LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗瞬態(tài)特性研究

　　應用有限元分析軟件ANSYS，對通徑為DN80的LNG船用超低溫截止閥低溫試驗狀態(tài)進(jìn)行了瞬態(tài)降溫過(guò)程中溫度的模擬與熱力分析。分別對填料函溫度以及閥門(mén)其他部分溫度進(jìn)行詳細的研究分析，從而判定所設計的閥門(mén)閥頸長(cháng)度是否合理，以及達到穩定狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間，并提出了一些建議。為超低溫截止閥的結構設計提供了理論指導。

1、前言

　　LNG于其高效、優(yōu)質(zhì)、清潔等優(yōu)異性能，已經(jīng)成為當今世界增長(cháng)最快的能源。天然氣能源取代煤和石油能源，可減少煤和石油的用量，明顯改善環(huán)境問(wèn)題。目前，天然氣在一次能源結構中，比重已經(jīng)達到25%。近年來(lái)全球LNG的生產(chǎn)和貿易日趨活躍，正在成為世界油氣工業(yè)新的熱點(diǎn)。天然氣作為清潔能源越來(lái)越受到青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應中的比例迅速增加。液化天然氣正以每年約12%的高速增長(cháng)，成為全球增長(cháng)最迅猛的能源行業(yè)之一。加快天然氣的應用成為全球性趨勢，預計到2015年，天然氣產(chǎn)量將超過(guò)原油，成為世界第一大能源。在中國，盡管還沒(méi)有形成規模，但是LNG的特點(diǎn)決定LNG發(fā)展非常迅速�？梢灶A見(jiàn)，在未來(lái)10-20年的時(shí)間內，LNG將成為中國天然氣市場(chǎng)的主力軍。2008年4月3日，由中船集團公司所屬滬東中華造船集團有限公司自主建造的我國第一艘LNG船成功交付，標志著(zhù)我國基本掌握了世界造船尖端技術(shù)，打破了國外在該領(lǐng)域的壟斷局面。隨著(zhù)LNG工業(yè)的發(fā)展以及我國自主研發(fā)LNG船的成功，我國開(kāi)始對船用LNG超低溫閥門(mén)進(jìn)行了自主研發(fā)。

　　隨著(zhù)LNG的迅速發(fā)展，低溫閥門(mén)的應用越來(lái)越廣泛。超低溫閥門(mén)的工作溫度極低(77K)，因此在設計這類(lèi)閥門(mén)時(shí)，為了保證閥門(mén)在低溫下安全可靠的運行，設計過(guò)程中必須同時(shí)考慮機械強度和傳熱學(xué)要求。

　　為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，低溫閥門(mén)必須進(jìn)行冷態(tài)試驗，通常采用將待驗閥門(mén)閥體浸沒(méi)于冷卻介質(zhì)中，進(jìn)行冷態(tài)操作和氣密性試驗。其中重要的一點(diǎn)就是要求閥門(mén)的結構保證填料處于0℃以上的溫度環(huán)境下工作，例如采用長(cháng)頸閥蓋結構，使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠些，起到保護填料函的功能。

　　低溫閥門(mén)的熱設計是針對其正常運行工況進(jìn)行，即冷卻介質(zhì)在閥內流道中流動(dòng)，閥桿處于室溫環(huán)境;而低溫閥門(mén)冷態(tài)試驗狀態(tài)則通常是閥內為試壓流體而閥體外為冷卻介質(zhì)，部分閥桿處于冷卻介質(zhì)的低溫蒸氣之中。由此可見(jiàn)，針對運行狀態(tài)的熱設計所確定的閥桿尺寸不一定能保證在冷態(tài)試驗過(guò)程填料函不出現凍結，而一旦出現填料函凍結，冷態(tài)操作等試驗都會(huì )受到影響。

