水管冷却（共6篇）
水管冷却 篇1
为有效地发挥冷却水管在大体积混凝土结构中的作用, 需计算冷却水管的各项参数, 以确定更合理的布置方案。由于大体积混凝土结构中水泥水化生热率、热流率、热边界条件及内部冷却水管与混凝土的热交换等因素都会随时间起明显变化, 使整个混凝土体的温度场变得非常复杂[1,2,3]。
初期冷却温控的最终目的就是通过温控措施降低混凝土的最高温升, 使混凝土温度场更趋于均匀, 以防止出现过大的温度剃度导致温度裂缝[4,5]。为了得出影响初期冷却效果的主要因素, 我们将对影响冷却水管的各项参数进行分析。水管冷却效果影响因素的分析主要包括水管的管径、水管间距、管材和冷却水温等。
1 计算模型和计算参数
1.1 计算模型
大体积混凝土水管冷却分析是为了分析各种温控措施对温度场影响, 给实际工程的仿真计算提供有益参考。计算模型是以某大体积混凝土结构为原型, 计算模型如图1-1。
1.2 计算参数
温控仿真计算采用的主要参数如下:
2 水管冷却效果影响因素分析
2.1 冷却水管直径对冷却效果的影响
2.2冷却水管间距对冷却效果的影响
2.3冷却水管材料特性对冷却效果的影响
2.4冷却水温对冷却效果的影响
3 结论
通过以上计算分析可以得出:通过增加管径来加大冷却速度或降低冷却幅度效果不明显;水管间距对冷却效果比较明显, 但管距减小的同时也使管材耗量相应增加;管材的不同也会产生不同的冷却效果, 但因考虑成本和铺设难度;冷却水管通水水温对结构施工期温度场影响较大, 特别是温度较低的冷却水, 其降温效果更明显, 但这样会增大制冷的成本。由于混凝土温度场是瞬态和非线性的, 又受到冷却水管和混凝土内部的热交换、结构表面的散热等因素的影响, 大体积混凝土结构温度场计算非常复杂和困难。本研究运用有限元法, 对埋有冷却水管的大体积混凝土温度场进行三维仿真分析, 为确定经济合理的冷却水管布置方案提供理论参考。
参考文献
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加热炉炉门冷却水管裂纹带压补焊 篇2
关键词：压力管道,轴向裂纹,补焊
0前言
在轧钢生产厂中,钢坯的原料加热炉是常见的设备,加热炉炉门由冷却水管与钢板组合焊接而成,内壁镶有耐火砖,冷却水管在炉门边缘穿过,有进出两条通道,冷却水进入冷却水管进行循环降温,形成一套降温系统,防止炉门因高温而损坏。由于生产过程中炉门频繁起落,有时会因炉门提升速度与取钢机取臂不同步而发生碰撞,极易损坏炉门水管发生开裂,造成冷却水泄漏冷却效果不好,炉门长时间温度过高而烧废。正常情况下需要关停炉火,关闭水阀门后进行补焊修复,这样会影响生产造成巨大经济损失。因炉门被取钢机取臂撞坏,被迫停炉,待修复,重新开炉,耗时通常会达到十几个小时,造成巨大经济损失,这就要求维护人员尽可能的在不影响正常生产,不关闭加热炉的带着一定压力情况下及时快速的将其修复进行。
1焊接性分析
1.1焊接性分析
经过现场实践了解加热炉炉门冷却水水管为一般都为20g钢,20g属于优质碳素钢,根据碳当量可知,其焊接性较好,采用通常焊接方法为焊条电弧焊焊接,焊后不易产生淬硬组织或裂纹,可选用普通E4303型焊条即可,焊条直径选择2.5mm和3.2mm。
1.2补焊的难点
炉门水管损坏,多为撞击产生裂纹,冷却水会在内部压力作用下从裂纹处喷出,在这种情况下进行补焊的难点是焊接电弧的吹力小于水的压力,补焊时焊接电弧一接触高压喷出的水流,熔化的熔滴就会被迅速吹跑,使电弧不能稳定燃烧,无法进行焊接,还有可能使漏点扩大,因此先把水压尽量调小至水是慢慢渗流的状态,但不能关停,如果彻底关闭,会使炉门内部残余水,在高温作用下迅速生成蒸汽,蒸汽迅速膨胀,沿裂纹处喷出极容易伤人,严重时可产生爆炸,造成人身伤亡事故。
1.3补焊原理
