮, 用于安全值班报警系统重新计时, 采用ATMEL公司的Data Flash存储器AT24C02存储设定的参数及大量的测量数据;通过8只8端LED数码管显示进行光报警;也可以在PC机控制模式下, 采用RS-485协议, 实现数据的远程传输。
作为整个设计方案的核心, 采用单片机对可燃性气体进行采集、处理和显示;当可燃性气体浓度超出了预设的浓度时, 不仅可以发出声光报警, 而且可以驱动继电器进行进一步的处理。综合考虑了成本和性能方面的因素, 本次设计选用了美国Intel公司的8751单片机作为主控芯片。在1980年, 美国Intel公司推出了8位的MCS51系列单片机, 包括8051、8031和8751。三者之间主要的区别为片内程序存储器部分, 其中8751由于含有用作程序存储器的EPROM, 因此得到了更为广泛的使用。在8751单片机中, 中央处理器作为单片机的核心, 用于完成运算和控制操作;内含128字节的用户数据存储单元和128位专用存储单元以及4096的程序存储器;同时, 包括2个16位的定时/计数器, 用于实现程序控制;包含32位I/O口, 用于与外部设备通讯;包含一个全双工串行通信接口, 可以与上位机进行串行通讯;并含有2个外中断、1个串行中断和2个定时/计数器中断。DS12C887实时时钟芯片功能丰富, 可以用来直接代替IBM PC上的时钟日历芯片DS12887, 同时, 它的管脚也和MC146818B、DS12887相兼容。由于DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息, 其内部又增加了世纪寄存器, 从而利用硬件电路解决了“千年”问题;DS12C887中自带有锂电池, 外部掉电时, 其内部时间信息还能够保持10年之久;对于1天内的时间记录, 有12小时制和24小时制2种模式。在12小时制模式中, 用AM和PM区分上午和下午;时间的表示方法也有2种, 一种用二进制数表示, 一种是用BCD码表示;DS12C887中带有128字节RAM, 其中有11字节RAM用来存储时间信息, 4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息, 称为控制寄存器, 113字节可以通过RAM使用户使用;此外用户还可对DS12C887进行编程以实现多种方波输出, 并可对其内部的3路中断通过软件进行屏蔽。
2 发电机组冷却水高温报警分析
2.1 导致发电机组冷却水高温报警的原因
导致发电机组冷却水高温报警常见的原因主要有以下几点:
(1) 未及时清洁发电机组冷却水箱散热器表面, 这也是实践当中最为常见的导致发电机组冷却水高温报警的原因, 特别是在环境中灰尘较大的情况下, 散热器外表面很容易被灰尘所堵塞, 还有就是在发电机组工作当中, 冷却风扇所产生的吸力有可能会将一些杂质吸附到水箱处, 这样就会影响到正常的通风, 进而导致散热受影响。
(2) 发电机组冷却水箱存在泄露问题, 导致冷却液流失。发电机组使用过程中要定期进行仔细检查, 看是否存在泄露点, 如果发电机组冷却水箱存在泄露导致其中的冷却水量不足, 也会引发冷却水高温报警。
(3) 在经过一段时间的使用之后, 发电机冷却风扇皮带将会出现一定程度的磨损及老化, 弹性也会相应降低, 甚至会出现皮带断裂问题, 这就给冷却风扇的正常工作造成极大的不利影响;此外, 还有另外一种比较罕见的情况, 就是冷却风扇皮带轮轴承出现较为严重的磨损、下垂, 进而导致皮带松弛, 这也会给吹风能力造成一定的不利影响。
(4) 发电机组冷却水泵出现故障, 造成发电机冷却水箱中的冷却水无法实现正常的循环, 这也会导致冷去水温度上升发出高温报警。
(5) 由于所使用的冷却液不符合相关标准, 导致冷却水管中出现水垢或者铁锈等杂物, 并对冷却水的正常循环造成影响, 进而引发冷却水温度上升发出高温报警。
2.2 解决对策
针对以上所总结的导致发电机组冷却水高温报警的几大常见原因, 笔者建议在实践中可以相应地采取以下解决对策:
(1) 要及时对发电机组冷却水箱散热器外表面进行清理, 尤其是在干燥灰尘较大的情况下, 要注意散热器不被灰尘堵塞, 定期用清水清洗发电机组冷却水箱的外表面;定期检查水箱处是否有杂质存在, 一旦发现杂质要及时清除。注重保持发电机房的整洁十分重要。
(2) 要定期对发电机组冷却水箱进行仔细检查, 特别需要检查冷却水箱和发电机身各个冷却水管道是否出现泄露问题, 一旦发现泄露点, 要及时加以修补, 并在修补好之后及时向发电机组冷却水箱中补充冷却液, 使其达到正常标准。
