設計溫度

設計溫度為壓力容器設計載荷條件之一，它是指容器在正常情況下，設定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。

設計溫度與設計壓力一起作為設計載荷條件。標誌在產品銘牌上的設計溫度應是殼體金屬設計溫度的最高值或最低值。

基本介紹

• 中文名：設計溫度
• 屬於：壓力容器設計載荷條件
• 內容：設定元件的金屬溫度
• 學科：物理等

釋義

設計溫度為壓力容器設計載荷條件之一，設計溫度雖不直接反映在計算公式中，但它是設計中選擇材料和確定許用應力時下可缺少的一個基本參數。容器的壁溫可由實測類設備獲得，或由傳熱過程計算確定。

確定方法

1.當元件金屬溫度不低於0℃時，設計溫度不得低於元件金屬可能達到的最高溫度；當元件金屬溫度低於0℃時，其值不得高於元件金屬可能達到的最低溫度。元件的金屬溫度可用傳熱計算求得，或在已使用的同類容器上測定，或按內部介質溫度測定。

2.當金屬溫度不可能通過傳熱計算或者測定方法確定時，採用以下方法：

a.容器內壁與介質直接接觸且有保溫或者保冷設施時，設計溫度可按下表確定。

最高或最低工作溫度 tw	設計溫度 t
tw≤-20	tw-10
-20<tw≤15	tw-5（最低-20）
15<tw≤350	tw+20
tw>350	tw+(5~15)

註：當工作溫度位於0℃以下時考慮最低工作溫度，位於0℃以上時考慮最高工作溫度。

b.容器內介質被熱載體或冷載體間接加熱或冷卻時，設計溫度按下表確定。

傳熱方式	設計溫度 t
外加熱	熱載體的最高工作溫度
外冷卻	冷載體的最低工作溫度
內加熱	被加熱介質的最高工作溫度
內冷卻	被冷卻介質的最低工作溫度

c.容器內介質用蒸汽加熱或被內置加熱元件間接加熱時，其設計溫度取被加熱介質的最高工作溫度。

d.對液化氣用壓力容器，當設計壓力確定後，其設計溫度就是與其對應的飽和蒸汽壓的溫度。

e.安裝在室外無保溫設施的容器，最低設計溫度（0℃以下）受地方歷年月平均最低氣溫的控制時，對於盛裝壓縮氣體的儲罐，最低設計溫度取月平均最低氣溫減3℃；對於盛裝液體體積占容器容積的1/4以上的儲罐，最低設計溫度取月平均最低溫度。

瀝青路面設計溫度及預估模型研究

瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，其力學特性和路用性能隨溫度的變化差異很大。路面溫度沿瀝青層深度方向的不均勻分布，給路面結構分析帶來了很大困難。疲勞開裂作為瀝青路面結構最常見的損壞形式之一，其產生機理和發展過程都與路面溫度場的分布狀況密切相關，現行的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ 052-2000)以“瀝青混合料劈裂試驗”(T0716-1993)測定的破壞勁度模量作為評價瀝青混合料低溫疲勞的設計參數，該方法以15℃作為試驗溫度，眾所周知，瀝青路面溫度時刻發生著變化，採用某一固定的溫度作為預估瀝青路面疲勞壽命的依據，顯然與實際相差較大，無法正確評價路面結構的抗疲勞性能。

由於荷載反覆作用引起的疲勞開裂一般開始於瀝青路面結構底部並由此向上發展，國內相關研究通常採用瀝青面層底部以上一定厚度的路面平均溫度作為路面代表溫度以計算疲勞等效溫度，或直接取瀝青層底溫度計算疲勞當量溫度，用以評價路面結構的抗疲勞性能，但上述方法缺乏根據來源，不能真實地反映路面結構實際工作狀況，因此，研究基於瀝青路面疲勞損傷特性，確定反映瀝青路面結構抗疲勞性能的路面設計溫度，並根據實測的路面溫度和氣象站觀測數據，建立瀝青層中間深度處路面溫度預估模型，為瀝青層底應變回響分析、路面結構疲勞損傷研究提供基礎依據。