在正常情况下,两块平板在自由状态下两端固定对接焊时,两板之间的间隙会随着焊接的进行逐渐缩小,这一现象主要在焊接热源作用下,焊件发生收缩变形,在焊缝不长的情况下,焊缝的横向缩短是主要的,并且焊缝的横向收缩量随焊缝的宽度增加有所增加。实际生产中,延管道轴向方向裂纹的形状,从任意一端到中间最宽部分,与对焊平板时的对焊间隙张开的角度非常近似。我们根据焊缝收缩的规律,合理地应用到压力管道裂缝的补焊工作中,掌握焊接速度,利用焊缝收缩产生的应力,使裂缝局部收缩无泄漏,补焊时只焊已收缩不漏的部分。
2焊接工艺操作
补焊前先在裂缝的一端未损坏的工件金属上焊一段30-50mm长的焊缝。这段焊缝冷却后所产生的横向收缩应力就能使裂缝自这一端开始有2-15mm的一小段完全收缩,达到无泄漏,待焊缝冷却,药皮颜色由红变暗,就可以补焊该段收严的裂缝,不要图快,补焊时只焊已收严,不泄漏的部分,焊接方向是从裂纹处向裂纹起始端部焊接,并采取补焊一段,收缩一段,收缩一段,再补焊一段,这样反复进行,,直到最后形成一个漏点,漏水压力也会增高过高,难度加大,可先用铁锤敲击漏点使其密实再进行补焊,焊接时可在漏点处周围先焊成环形焊肉,之后再把环形内部逐步填满,切记,不要贪快,直接把电弧直接对着漏点,这样会引起剧烈反应飞溅伤人,也可造成烧穿使漏点加大。此时引弧和收弧速度要加快,快速均匀点焊,使熔滴快速凝固,等彻底凝固冷却后在进行二次,三次的加焊。这种方法是利用了金属焊接时产生物理变形的一种补焊方法,它一般适合于裂纹缺陷,但不适合夹渣气孔等点状泄漏的补焊。
2.1操作要领
引弧,对已收缩的一段补焊时,宜采用接触式引弧并引弧点一定要落在以收缩的那一小段裂纹上补焊时,可先在待焊部位与裂纹中心间立一块100mm×100mm的挡板如图所示,挡板与水管接触的部位用气割切按水管的弧度大小割成弧状,这样可以使挡板与水管更严密结合,可以起到阻碍漏水向待焊部位涌动影响焊接,由于裂纹的收缩量有限,每次补焊的长度要很短,在2-15mm之间甚至接近点焊,因此要求运条动作要简便,迅速,焊条沿裂纹直线移动稍有前后摆动,动作要快电弧要压低在2-4mm为宜,防止形成过多的液态金属,形成焊瘤造成未熔合,给下一道工序造成不便,同时要注意控制熔深,一般为被焊工件40%左右工件薄时,注意不要烧穿,焊缝表面外观不一定要美观,主要是补住漏点为目的,因此在补焊收缩的那一小段时,应认真观察裂纹的收缩情况,确认下一步补焊的长度,不要图快,继续补焊时,要严格控制焊接的长度,确保电弧处在收缩范围内。
熄弧,每次补焊一小段,熄弧点都应落在已冷却的焊缝金属上并填满弧坑。
2.2焊条角度
当泄漏水压力小于0.1MPa时焊条角度为垂直焊缝表面,与焊缝间夹角接近于90°,当泄漏水压力在0.1-0.2MPa焊条与裂纹角度为70°-80°。焊条应正对裂纹表面,防止焊偏。
2.3焊接电流
第一层焊接时焊接电流应比正常焊接电流略大30-50A,以增加电弧的吹力和铁水熔滴附着力,提高融合性,提高熔池及母材的温度。加焊第二层时焊接电流应比第一层略小,焊接盖面层时,电流应调至小于补焊时但比正常大一些。
2.4焊接层次
一般情况下,第一遍焊后焊缝表面不够美观平整,难免会有一些缺陷,可再加焊两遍,把之前的焊瘤烧掉,未熔合,焊肉过高等缺陷消除,必要是可用角向磨光机打磨,再进行加焊,一般需焊不低于三遍。最后一遍运条范围可略大一些,达到焊缝更平整牢固。必要时可在焊缝处加焊一道加强筋横跨焊缝,防止焊缝二次裂开。
3结束语
水管冷却 篇3
水管冷却技术是目前大体积混凝土温控防裂中最常用和最有效的措施之一。因混凝土为弱导热体, 对水管冷却技术在施工中的运用有很大的讲究, 否则无法达到预期的目的, 甚至导致混凝土开裂。尤其在施工期间, 起冷却作用的不仅有冷却水管, 同时还有浇筑层面的散热, 从而使得问题的分析更为困难, 自30年代在美国胡佛坝首次采用水管冷却以来, 随着这种冷却方式的广泛采用, 单独考虑水管冷却作用特别是利用有限单元法的冷却计算问题相继得到了解答, 对各种因素的影响进行了系统的分析。本文主要阐叙了水管冷却技术在大体积混凝土施工中的应用。
2 冷却水管的作用原理