(3) 对于由于使用时间较长导致的发电机组冷却风扇皮带老化而失去弹性的问题, 实践中比较常用的解决对策大致有2种:一种是更换冷却风扇皮带, 需要注意的是, 并不是只将某一条皮带进行更换, 而是需要同时更换一整组皮带。皮带的新旧程度将会产生较为明显的影响。在发电机正常工作过程当中, 冷却风扇将会受到较大的离心力以及空气剪切力的影响, 而此时如果一组皮带之间在弹性方面存在较大差别, 将会影响冷却风扇的工作, 风扇片不容易维持基本的平衡。此外, 由于冷却风扇与冷却水箱以及护钢之间需要精密匹配, 平衡度的改变很可能会导致风扇出现相互碰撞情况, 最终造成3大器件的毁损。对于实践中比较少发生的冷却风扇皮带轮轴承出现较为严重的磨损、下垂, 进而导致皮带松弛的问题, 主要就是在对其进行日常保养时为冷却风扇皮带轮轴承添加适量的润滑剂, 使冷却风扇皮带轮轴承保持润滑状态。
(4) 对于由于发电机组冷却水泵自身的故障所造成的发电机冷却水箱中的冷却水无法实现正常循环, 从而引发冷却水温度上升发出高温报警问题, 主要是因为经过一定时间的使用之后, 发电机组冷却水泵的内部齿轮出现一定程度的磨损, 进而发生泄漏, 这一问题在备用油机中发生的几率比较低, 一旦出现这种问题, 要及时地与厂家联系, 由其指派专业维修人员及时进行修理或者是直接将发电机组冷却水泵进行更换。
(5) 发电机所使用的冷却水最低标准是达标的自来水, 条件具备最好选择蒸馏水、去离子水或者是纯水。如果已经出现比较严重的堵塞, 要按照比例配置一定量的清洁剂进行清洗, 并用清水循环清冼, 防止清洁剂残留造成管道腐蚀。
3 结语
综上所述, 在实践中要从实际情况出发, 对导致发电机组冷却水高温报警问题的原因进行深入分析, 以便采取有针对性的解决对策。
参考文献
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[4]李海燕.大型发电机内冷水系统优化运行综述.陕西电力, 2010 (2)
高温油泵机械密封冷却系统改进 篇2
初底泵是150AYⅡ150×2B型, 使用波纹管机械密封, 减底泵和常底泵均为100AYⅢ120×2B型, 使用波纹管机械密封。介质温度200～400℃, 操作压力0.75～1.75MPa。每台泵的平均水垢故障率在7～20天。机修车间的工作量增加, 经常拆泵也使油泵组装精度降低, 特别是冷却水水质差, 极易结垢, 易造成机械密封失效。
二、原因分析
1. 从所用冷却水分析
从泵的密封腔中取出结垢样本进行盐酸滴定试验, 发现水垢只有很少一部分被盐酸溶解。因此, 对冷却水取样送中心化验室化验, 化验结果见表1。
从表1的对比中可以发现, 悬浮物含量是控制指标的5倍, COD (Chemical Oxygen Demand化学需氧量又称化学耗氧量) 含量则高达控制指标的20多倍。由此可以断定, COD和悬浮物含量的异常是导致冷却水结垢的主要原因。COD是利用化学氧化剂 (如高锰酸钾) 将排水中可氧化物质 (如有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等) 氧化分解, 然后根据残留氮化剂的量计算出氧的消耗量, 是表示水质污染度的重要指标。COD值越小, 说明水质污染程度越轻。COD含量超标, 为各种细菌的滋生提供了温床, 从而产生生物粘泥, 随着生物粘泥的增多, 最后导致冷却水管线堵塞。生物粘泥在高温下硬结, 即使使用盐酸也很难溶解。
2. 从机械密封结构分析
波纹管机械密封的结构安装情况, 见图1。由图1可知, 冷却水进入冷却腔后, 会分别流入5处。其中动环与轴套处为1, 轴套外圆与水套内圆间隙处为2, 水套外圆与静环波纹管内圆间隙处为3。流入到1处的冷却水不能流动, 称为“死水”, 冷却效果不佳。一般水垢的生成温度在80℃左右, 但1、2、3处的温度比较高, 钙镁盐类的结晶首先在这3处析出, 生成水垢。无论是疏松的碳酸盐水垢, 还是坚硬的硫酸盐、硅酸盐水垢, 生成速度很快, 特别是温度最高的动环1处。由于1、2、3处水垢的生成, 降低了轴套及动静环密封面的表面光洁度。首先造成密封面磨损, 使机械密封出现轻微渗漏。水垢进一步增加, 会减小3处间隙, 使冷却水冷却效果进一步下降。当水垢在静环波纹管内圆和水套处堆积并堵死静环环座与水套的径向间隙时, 就会引发机械密封故障。
三、对策
1. 增大冷却水的过水间隙