圖1 路面溫度與瀝青層底拉應變的關係

溫度代表值的選擇

瀝青路面結構應變回響值的大小與溫度密切相關，但是在路面結構的不同深度處，溫度的波動是不一樣的，距離路表面越深溫度的波動越小。選擇一個有代表性的路面結構溫度對分析和比較路面結構的應變大小很重要，路面溫度代表值和應變值應有較好的相關性。對三聯軸軸載為540 kN時不同結構的縱向應變最大值與路面不同深度處溫度值的相關性進行比較。圖1為結構S1不同深度處路面溫度與最大縱向應變的相關關係。回歸分析的結果如表1所示。回歸分析表明，處於瀝青層中間位置的路面溫度T₂與最大應變的相關性最高。因此，採用瀝青層中間溫度作為路面結構回響分析的設計溫度值。

表1 縱向應變最大值與路面溫度的相關性分析

瀝青層中間溫度分布研究

根據2008年6月25日實測的每小時瀝青路面溫度和氣象數據，給出瀝青路面溫度場和氣溫的日小時變化關係曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，瀝青層中間處溫度表現出與氣溫相似的變化趨勢，由於熱量沿路面深度方向的傳導需要一定時間，隨著深度的增加，影響程度逐漸減弱，日變化差異越來越小，滯後程度逐漸增強，不同深度及不同結構層之間的路面溫度分布曲線存在相位差，相對於氣溫而言，路表溫度分布曲線的相位差約為1 h，瀝青層底部(如26 cm深處)的相位差約為3～5 h，瀝青層中間深度處路面溫度滯後2～4 h。

圖2 6月份路面溫度場和氣溫的日小時變化曲線

瀝青層中間溫度預估模型

根據試驗段2008年2月-2009年2月整年8760 h瀝青層中間深度溫度觀測數據和氣象數據，對瀝青層中間溫度和氣溫進行回歸分析。結果表明，瀝青層中間深度處溫度與氣溫滿足較好的線性關係，相關係數R²為0.902，如圖3所示，如用二次多項式進行回歸，相關係數R²為0.8964。上述分析表明，瀝青層中間深度處溫度與氣溫的一次方的相關係數最高，相關性最強，兩者呈線性關係。

圖3 瀝青層中間溫度與氣溫的關係

由於路表溫度的周期性變化和路面結構內部的熱量交換，路面溫度場沿深度方向的分布十分複雜。路面溫度場在1 d中不同時刻的典型分布如圖4所示，圖4中散點表示不同時刻路面溫度沿深度的分布。分別使用路面深度(H)的1次、2次和3次多項式對路面溫度沿深度方向的分布進行了擬合，結果如圖4中的實線所示。顯然，路面深度(H)的3次多項式對路面溫度場的模擬最為準確。隨著路面深度的增加，氣溫對路面溫度的影響程度逐漸減弱。

圖4 瀝青路面溫度沿深度的典型分布狀況

研究結論

(1)以瀝青層層底拉應變作為控制瀝青路面疲勞開裂的指標，實測了不同溫度條件下試驗路結構瀝青層底的最大拉應變，瀝青層底應變受溫度的影響，隨路面溫度的升高而增大。瀝青層底拉應變表現出很強的溫度敏感性，溫度越高，瀝青層底拉應變增長越快。

(2)瀝青路面中間層的溫度與瀝青層底拉應變回響相關性最大，因此以瀝青層中間溫度作為瀝青路面結構疲勞損傷的設計溫度。

(3)根據實測路面溫度場和當地氣象站數據，進行了影響因素的相關性分析，建立了瀝青層中間深度處路面溫度預估模型。

(4)由於收集的溫度數據受地域性限制以及統計分析方法本身的樣本偏差等問題，上述預估方程在其他地區套用時，須根據當地的實際觀測數據對方程進行標定或修正。