在大体积混凝土施工过程中, 预先利用结构内钢筋骨架埋设金属或塑料冷却水管, 在浇筑过程中或浇筑完成后通水冷却, 利用冷却水管的导热性能, 再由冷却水的流动带走混凝土的部分热量, 降低混凝土的温度, 减小温度梯度。根据降温的阶段目的, 冷却水管的整个运行过程可分为两期, 即初期冷却和后期冷却。初期冷却是在混凝土初凝以后, 甚至在混凝土浇筑时即行开始, 目的在于削减混凝土水泥水化热峰值, 减少水化热引起的温差, 从而降低由水化热温差引起的温度应力, 满足允许温差的要求。后期冷却在水泥水化热作用已基本完结之后的即开始, 目的在于满足接缝灌浆的温度要求。对内部温度较低的混凝土块后期冷却可一次连续完成;对内部温度较高的混凝土块, 后期冷却常分为两次完成, 目的是减缓垂直方向的温度梯度。
3 冷却水管作用简便的计算方法
假定整个混凝土温降作用是均匀的, 冷却水带走热量, 则由一般热力学理论得到一种平均计算冷却水管作用的计算方法:
式中:
Cw-水的比热, KJ/ (kg·℃) ;
△Tw-水温升高的度数, ℃;
Mw-水流总量, kg;
Qw-冷却水带走的热量, KJ;
而混凝土降低的温降度数为;
式中:△Tc-混凝土温降度数, ℃;
c-混凝土的比热KJ/ (kg·℃) ;
mc-混凝土的总质量, kg;
所以△Tc=Cw△Tw Mw/cmc
此式算的是最终结果, 为得到不同时刻的混凝土的温降值, 认为温度差在时刻0处的初始值为0, 把此式变换一下得:
式中:△Tc (i) 、△Tc (i+1) -前后两相邻时刻混凝土温降度数, ℃;
Cw-水的比热KJ/ (kg·℃) ;
△Tm (i) 、△Tm (i+1) -前后两相邻时刻冷却水在进、出管口处温度差, ℃;
mm (i) 、mm (i+1) -前后两相邻时刻冷却水流累计总量, kg;
c-混凝土的比热KJ/ (kg·℃) ;
mc-混凝土的总质量, kg;
4 冷却水管的布置
4.1 管材、管径、排列方式及间距的确定
冷却水管在管材方面, 要求强度比较高 (混凝土入仓铺料及振捣会使管材变形) 、价格尽可能低。因此冷却水管一般要求其导热系数较高, 国内以往常采用钢管, 近年来发展用高密聚乙烯塑料管代替传统的钢管进行大体积混凝土冷却。这种塑料水管管质较柔软, 在浇筑混凝土的过程中也能铺设, 不限于铺设在浇筑层面上, 因此可以根据需要而改变塑料水管的铅直和水平间距。可以充分利用塑料水管易于加密的优点, 可以大幅度地强化混凝土的冷却, 降低混凝土温度应力, 防止裂缝, 并加快施工速度。
大体积砼水管冷却施工中管径加大一倍, 用钢量增加一陪, 冷却速度只提高19.7%, 通常都选用2.54cm直径的钢管。
冷却水管在理论上作梅花状排列, 水管冷却效果最好, 但实际中为了方便施工往往按矩形排列, 冷却效果略有降低。
冷却速度是和水管间距的平方成反比的, 但管距减小的同时也使管材耗量相应增加。水平管距减小一倍, 钢材用量增加一倍, 冷却时间可缩短1.23倍, 效果是显著的。根据计算和实践, 水管间距不宜过密, 在实际工程中为了施工方便、统一冷却水管间距常与浇筑层厚配套, 在1.0m～3.0m内变动。
4.2 水管流量、流向与流速的选择
冷却水流量的选择必须兼顾效果和经济性。据计算, 在其他各种条件相同时, 层流比紊流需要的冷却时间要长25%, 所以管内要供给足够的水量, 以保证管内的水流成紊流状。对于2.54cm管, 形成紊流的临界流速为0.127 m/s, 相应流量为6.4×10-5m3/s (即3.84 L/min) 。故一般控制流量为Q=15L/min～25L/min, 相当流速为0.49m/s～0.82m/s。冷却水流加大一倍, 冷却时间减少18.6%, 可见通过加大流量来缩短冷却时间, 效果并不显著, 而流量加大后, 水头损失随之加大。
为了避免冷却结束时出口端的混凝土温度高于入口端混凝土温度。在冷却过程中, 应不断改变水流方向, 对总的冷却效果影响不大, 但可使混凝土温度比较均匀, 水流方向和流量由设在支管的换向阀门控制。