修改轴套和水套及压盖上的进出、水眼的尺寸, 增大冷却水的过水间隙。具体做法是将压盖的进水孔由原来的5mm改为7mm, 将出水孔由原来的5mm改为8mm。重新定做水套, 将水套外圆尺寸减小1.5mm, 从而加大机械密封波纹管和水套的间隙, 同时将轴套的外圆车掉1.5mm, 保证回流水能顺利回流。
2. 改软塑料冷却水管为金属软管连接
采用金属软管连接, 可避免软管被烫坏而导致的机械密封故障。
3. 定期进行放空
冷却水管线安装低位放空装置, 定期放空, 将水管线中的沉积物排除。特别是在生产装置开停工期间, 做好放空工作将极大减少开工期间的通冷却水的次数。
四、效果
高温重油泵机械密封冷却系统改造 篇3
一、机泵工况
大港石化公司催化裂化装置油浆泵型号为200ZPY315, 流量为350m3/h, 扬程110m, 转速2 980/min, 轴功率132kW, 为波纹管密封。输送介质为催化油浆, 介质温度为370℃, 泵入口压力为0.4MPa, 泵出口压力为1.25MPa。
2009年, 该泵机械密封发生泄漏事故5次, 对该机泵机械密封系统拆检和更换时均发现: (1) 机械密封端面的内侧形成一层较厚的水垢, 波纹管夹缝处水垢更多, 导致波纹管弹性减弱、伸缩不自由; (2) 机械密封端面的外侧形成一层较厚的原油结焦物, 动环端面有微小凹坑, 密封端面出现龟裂现象但无划痕, 辅助密封垫圈无异常。
二、机械密封失效原因分析
机泵机械密封使用的冷却水为循环水, 冷却水在循环使用过程中逐渐沉积大量的无机盐及微生物, 其中含有大量的难溶或微溶的盐类, 如碳酸盐、硫酸钙、硅盐以及氧化铁等。冷却水冷却机械密封时, 在高温作用下水被不断浓缩, 温度和碱度也不断升高, 从而使这些盐类溶解度下降而在水中呈饱和状态、结晶析出, 在机械密封端面及波纹管波谷等间隙处逐渐形成水垢, 造成静环的密封面磨损、波纹管弹性降低或失去弹性, 机械密封端面的封闭状态破坏, 最终导致机械密封失效, 发生泄漏。
还有一种物理现象, 即当机械密封两侧结垢后, 严重影响机械密封端面的散热, 也会使密封端面的温度越来越高, 当超过机械密封使用温度时将造成密封端面龟裂。当端面液膜的饱和蒸汽压大于端面比压时, 液膜气化顶开密封端面造成机械密封失效泄漏, 其冲击力非常大, 会在密封端面的软质面上形成凹坑。
三、改造方案
由于结垢主要原因为循环水水质差、无机盐、微生物等杂质夹带, 更换冷却介质、使用蒸汽冷却系统替代循环水冷却系统, 可以有效解决机械密封体结垢的问题。
蒸汽冷却系统的优点如下。
(1) 不结垢。低压蒸汽水质好, 盐分等杂质夹带微量, 不存在结垢现象。
(2) 冷却效果好。蒸汽流速比循环水快、压力高, 可以减少在机械密封体内停留时间, 快速冲刷密封腔, 及时清理泄漏异物, 保持密封腔清洁, 避免结焦、结垢。同时蒸汽温度高于循环水温度, 与高温重油温差小, 可减少波纹管等密封元件因温差大而产生的变形失效, 减轻密封端面结焦现象。
(3) 相比循环水使用量, 蒸汽使用量小, 经济效益高。
(4) 现场整洁。蒸汽清洁且用量小, 符合清洁生产的要求。
机械密封结构如图1所示。
油浆温度为370℃, 而1.0MPa饱和冷却蒸汽温度为180℃, 冷却蒸汽压力和温度分别为0.2MPa和120℃, 满足机械密封冷却需要。
总管采用1.0MPa的饱和蒸汽, 经孔板节流后, 低压蒸汽由进汽口处注入波纹管内壁与冷却蒸夹套组成的空腔内, 经过铀套与冷却蒸汽夹套组成的空腔, 由出汽口排出。蒸汽流量的大小以出口冷凝后蒸汽略带水为标准控制。
四、改造效果
在2010年7月改造期间将回炼油泵机械密封冷却系统陆续改造为蒸汽冷却系统。改造至今, 9台泵均未发生因结垢导致的机械密封泄漏故障。同时, 因取消循环水系统, 冷却水及污油飞溅现象消失, 现场整洁, 卫生情况明显好转。
五、结论
蒸汽冷却在高温重油泵机械密封系统上的使用, 满足了生产的需要, 同时明显降低了机泵故障率和维修成本, 减少了循环水消耗, 实现了机泵的清洁、长周期运行, 提高了经济效益。
摘要：炼化装置高温重油泵机械密封泄漏多数是由结垢引起的。将机械密封循环水冷却系统改为蒸汽冷却系统, 冷却效果满足生产需要, 机械密封泄漏的故障率明显下降。
关键词：高温重油泵,结垢,蒸汽冷却
参考文献
[1]高武民.机械密封的失效原因分析及实际应用[J].石油化工设备技术, 2002 (2) 53~56.
[2]王汝美.使用机械密封技术问答[M].北京:中国石化出版社, 1999.
[3]李继和.机械密封技术[M].北京:化学工业出版社, 1987.