4.3 水管厚度、长度的确定
金属导热系数大, 金属水管的厚度对冷却效果实际上没有影响。非金属水管则不然, 因材料导热系数不大, 水管厚度对冷却效果有较大影响, 对于非金属水管, 应尽可能采用强度高, 管壁薄的水管。
冷却水管长度增加后, 冷却效果有所降低。水管长度增加一倍, 与冷却水流量减小一倍, 对冷却效果的影响是相同的。为了使流量在各管圈内尽可能均匀分配, 应使各管圈的长度大体相近, 因此, 对于长度较短的管圈, 往往把几个管圈串连起来, 再接到供水管上去。
水管长度的确定影响到管内压力损失、水头损失和水泵容量。实践证明, 水管长度总在100m～300m范围内, 而以200m～250m左右为宜。
4.4 水管温差的确定
所谓水管温差定义为混凝土温度与水管进口水温之差。
过去人们在大体积混凝土施工中允许水管温差在20～25℃, 其实在水管附近的温度梯度很大, 可引起相当大的拉应力, 通过采用有限单元法和断裂力学理论对水管温差进行研究, 水管温差可以按混凝土的性能和不同的部位进行控制。水管温差越大, 冷却效果就越显著, 但在冷却过程中, 这一温差会在紧靠水管周围的混凝土引起较大的拉应力, 甚至会产生一些细微的裂缝, 在一期冷却中, 不但要考虑新混凝土, 还要考虑下层老混凝与冷却水的温度。所以目前大体积混凝土施工为了避免这种过大的水管温差产生拉应力可采用小温差 (4℃～6℃) 、早冷却、缓慢冷却的新冷却方式代替传统的冷却方式, 从而可大幅度提高抗裂安全度。在不影响施工进度的前提下, 不但减小了自生应力, 也减小了约束应力, 是今后大体积混凝土水管冷却的发展方向。
结束语
本文对大体积混凝土施工中采用水管进行冷却的温控效果和水管的布置方案等问题进行了阐叙。利用水管通水冷却特别在其层距和间距的变化对温控实际效果的影响比较显著, 可以取得较好的冷却降温效果, 达到了温控防裂的目的, 极大改善了混凝土内部的应力分布, 也使得内外温差造成的表面拉应力大大降低了。
摘要：随着我国经济的腾飞, 技术水平的提高, 工业与民用建筑的规模越来越大, 各种混凝土体积越来越大、施工越来越复杂。水管冷却技术在大体积混凝土施工中的应用对温控防裂起到了重要的作用。
关键词：水管冷却,温控防裂,温度梯度
参考文献
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水管冷却 篇4
混凝土置换是处理坝基地质缺陷、风化带、构造破碎带及软弱岩带的主要方法之一,广泛应用于混凝土坝基础处理。置换后与坝基基岩一起构成了坝体基础,其结构特性重要程度同坝体混凝土,在浇筑过程中采取必要的温度控制措施。在坝体基础混凝土浇筑时,受基础约束,一般采用1.5 m层厚,冷却水管布置同层厚。而置换混凝土浇筑时要求施工速度快,浇筑层厚一般为3 m,冷却水管布置时层间间距为3 m (与浇筑层厚相同)。考虑到重要性和进度要求,对置换混凝土温控进行仿真分析研究,提出相应的温控措施。
2 工程背景
金沙江某水电站位于四川省雷波县和云南省永善县境内,是一座以发电为主,兼有拦沙、防洪和改善下游航道条件等综合利用效益的巨型水利水电枢纽工程。电站枢纽由拦河坝、泄洪、引水、发电等建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝,坝顶高程610 m,最大坝高278 m,坝顶中心线弧长698.09 m。
大坝左岸坝肩槽按原设计一次开挖成型至EL400 m高程后,由于地质缺陷原因,重新从EL437.27 m划定开口线,再次整体从上至下抠槽开挖至EL390 m高程,并回填混凝土至原设计坝肩槽建基面。
对地质缺陷采取置换混凝土浇筑方案进行处理后,为减小对施工进度计划的影响,制定了置换混凝土浇筑分3层进行浇筑,每层浇筑厚度3 m并连续浇筑,每层浇筑时间间隔10 d的施工方案,并根据要求一期通水冷却需要将混凝土温度降至19～20℃。
本文以大坝左岸坝肩槽置换混凝土为研究对象,建立三维有限元模型,对其施工方案中混凝土温度进行仿真分析,探讨浇筑层厚大,冷却水管布置间距大对混凝土温度的影响,并最终确定混凝土的一期冷却措施。
3 计算模型与计算参数
3.1 计算模型
计算模型岩体范围大约取浇筑层厚的10倍,整体坐标系的坐标原点在置换混凝土顶部从上游面到下游面方向为y轴正向,垂直河流流向的水平方向为x轴正向,高程方向为z轴正向。计算有限元模型如图1所示。围岩底面、顶面和4个侧面为绝热边界;置换混凝土顶面和侧面以及施工仓面为固一气边界,按第三类边界条件处理。应力计算中边界条件的选取:围岩底面和顶面按固定支座处理;围岩4个侧面法线方向按简支处理;置换混凝土顶面和侧面以及施工仓面按自由边界处理。
3.2 计算参数对比
3.2.1 热学参数
置换混凝土与基岩热学参数值见表1。
绝热温升公式采用双曲线公式(1):
式中:θ——温升值(℃);θ0——最大绝热温升(℃);τ——时间(d);n——水化热上升速率(d)。
3.2.2 力学参数与应力标准(表2)
根据坝体混凝土不同龄期的劈拉强度值,对其进行拟合,即可得到混凝土强度随龄期变化关系。本文计算同时考虑自生体积变形和混凝土徐变影响。
自生体积变形采用复合指数公式,根据施工现场试验提供的资料,拟合公式如式(2):
混凝土徐变度采用公式(3)拟合[1]:
4仿真计算
4.1 计算条件
根据现场施工进度安排,基础置换混凝土安排在冬季进行施工。计算采用的气温资料为坝区的实际温度资料,采用日平均气温进行计算。混凝土采用现场左岸混凝土生产系统生产的预冷混凝土,考虑运输过程中温升,浇筑温度取11℃。计算条件见表3。
4.2 计算工况
考虑到冬季施工期间,一般要采取表面保护措施,研究时以有无表面保护措施两种工况进行仿真分析。
工况1:无表面保护,混凝土表面不覆盖任何保温材料。
工况2:混凝土浇筑完后,立即在顶面覆盖保温材料,侧面模板在浇筑完3 d后拆除,拆除后立即覆盖保温材料。
4.3 计算结果
应用三维有限单元法对置换混凝土的稳定温度场进行了研究。混凝土浇筑块中心的最高温度包络线如图2所示。由图2可知,混凝土表面温度最高温度低于27℃;有表面保护时,混凝土中心点最高温度比无表面保护时高0.5℃左右。中间浇筑块较典型,以中间浇筑块为研究对象。其散热面有两个面:顶面和侧面。
中心、顶面及顶面附近点的温度过程线如图3、4所示,各时刻混凝土温度如图5、6所示。
侧面及侧面附近混凝土温度如图所示7、8,各时刻混凝土温度如图9、10所示。
5 计算成果分析
为缩短置换混凝土施工工期,研究混凝土浇筑层厚取3m,且采取布置大间距3 m一层布置冷却水管。通过上述计算结果,可得出以下结论:
(1)混凝土采用3 m层浇筑,且只布置一层水管,表面离中心1.5 m,有表面保护时混凝土中心点最高温度较无保护时高0.5℃左右。有表面保护时,混凝土表面及附近温度明显高于无保护时。
(2)无表面保护时,混凝土表面1.5m范围温度梯度较大,产生较大的内外温差,如图5、图9所示。采用表面保护以后,温度梯度明显减小,如图6、图10所示。
(3)采用相同的通水时间,一期冷却结束时,与不采用表面保护的混凝土相比,采用表面保护的混凝土温度高2℃左右。
(4)由于采用表面保护对混凝土平均温度有较大影响,建议推迟混凝土拆模时间,考虑当前条件下,混凝土浇筑间歇期在10 d左右,建议3～4天拆模,拆模后及时覆盖保温材料,防止过大的内外温差。
(5) 3 m浇筑层采用1.5 m×3.0 m的水管布置可以将混凝土的最高温度控制在27℃以内。一期冷却持续通30 L/min的14℃冷却水30 d左右可以将混凝土温度降至19～20℃。
通过前述温控仿真分析,在冬季施工时,置换混凝土采用3 m浇筑层厚,冷却水管采用1.5 m×3.0 m的大间距布置的施工方案可行,采用一期通水冷却和表面保护措施可以达到预期目的。
参考文献
[1]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,1998.