高温冷却水 篇4
1.1 工程设计概况
观音岩水电站位于云南省丽江市华坪县与四川省攀枝花市交界的金沙江中游河段, 为金沙江中游河段规划的八个梯级电站的最末一个梯级, 本工程为一等大 (1) 型工程, 以发电为主, 兼有防洪、灌溉、旅游等综合利用功能。水库正常蓄水位1 134 m, 库容约20.72亿m3, 电站装机容量3000 (5×600) MW。
观音岩水电站左岸碾压混凝土重力坝坝顶高程为1 139.00 m, 最大坝高为159 m, 混凝土大坝从左至右依次为:左岸非溢流坝段、左冲沙底孔坝段、河中厂房坝段、导流底孔坝段、双泄中孔坝段、导流明渠坝段、溢洪道过渡坝段、岸边溢流坝段、混凝土坝与堆石坝连接过渡坝段。
1.2 工程气温特点
观音岩电站工程区气象特征值以附近攀枝花市仁和气象站为代表, 其气象特征值见表1。
从表1分析观音岩水电站气温和相对湿度具有以下特点:观音岩水电站年平均气温为20.3℃;从3月份~10月份持续高温, 气温变化幅度不大, 其中5月份~8月份达到最高;从10月底至次年3月初气温相对较低, 气温变化幅度在3.4℃~4.6℃之间, 但平均气温仍达到12℃以上。全年各月多年平均相对湿度在44%~79%, 7月份~12月份持续在70%以上, 通过上述分析可以得出:观音岩水电站所在地的气候属于高温干燥的气候。
1.3 冷却通水的不利条件
1) 观音岩水电站左岸大坝主要为碾压混凝土坝, 工期紧, 施工强度高, 冷却通水要求较严格。
2) 左岸坝基基础约束区范畴大, 基岩对坝体的约束大, 基础约束对冷却通水要求高, 坝基高程主管道布置难度大。
3) 工程所在地夏季气温较高, 且持续时间长, 3月份~10月份平均气温在24℃以上, 一期通水冷却总量约272万m3, 其中约179万m3混凝土还需要进行中期及二期冷却通水, 冷却水耗量高峰期约为280 m3/h, 冷却通水工作量大, 难度高。
4) 昼夜温差大, 新浇混凝土表面容易受外界气温变化影响而出现温度倒灌现象, 加大冷却通水难度。
其中第3) 条对本工程冷却通水工作影响是最大的, 如何克服不利的环境因素对冷却通水的影响成为冷却通水工作急需解决的问题。
2 左岸高碾压混凝土坝冷却通水的技术要求
1) 一期通水冷却的主要目的是消减浇筑层初期水化热温升, 控制混凝土最高温度不超过容许范围, 并减少内外温差。
2) 埋设在仓面的冷却水管任何情况下不允许漏水, 混凝土入仓时即开始一期通水冷却。
3) 坝体混凝土一期通水冷却蛇形管进口水温为10℃~12℃或13℃~15℃。
4) 坝基填塘混凝土一期冷却蛇形管进口水温10℃~12℃。
5) 混凝土最高温度与进口水温之差不超过25℃。
6) 一期通水时间不少于21 d, 并应连续进行, 前10 d参考通水流量1.2~1.8 m3/h, 控制混凝土最大降温速率不超过每天1℃;10 d后参考通水流量不>1.2 m3/h, 控制混凝土最大降温速率每天不超过0.5℃。
3 长期高温干燥条件下冷却通水工艺布置
3.1 冷水机组的选择及规划布置
1) 冷水机组的选择。由表1分析可知, 11月~次年2月, 金沙江水水温低于15℃, 考虑常温水冷却, 3月~10月采用制冷水冷却。在3月~10月中, 最高的混凝土月强度为23.9万m3, 冷却水管共计354组, 按照通水21 d计, 同时有2/3的冷却水管在通水, 即236组水管, 按照通水流量1.2 m3/h, 共计255m3/h, 考虑10%的损耗, 一期冷水站按照280 m3/h设计, 二期按照800 m3/h通水设计, 二期冷却尽量安排在冬季, 采用常温水冷却, 中期的通水, 也采用常温水。
考虑到其他未知因素, 本工程冷水站采用多站式设计, 即由3个移动式集装箱冷水机组组成, 3台冷水机组生产能力分别为170 m3/h、250 m3/h、250 m3/h。
2) 冷水机组的规划布置。为满足左岸大坝混凝土冷却通水需求 (一期、中期、二期冷却通水) , 冷水机组一期布置在EL.1 060 m马道, 供应EL.980 m~EL.1 100 m高程的混凝土冷却通水, 当大坝混凝土浇筑至EL.1 100 m高程时, 冷水机组移至EL.1 100 m供料平台, 供应EL.1 100 m~EL.1 139 m高程的混凝土冷却通水。
该布置方案从冷水机组的技术参数出发, 在满足冷水机组扬程“上供50 m、下行60 m”要求的基础上, 尽量减少机组的转移次数及避免高温干燥条件下通水量, 达到了技术上可行、经济上合理的目的。
3.2 冷却供回水管道廊道内布置
为将高温干燥的外界环境对施工的影响降至最低, 经过多方论证, 反复调查研究, 将冷却供回水主管道分别布置在EL.983 m基础排水廊道、EL.1 021.5 m检查排水廊道、EL.1 063 m检查排水廊道、EL.1 100 m检查排水廊道内, 供应左岸大坝坝基EL.980 m至坝顶EL.1 139 m范围内的冷却水, 冷水机组至廊道口段用双层保温板裹实, 防止水温随外界的气温升高。每一个坝段预埋一定数量的穿廊道拱的套管, 套管内放置上下两层廊道高程内所需的所有通水管组, 套管外裹一层保温材料, 以防混凝土局部发生超冷现象, 此布置方案与常规坝后马道栈桥布置冷却水管相比, 优点如下: (1) 有效地防止了冷却供回水管因太阳光照射而升温现象的发生, 降低冷却通水难度及冷水机组运行负荷。 (2) 避免施工人员在高温酷暑环境中工作, 大大降低高温中暑事故发生的几率。 (3) 避免冷却水管翻坝后模板, 大大降低高空坠落事故发生的几率。 (4) 防止坝后模板提升及其他施工过程中, 对冷却水管的损坏, 有效保证了冷却水管的通畅率。 (5) 一般而言, 考虑到安全因素, 坝后冷却水管布置为:沿坝后每12 m左右布置一层马道或栈桥, 其上布置冷却水管;根据设计图纸, 每40 m布置一层廊道, 在每层廊道内布置冷却水管, 大大减少了管道的安装工程量, 节约了成本。 (6) 由于整个通水管组都埋设在混凝土内部, 闷温检测结果能更真实地反映混凝土内部的温度。