[2]朱伯芳.考虑水管冷却效果的混凝土等效热传导方程[J].水利学报,1991(3):28—34.
水管冷却 篇5
1 四种大体积混凝土冷却水管降温温度场的计算方法
1.1 作为平面问题分析
当冷却水管按照梅花形布置时,考虑其对称性,可以取出一个水管和周围的混凝土进行分析。美国垦物局应用变量分离法求解平面热传导方程,得出了无热源情况下的解答。朱伯芳采用拉普拉斯变换,得出了有内热源的解答。
1.2 作为空间问题分析
在冷却水管中由于水的流动,不断吸收混凝土的热量,使水管中的水温不断上升,因此,出口处温度大于进口处温度[3]。美国垦物局在平面问题解答的基础上,对沿管长方向的温度分布作了假设,从而导出空间问题的解答。朱伯芳同样也推广到了有内热源的情形。
1.3 用有限单元法计算冷却水管的空间问题
朱伯芳,刘宁等应用有限元法求解了冷却水管的空间问题。朱伯芳采用了迭代法和预报解法来解决水管内边界的温度值问题[2]。
1.4 将冷却水管作为负热源处理的计算方法
朱伯芳提出,将冷却水管的作用看作负热源处理,并且代入热传导方程求解[2]。
2 算例分析
2.1 工程背景
某大酒店的结构转换层有5榀大梁,梁高3.5 m,最大的横向大梁长7 m,宽3 m。采用混凝土内埋设冷却管的方法控制温差。
2.2 计算参数
冷却开始时间为浇筑的混凝土开始达到下排管时,冷却周期为144 h,每根冷却管流量为0.8 m3/h(0 h～24 h),1.0 m3/h(24 h～48 h)和0.4 m3/h(48 h～144 h)。冷却管外径30 mm,厚2 mm。水的导热系数0.6 W/(m·℃),即2.16 kJ/(m·h·℃),比热4.183 kJ/(kg·℃),密度1 000 kg/m3;水泥品种为普通硅酸盐425号水泥,用量290 kg/m3;混凝土导热系数2.012 W/(m·℃),即7.243 kJ/(m·h·℃),比热0.934 kJ/(kg·℃),密度2 500 kg/m3,混凝土的水化热放热规律,冷却水流量和冷却水入口温度按照设计资料取(见表1)。混凝土和水的对流换热系数54 000 kJ/(m2·h·℃),混凝土浇筑温度按照施工大气温度取12 ℃。
2.3 建模
冷却管用热流管单元Fluid116模拟,混凝土用二维热实体单元Plane55模拟,用表面效应单元Surf151模拟混凝土和冷却水之间的对流换热,考虑对称情况,建立0.35 m×7 m,管径30 mm
2.4计算结果及其分析
下面分天数计算温度场(如图1～图8所示)。
由于水泥的水化热在前3 d左右达到最高峰,所以混凝土的温度在浇筑后开始的几天内急剧升高。由图1～图8可以看出,浇筑后1 d混凝土的最高温度达到47.648℃,最大温差为16.724℃。冷却水温度也升高了9.413℃。浇筑后第2天,混凝土的最高温度为45.881℃,最大温差为5.781℃,反映了冷却水的降温效果是比较明显的,由于混凝土温差的减小,冷却水进出口温差也减小到4.308℃。在降温第3天～第6天,混凝土的温差基本稳定在10℃以内。
3结语
1)冷却水沿管长大致呈线性分布,最大的温差发生在第1天,温差为9.413℃,随后温差会逐步减小。
2)用冷却水进行主动降温,在开始阶段效果较为明显。
3)采用有限元计算水温,进行模拟智能控制水温是可行的。
参考文献
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水管冷却 篇6
发动机冷却系统的功能是将汽车发动机工作时高温零件所吸收的热量及时带走,使它们保持在正常的温度范围内工作。目前,轿车发动机配备的水冷却系统一般由散热器、节温器、水泵、水管、接头、皮带和冷却风扇等组成。其中散热器为铝制,水管绝大多数采用橡胶材料、少部分为塑料或金属,节温器壳体、水管接头、水泵叶轮、冷却风扇及护风圈多采用玻纤增强塑料制造。冷却系统能否正常工作,对发动机的动力性、经济性以及安全可靠性都有很大影响。冷却系统的常见故障有水温过高、漏液、水泵或皮带损坏、节温器失灵等。笔者在工作中遇到过1 例较为少见的失效案例,现将分析过程及结论介绍如下。