3.3 水包的布置
与冷却通水主管道一样, 为避免阳光对水包的直接照射导致水管内水温的上升, 将水包布置在廊道内的主管道上, 采用固定式与移动式结合的方式进行水包布置。对于管组数多、有中期、二期冷却通水的部位, 采用固定式水包布置:将整根DN80钢管与主管道平行焊接在主管道上, 在DN80管道上焊接短丝等附件, 用于与坝内冷却管组相连, 待中期、二期冷却结束后整体拆除, 该布置实际将整根DN80及其附件用作水包, 减少了焊接作业量, 有利于大量管组接管工作的规范化、有序化;没有中期、二期冷却通水的部位, 采用移动式水包布置:即水包上的支管采用PPR管, 与主管上的钢管短丝套接绑扎, 当闷温结束、结果合格后, 拆除绑扎铁丝, 用堵头封堵钢管短丝, 将拆除的水包整体移装至下一个安装点, 该布置由于PPR管为柔性材料, 移动灵活方便, 可以根据廊道内的空间任意调整水包的放置位置, 同时, 增加了材料的周转使用率。
固定式水包与移动式水包详见图1和图2。
3.4 冷却供回水系统与生产供水系统联网运行
由于冷却供回水管、生产供水管均布置在廊道内, 分别通过连通冷却回水管与生产供水管、冷却供水管与生产供水管, 实现冷却供回水系统与生产供水系统联网运行, 当江水水温低于12℃以下时, 或者冷却回水水温高于江水水温时, 通过调整联网系统的附件, 可达到既保证冷却通水的效果, 又节约成本的目的。
1) 冷却回水管与生产供水管连通。将冷却回水主管与生产供水管进行连通, 连通管上设置闸阀及逆止阀 (确保水流由冷却回水主管流入生产供水管) , 当冷水机组补充水的水温 (即生产供水) 低于冷却回水温度时 (温差3℃及以上) , 打开连通管上的闸阀, 关闭生产供水管上的控制阀门, 冷却回水管中的水全部流入生产供水管中, 供应大坝生产供水, 同时开启冷水机组补水管上阀门, 加大流量, 保证冷却水水源。
该方案在实际应用时, 不仅增加了冷水机组的制水量, 同时大大节约了冷水机组运行中的电费。
2) 冷却供水主管与生产供水管连通。将冷却供水管与生产供水管进行连通, 连通管上设置闸阀及逆止阀 (确保水流由生产供水管流入冷却供水主管) , 当江水水温低于12℃时, 开启连通管上的闸阀, 使用生产供水管中的水进行大坝冷却通水。
该方案在实际应用时, 确保了冷却通水效果, 节约了冷水机组运行成本, 同时为冷水机组的检修提供了充足的时间。
4 结语
高温冷却水 篇5
建筑物发生火灾时, 在高温作用下, 构件的截面温度会逐渐上升。对于钢筋混凝土构件, 由于混凝土材料的不可燃烧性和热惰性, 其内部会形成不均匀的温度场[1~3]。若想从理论上计算或分析结构的耐火极限, 需首先确定结构内部的温度分布。求解简单的导热问题, 可用解析法, 但是对于非线性边界条件下的导热问题, 解析法就不可行。针对这一问题, 本文采用大型有限元软件ANSYS对四面受火钢筋混凝土柱进行非线性温度场的模拟分析, 模拟结果与实测结果变化趋势一致, 其研究结果有助于进一步深入认识钢筋混凝土高温下的力学性能和耐火极限。
1 材料基本参数的确定
钢筋混凝土柱的组成材料主要为混凝土和钢筋, 具体参数取值如下:
(1) 热传导系数λc:同济大学结构工程与防灾研究所对混凝土的热传导系数进行了测试, 建议对高温下混凝土的热传导系数采用下式表示[4]:λc=1.6-7.06×10-4T, 而钢筋的导热系数参考T.T.Lie[5]的建议。
(2) 比热容C:根据文献[4], 混凝土的比热容可表示为:C (T) =840+420·T/850, 而钢筋的比热表达式为:Cs=0.481+7.995×10-7[k J/ (kg·℃) ]。
(3) 换热系数:在实际分析中使用综合换热系数来代替一般传热过程中的换热系数, 将辐射换热与对流换热综合考虑。具体取值见表1[6]。
(4) 质量密度:混凝土的质量密度取值为2400kg/m3, 钢筋质量密度保持为7800kg/m3。
2 四面受火钢筋混凝土柱温度场有限元模型的建立
2.1 单元选取
混凝土模型总高度为1800mm, 端部牛腿高度300mm, 截面尺寸100mm×300mm, 中部截面尺寸为100mm×150mm, 混凝土模型如图1。纵筋模型长度1800mm, 箍筋模型间距为100mm, 钢筋模型如图2。混凝土有限元计算单元选用Solid70, 钢筋有限元计算单元选用link33。
2.2 施加温度荷载
初始温度取试验时的环境温度, 对流边界条件可以作为面荷载 (具体输入参数为对流系数和室温) 施加于实体的表面, 计算固体和流体间的热交换。对于模型受高温区域, 受高温面和炉膛的热量交换主要是以对流和辐射进行的, 有限元分析中的对流系数采用综合换热系数[6]。本次试验柱升温速率取10℃/min, 柱内部温度通过布置4个热电偶得到, 具体见图3。
将计算得到的温度场作为模型的初始条件, 重新设置环境温度和冷却条件下的换热系数, 可以得出经历任意时间柱的截面温度分布。
2.3 柱截面温度场云图
图4为试验柱中部截面温度场云图。从图中可以看出, 截面外边缘等温线向其内部退化, 由于截面外边缘靠近高温气流, 温度梯度变化较大, 随着向构件截面内部深入, 温度梯度变化趋于平缓。
3 四面受火钢筋混凝土柱温度场试验验证
3.1 试验概况
本试验混凝土的强度等级为C25。粗骨料采用石灰岩, 水泥为强度等级32.5的普通硅酸盐水泥, 水灰比为0.55。试验最高温度分别为250℃、450℃和650℃三种。试验柱尺寸及配筋情况如图5所示。
3.2 试验结果与模拟结果比较分析
3.2.1 升温过程
试验柱跨中截面各测点温度-时间变化关系曲线见图6。以650℃为例, 从图中可以看出:实测温度变化与ANSYS模拟的温度变化吻合情况良好。其中, 实线为试验值, 虚线为预测值。
3.2.2 降温过程
图7为试验柱喷水冷却过程中截面各测点的实际温度与ANSYS模拟的温度的对比。本文ANSYS模拟的混凝土表面换热系数采用张建荣等建议的公式[7]。结果实测降温曲线的降温幅度比模拟的降温幅度大。
4 结论
(1) 在升温过程和冷却过程中, 数值模拟的结果和试验结果吻合良好。
(2) 有限元软件ANSYS对混凝土柱在高温后和冷却过程中的温度场进行模拟是可行的。
(3) 该研究为进一步深入认识钢筋混凝土柱高温下的力学性能及火灾损伤情况创造了条件。
摘要：利用有限元软件对高温后钢筋混凝土柱作三维温度场的非线性分析, 考虑火灾试验中柱子为截面跨中受火和四面加热。研究结果表明, 计算结果与试验结果吻合良好, 说明本文采用ANSYS软件对钢筋混凝土柱的耐火性预测较准, 从而为进一步深入认识钢筋混凝土柱高温下的力学性能创造条件。
关键词：喷水冷却,钢筋混凝土柱,温度场,ANSYS
参考文献
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高温冷却水 篇6
1 耐高温复合材料的概况
耐高温复合材料这一概念主要由日本石川岛播磨重工业公司于1992年率先提出, 其主要应用在温度高达2 100℃的航天飞机上, 被认为是最有希望的宇宙空间用材料, 但这种材料有一个显著的缺点, 那就是在其进入到大气层圈以内时就会被烧坏[2], 因此在使用过程中防止其进入到大气层后被烧毁, 可在其表面涂抹炭化硅素等, 提高其抗燃烧性。
到目前为止, 经常用于航天科技或尖端军事科技研发的耐高温复合材料主要有碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等耐高温涂抹材料, 以及各种耐高温陶瓷复合材料等。在超高声速吸气式发动机中, 使用这种耐高温材料当作燃烧室的室壁, 发动机的质量不仅会下降, 而且对于冷却剂的需求也会减少, 相应地也能满足此类发动机的正常运行。
2 耐高温复合材料的主动冷却实验
为了研究耐高温复合材料的主动冷却效果, 本次的研究设计主要通过一种复合的冷却方式的实验装置进行实验证明, 它主要是利用燃气发生器来创造出一种高温度高热流的恶劣环境, 然后在此环境下进行主动冷却的实验研究。
2.1 耐高温复合材料的主动冷却结构设计
在耐高温复合材料的主动冷却结构中, 燃烧的热燃气与受热层之间直接进行接触, 当冷却剂在流经冷却层以及冷却夹套时, 会直接带受热层与冷却层里的热量, 而这个模拟的复合材料主动冷却结构其受热层主要由陶瓷基等耐高温复合材料制作而成, 其冷却层面则主要由铜制作而成, 再在其上设置冷却通道, 而结构的壳体材料则通过耐热不锈钢制作而成;整个实验冷却结构装置则利用隔热性能的软质密封材料, 将其与其他部件分隔开来, 防止其热量流到其他部件, 而影响到整个实验结构的冷却效果。
2.2 研究复合主动冷却的性能与影响因素
如上所述, 设计出耐高温复合材料的主动冷却结构模拟图, 为研究其主动冷却的性能与影响因素, 需要利用燃气发生顺模拟出高超声速吸气式发动机运行时内部所产生的高温度, 高热流的恶劣环境, 以此来研究其冷却性能与影响因素。在这其中由燃气发生器提供高温高热流燃气, 然后利用转接段将其接入到方腔实验段, 再将复合材料的主动冷却结构装置放在方腔实验段中, 通过这次实验发现, 耐高温的复合材料结构板依然完好, 同时根据实验数据可以看出, 冷却剂的流量明显减少, 冷却效果良好, 其最高温度也没有达到复合材料的使用上限, 从测量出的温度结果趋势上来看, 这种新型的主动冷却结构有效实现了对发动机室壁的冷却效果, 在高温度高热量的燃气环境中可以长期使用。
3 耐高温复合材料主动冷却结构的数值计算
耐高温复合材料主动冷却结构的数值计算主要指的是结构沿壁厚方向的温度分布情况, 首先需通过一维传热模型及其控制方程, 将实验装置的轴向问题, 周边的温度变化情况等予以忽略, 其次在热燃气侧采用对流换热边界, 而对流换热系数则采用Eckert管流关系式
冷却剂侧同样采用对流换热边界, 其系数则采用米海耶夫公式:
式中:f表示的是定性温度中流体的平均温度值, 而w则表示定性温度中的壁温值。
在上述实验装置中由铜板材料构成的冷却通道, 其冷却肋提高了铜板与冷却剂之间的换热能力, 因此冷却通道的换热计算需要将冷却肋的影响因素考虑进去, 最后通过实验证明, 通过计算结构沿壁厚方向的温度分布情况, 可以精确地预示出耐高温复合材料主动冷却结构内部的温度系数, 因此通过主动冷却计算方式可以模拟出耐高温复合材料的各种参数变化情况[4]。
4 结束语
综上所述, 通过对耐高温复合材料概况进行分析, 探讨了耐高温复合材料的主动冷却实验以及主动冷却实验装置下的各个温度数值计算, 也希望探讨研究对我国的耐高温复合材料的研发应用起到一定的帮助作用。
参考文献
[1]彭丽娜, 何国强, 刘佩进, .耐高温复合材料的主动冷却实验和数值计算研究[J].宇航学报, 2008, (5) .