2 失效问题描述
某台发动机进行台架测试时,短时间便出现水温过高报警。拆解后发现,发动机缸体水道和塑料回水管内(图1)均发现泥状沉积物,且塑料回水管的部分位置已经发生堵塞。有人认为是冷却液中的杂质导致了冷却液循环不畅和发动机过热,因此委托材料技术中心对泥状异物进行成分鉴定。
3 分析过程
3.1 宏观检查
该塑料回水管为黑色塑料管,总长度为364 mm,有3 个连接端,分别用于连接节温器、水泵和平衡罐,冷却液从A端流向B端。A-B连线基本平行于地面,而C端以一定倾斜角度指向地面。A端内壁和B端内壁均能看到泥状物,且端面均存在变形;而连接平衡罐的C端则完全被黑色泥状物堵住,见图2。
将失效塑料回水管沿图1 中白色虚线剖切,以便对其内壁进行观察(图3)。由图3 可见,塑料管内部靠近地面一侧的管壁淤积了3~4 mm厚的泥状沉积物,并散发出典型的冷却液气味,且液体含量很高,由此判断液体应为冷却液(主成份为乙二醇和水)。这些泥状物在重力作用下沉积到了靠近地面这一侧;而与之对应的上侧,在靠近端头的内壁上存在气孔。气孔的周围部分呈现灰白色,并且气孔的所在区域整体从内壁表面向圆心方向凸起;气孔区域左侧的内表面呈现黑色,而与黑色区域毗邻的左侧区域水管上侧的内壁表面覆盖有大量白色物质、无泥状物覆盖,用手指接触其表面,能明显感到表面非常粗糙。
3.2 微观检查
采用光学显微镜对失效塑料回水管上侧的内壁进行观察,发现气泡区域的塑料有熔化后再冷却凝固的迹象,见图4;黑色区域残留有几根玻纤,且此区域存在很多玻纤从塑料表面脱落后留下的交错态印痕,见图5;白色区域表面的覆盖物为玻璃纤维,也就是说此区域出现了严重的浮纤现象,浮纤几乎覆盖了整个被观察表面,见图6。与之相对比的新塑料回水管的内表面则为正常的注塑模具所赋予的形态,见图7。
显微镜观察到回水管内壁有大面积玻璃纤维裸露,表明内壁表面的PA66 材料发生了脱落;同时,发现部分区域玻纤发生了脱落,而且水管内壁有受热熔化又冷却的痕迹,表明回水管内出现过高温。
3.3 红外分析
取少量湿态泥状物(图8),采用红外光谱(ATR法)对其进行分析(图9),发现泥状物谱图在3 300 cm- 1、1 632 cm- 1和1 538 cm- 1处有较强吸收峰,同时在1 278 cm-1、935 cm-1处也存在吸收峰,表明泥状物中含有PA66 成分;但3 300 cm-1处的N-H吸收峰与正常PA66 相比明显过宽,估计是由冷却液中的羟基和水中的羟基引起的。因此,在高温下烘干泥状物后再次进行红外分析,并与失效塑料回水管外层材料的红外谱图及新冷却液的红外谱图进行对比。结果证明,湿态泥状物谱图3 300 cm-1的N-H吸收峰与乙二醇分子上的羟基吸收峰和水分子上的羟基吸收峰发生叠加而形成了较宽的吸收峰,烘干后的泥状物与失效塑料回水管的外层材料均为PA66。
3.4 热分析
3.4.1 湿泥状物DSC分析
取10.8 mg样品,以氮气作为保护气氛,采用2段升温方式(升降温速率均为10 ℃/min),从50 ℃升至300 ℃,之后从300 ℃降至50 ℃,再从50 ℃升至300 ℃,得到的DSC曲线见图10,从图10 得出以下结论。
第1 次升温阶段出现了3 处主要吸热峰,第1处在111.83 ℃,应为水的沸腾吸热过程;第2 处在167.89 ℃,存在多个吸热峰,可能因为固体颗粒或液体在受热时运动加剧,发生飞溅或气泡破裂而造成吸热不均而导致,此处应为乙二醇的沸腾吸热过程。与正常沸点相比,DSC曲线上水的沸腾温度被拉高,而乙二醇的沸腾温度被拉低,推测应为各自的羟基与氢原子相互作用而致,也符合物理化学的基本原理:混合物的物理性质会相互靠近。第3 处在257.48 ℃,应为泥状物中PA66 的熔融吸热峰。而第2 次升温过程只观察到1 个吸热峰,发生在255.15 ℃,应为PA66 的熔融吸热峰,但峰值温度比第1 次升温时降了2 ℃,表明泥状物中的水和乙二醇在第1 次升温后全部挥发;225.90 ℃处的放热峰为PA66 的冷却结晶所致。