高温冷却水 篇7
实际工程中, 在修复经历火灾等高温作用后的钢筋混凝土结构时, 对于较低温度的高温作用区域, 往往只对混凝土结构进行表面松散层清理和灌缝处理, 而且在修复处理方案中, 一般只重视混凝土的承载力和稳定性修复, 而忽略了高温作用对混凝土结构耐久性的影响, 在混凝土结构中依然保留经历高温作用后的老混凝土。因此, 高温后混凝土结构的耐久性研究具有重要的工程意义[3]。大量研究表明, 混凝土结构的耐久性能与其渗透性能具有重要的相关性。本文对A、B两种配比的混凝土试块在经历高温作用并通过不同冷却方式冷却后, 对其进行毛细吸水试验, 探讨高温作用以及冷却方式对混凝土渗透性的影响, 进而研究高温作用对混凝土结构耐久性的影响。
1 原材料与配合比
本试验所用试件为普通混凝土试件, 试验原材料包括石子、河砂、水泥和水。其中, 石子选用樱花小镇石材厂生产的粒径为5~25 mm的花岗岩碎石, 压碎指标为7.8%, 表观密度为2 620 kg/m3;河砂产自青岛大沽河, 最大粒径为5 mm, 细度模数为2.6, 堆积密度为1 570 kg/m3, 表观密度为2 610 kg/m3;水泥为青岛山水水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥。为使混凝土具有良好的工作性能, 在制备过程中添加了聚羧酸高效减水剂。混凝土试件的配合比见表1。
kg/m3
2 试验内容及方法
2.1 高温损伤及冷却试验
将混凝土试块在养护室养护28 d后取出, 在20℃、相对湿度50%的恒温室内放置5 d, 平衡其内部湿度, 防止内部湿度过大导致高温下混凝土爆裂破坏。加热装置采用带温度控制的高温电阻炉。将试块放入电阻炉后, 以5℃/min的速度加热至目标温度, 然后保持该目标温度恒温3 h, 从而保证内部温度与表面温度一致。目标温度分别为100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃。恒温结束后将试块取出冷却, 冷却方式分别为自然冷却和喷水冷却[4,5]。自然冷却即将试块放于室温环境中使其逐渐冷却, 喷水冷却即用自来水喷至试块表面使其温度快速降低。试块高温加热前及通过不同方式冷却后应分别称其质量。
2.2 毛细吸水试验
按照ISO 15148—2002《建筑材料和制品湿热性能》标准的规定, 试验前先将试块放入烘箱中, 在 (50±1) ℃的温度下放置5 d, 从而使其内部水分完全蒸发。然后将试块从烘箱中取出, 在室温下冷却, 并将试块四周用石蜡密封, 从而保证水分在试块内部一维迁移。最后将处理好的试块支撑在容器内部, 并向容器内缓缓加入5%的Na Cl溶液, 直至液面超过试块吸水面 (4±1) mm。毛细吸水试验示意见图1。
在试块开始吸水前应称量试块质量, 并在吸水时间达到0、0.5 h、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h、2 d、3 d、4 d、5 d、6 d、7 d时, 将试块分别从容器中取出, 擦干吸水面的附着水, 并称量试块的质量, 然后将试块放回原处, 直至到达下一测量时间, 全部毛细吸水过程应持续一周。根据测得的试块质量变化数据绘制曲线, 并根据公式通过数据拟合得到毛细吸收系数A, 用以描述混凝土的渗透性。
3 高温作用对混凝土毛细吸水特性的影响
3.1 高温损伤及冷却方式对毛细吸水量的变化影响
图2—5分别为A、B配比混凝土在不同温度作用后经室温自然冷却及喷水冷却后的单位面积毛细吸水量与时间平方根之间的关系曲线。由图2—5可知, 随着最高作用温度的升高, 混凝土的最大吸水量增大, 毛细吸水曲线变陡。其原因是在高温作用下, 由于温度场的不均匀分布等因素使混凝土内部产生较高的应力, 从而对混凝土造成损伤, 在其内部产生微裂缝, 使混凝土内部具有更多的孔洞, 从而具有更高的毛细吸收力, 在毛细作用下水分快速地进入混凝土内部。
图6是高温后混凝土最大单位面积毛细吸水量 (下称最大吸水量) 的变化。从图6可以看出:1) 随着最高作用温度的提高, 混凝土的最大吸水量持续增大, 在200℃作用后, 最大吸水量约为初始值的2.5倍;在300~500℃的温度区间作用后, 混凝土的最大吸水量增长较为缓慢, 这可能与混凝土中未水化的水泥颗粒在该温度区间内的继续水化有关;当600℃的高温温度作用后, 混凝土的最大吸水量大约为初始值的3倍左右。2) 对于同一配比但采用不同冷却方式冷却的混凝土试块, 在200℃以下的温度作用后, 混凝土的最大吸水量相差不大, 而在更高的温度作用后, 自然冷却的混凝土试块的最大吸水量大于喷水冷却的混凝土最大吸水量, 这可能是因为喷水冷却方式下, 混凝土在高温作用后其内部温度得以快速降低, 从而减少了内部的损伤。3) 对于不同配比的混凝土, 相同冷却方式下, A配比 (W/C=0.4) 混凝土在高温后的最大吸水量小于B配比 (W/C=0.5) 混凝土试件, 这说明水灰比较低的混凝土, 在高温作用后依然具有相对较低的吸水能力[6,7]。
由于最大吸水量可以理解为混凝土内部可被水填充的孔隙所吸收水分的质量, 因此, 该值可一定程度上反映混凝土内部孔隙率的大小。从图6还可以看出, A配比混凝土在常温下最大吸水量小于B配比混凝土的最大吸水量, 从而表明常温下较高水灰比的混凝土的孔隙率较高, 高温作用后混凝土最大吸水量的升高则说明高温作用使混凝土的孔隙率增大。
3.2 高温损伤及冷却方式对毛细吸收系数的影响
毛细吸收系数是衡量混凝土耐久性的重要指标之一, 它是混凝土在毛细吸水作用的初期, 混凝土的单位面积毛细吸水量与时间平方根的比值, 即为毛细吸水量变化曲线初始阶段的斜率, 表征了外部侵蚀介质 (如水等) 进入混凝土内部的快慢, 从而反映混凝土的渗透性。本文取混凝土前2 h (个别试件取前0.5 h) 的毛细吸水量数据, 并对其进行线性回归, 所得到的斜率即为混凝土的毛细吸收系数 (A) 。各试块的拟合数据和相关性系数 (R) 见表2, 其变化示意见图7。
根据表2和图7, 随着作用温度的升高, 混凝土的毛细吸收系数迅速增大。对于A配比混凝土, 在100℃作用后, 混凝土的毛细吸收系数略有增大;在200℃作用后, 毛细吸收系数已增大至常温时的2倍以上;在300℃作用后, 毛细吸收系数接近常温时的3倍;当温度达到600℃后, 混凝土的抗渗性已有非常严重的劣化。对于B配比混凝土试块, 随着温度的升高, 与A配比混凝土相比, 混凝土的毛细吸收系数的增大较为缓慢, 这说明高温作用对水灰比较低混凝土的渗透性劣化较为严重。
通常而言, 水灰比较低的混凝土试块由于在配制过程中水的使用量较低, 成型后毛细孔较少, 从而具有较高的密实度, 其耐久性也较高, 然而高密实度的混凝土在高温过程中劣化程度也更为严重, 其原因是混凝土在受到高温作用时, 其内部水分汽化, 从而产生对混凝土的蒸汽压力, 混凝土的密实度越高, 内部水分蒸发产生的蒸汽越不容易向外部逸出, 从而混凝土内部的蒸汽压力也越大, 导致劣化更为严重[8]。
对于不同冷却方式冷却的混凝土, 与自然冷却的混凝土相比, 喷水冷却混凝土的毛细吸收系数较大, 这与混凝土在喷水冷却过程中所造成的二次劣化有关。然而, 从图6可以看出, 喷水冷却后的混凝土试块的最大吸水量小于自然冷却后的试块最大吸水量, 这与喷水冷却对混凝土造成更大损伤的结论不符。其可能的原因是喷水冷却所造成的损伤层只在与水接触表层的一定范围内存在, 而在混凝土的内部由于喷水冷却使其内部温度快速降低, 所以造成的损伤也相对较小;而混凝土的吸水速率或毛细吸收系数与靠近表层一定范围内的混凝土的孔隙率和孔隙结构关系较大, 故喷水冷却的混凝土试块的毛细吸水系数大于自然冷却的混凝土试块;但最大吸水量与混凝土试块的整体孔隙率相关, 因此, 相对于自然冷却后的混凝土试块, 喷水冷却后混凝土试块的最大吸水量较小, 可能是喷水冷却的混凝土的整体孔隙率小于自然冷却的混凝土的整体孔隙率。
4 结论
1) 高温作用对混凝土的抗毛细吸收性能造成严重劣化, 其最大吸水量和毛细吸收系数成倍增长, 这说明高温作用后混凝土的渗透性发生明显劣化。
2) 高温后, 喷水冷却混凝土试块的毛细吸收系数大于自然冷却的混凝土试块, 但其最大吸水量小于自然冷却的混凝土试块, 这说明喷水冷却混凝土只会对距表层一定厚度范围内的混凝土造成二次劣化, 而对于更内层的混凝土, 喷水冷却混凝土试块产生的损伤与自然冷却混凝土试块相比相对较小。
3) 对于高温损伤后的混凝土结构, 应对其表面进行防水处理, 提高其抗渗透性能, 才能降低耐久性的劣化速率, 延长混凝土结构的使用寿命。
参考文献
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