3.4.2 湿泥状物TGA分析
取18.8 mg样品,采用2 段升温方式:第1 段,采用氮气气氛,升温速率为20 ℃/min,从50 ℃升至600 ℃,再切换为氧气气氛;之后开始第2 段升温,升温速率为5 ℃/min,从600 ℃升至650 ℃,得到的TGA曲线见图11。从中发现,TGA曲线呈现3 个热失重台阶。
a.第1 个失重阶段从50 ℃到200 ℃,此阶段失重88.12%,最高失重速度出现在164.5 ℃,此阶段应为泥状物中冷却液的挥发过程;
b.第2个失重阶段从320 ℃到400 ℃,此阶段失重5.484%,此阶段应为泥状物中PA66的热分解过程;
c.第3 个失重阶段从420 ℃到510 ℃,此阶段失重1.705%,此阶段应为泥状物中具有较高分解温度的冷却液添加剂和部分杂质的分解过程。
最后仍剩下2.7%的无机残余物,经显微镜观察,确认主要为玻璃纤维。
3.4.3 烘干后泥状物的DSC分析
取烘干后的泥状物3.7 mg,试验条件同3.4.1,得到的DSC曲线见图12,从中得出以下结论。
a.第1 次升温阶段出现了2 个主要吸热峰,第1个在191.36 ℃,应为残存在乙二醇的挥发吸热峰;第2 个在250~260 ℃之间,出现了2 个相邻的吸热峰,应为2 种不同晶形PA66 晶体的熔融吸热峰。
b.降温段在221.48 ℃出现了1 个放热峰,应为熔融的PA66 再次冷却结晶放热所致。
c.第2 次升温阶段出现了1 个吸热峰,熔点为258.83 ℃,熔融焓为68.06 J/g;而失效塑料回水管外侧正常塑料部分的熔点为262.09 ℃、熔融焓为41.10 J/g(图13)、玻纤含量为29.26%(图14),表明失效塑料回水管外侧正常部分的塑材料符合图纸要求。
根据以上结果可知,泥状物中含有PA66 成分,也含有少量玻纤。表明泥状物极有可能是发动机过热导致塑料回水管内表面的PA66 和玻纤脱落而产生的;用显微镜观察,发现回水管存在熔化迹象,估计回水管内温度至少达到260 ℃以上,即达到或已超过PA66 的熔点。
3.5 其它分析
a.水泵叶片无任何损伤和异常,叶片与水泵壳体之间的空腔中也存在少量泥状物;
b.经检验,节温器膨胀单元功能正常;
c.节温器壳体材料也是玻纤增强PA66,内壁也发生了玻纤裸露;
d.对储液罐中的冷却液进行抽样检验,未发现其存在异常杂质, 排除了因冷却液质量引入异物的可能性;
e.发动机的缸体和缸盖上的水道在整个运输、机加和装配过程中均未引入异物,排除了发动机缸体和缸盖引入异物的可能性;
f.在后续的排查中发现,测试台架的冷却液供给和控制系统发生过故障,导致发动机冷却不良。
4 原因分析
因测试台架的冷却液供给系统和控制系统曾经发生过故障,导致发动机温度过高;在高温下,PA66 发生快速水解反应,从而导致回水管内壁表面的PA66 很快降解成低分子产物。
另外,醇类化合物亦能造成聚酰胺类材料降解,此过程通常被称为醇解。而任何合化学反应均与温度密切相关,根据经验:温度每上升10 ℃,化学反应速率会大约升高1 倍。
在冷却液冲刷下,水解与醇解产生的低分子产物从回水管内壁表面逐渐脱落,造成内壁表面玻璃纤维先是裸露,后因脱落的低分子PA66 量越来越大,少部分玻纤无法被有效束缚在PA66 基体上,因而也被冲刷下来;冲刷下来的低分子尼龙和玻纤的混合物被流动的冷却液带到节温器、缸体和缸盖的水道中,由于混合物会增加相关循环路径的流动阻力,进一步造成发动机过热,形成恶性循环。关闭发动机后,在重力作用下,回水管内的低分子尼龙和玻纤的混合物逐步沉积到回水管最低处,并因混有残存的冷却液而形成3~4 mm厚的泥状物。
5 结束语