　　近年來(lái)，閥門(mén)的虛擬設計與仿真是閥門(mén)設計的一種重要的方式，可對產(chǎn)品的性能給出初步的評價(jià)，并且比實(shí)驗驗證的成本低。本文采用AN-SYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺，針對通徑為DN80的LNG船用超低截止閥低溫試驗狀態(tài)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)降溫過(guò)程中填料函以及閥門(mén)溫度場(chǎng)的模擬與熱力分析，從而判定所設計的閥門(mén)閥頸長(cháng)度是否合理，以及達到穩定狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間，并且給出一定的建議。

2、熱力學(xué)有限元分析

2.1、模型分析

　　閥蓋通常設計成長(cháng)頸閥蓋結構，這是因為DN80超低溫截止閥在實(shí)際工作中，閥門(mén)表面的溫度較低，當表面溫度低于與其接觸的水蒸氣的三相點(diǎn)溫度，空氣中的水蒸氣就會(huì )在閥門(mén)的表面凝結成霜甚至結冰。填料函與閥桿接觸處結冰，不僅影響閥桿的正常操作，并且有冰存在，在閥桿上下移動(dòng)時(shí)，會(huì )使填料函內的填料結構劃傷，引發(fā)泄露事故。長(cháng)頸閥蓋的閥頸長(cháng)度能滿(mǎn)足填料函底部溫度大于273K的情況，并且還有一定的余量。

　　DN80超低溫截止閥在出廠(chǎng)前必須進(jìn)行低溫試驗。根據相關(guān)的試驗標準規定，低溫試驗時(shí)，閥體外表面應全部浸泡在盛有77K液氮的試驗槽中，工況比在實(shí)際管路中工作時(shí)更加惡劣，閥頸長(cháng)度可能不能滿(mǎn)足低溫試驗的條件。所以需要對所設計的DN80超低溫截止閥其填料函底部到長(cháng)頸閥蓋最底端距離為332mm進(jìn)行低溫試驗條件下的模擬計算，以驗證閥頸長(cháng)度是否滿(mǎn)足要求，必要時(shí)再調整閥頸的長(cháng)度，再進(jìn)行模擬分析。圖1為進(jìn)行低溫試驗示意圖。

1.閥體;2.閥桿;3.長(cháng)頸閥蓋;4.填料函

圖1 低溫試驗示意圖

2.2、傳熱學(xué)理論

　　DN80超低溫截止閥在實(shí)際工作中的傳熱包含導熱、對流、輻射的傳熱過(guò)程。當DN80超低溫截止閥進(jìn)行瞬態(tài)模擬時(shí)，初始條件為與液氮接觸的閥門(mén)表面設置飽和液氮的沸騰換熱邊界條件，閥門(mén)外表面與氮氣接觸的區域設置低溫氮氣自然對流邊界條件，與空氣接觸區域設置空氣自然對流邊界條件，同時(shí)設置閥門(mén)外表面的輻射換熱邊界條件。

　　(1)溫度場(chǎng)滿(mǎn)足微分方程為：

　　其中：

　　(2)第一類(lèi)邊界條件：T=Tw (3)

　　(3)對流邊界條件為：

　　(4)輻射邊界條件為：

　　(5)初始條件為：T=T0 (6)

2.3、熱力學(xué)分析有限元法

　　將式(2)帶入式(1)，轉換為等效的積分形式即：

　　將區域分解劃分單元，DN80超低溫截止閥的模型是3-D模型，假設單元內溫度變化可以用多項式表示，多項式的假設保證了溫度在單元內部和單元邊界上都是連續的。

　　以單元節點(diǎn)溫度為未知數的多項式為：

　　其中：{N}T：?jiǎn)卧�形函�?{Te}：?jiǎn)卧�節點(diǎn)溫度矢量。

　　由單元節點(diǎn)溫度得到每個(gè)單元的溫度梯度和熱流：

　　熱流量由下式計算：

　　將假設的溫度變化帶入積分方程(2-7)，可得：

　　集成總方程的矩陣形式如下：其中：

　　其中：N：?jiǎn)卧�總�?{Q0}：施加在節點(diǎn)上的熱流率。

3、模型建立

3.1、幾何建模

　　對于DN80超低溫截止閥，填料函底部到長(cháng)頸閥蓋最底端距離為332mm，為了使其在A(yíng)NSYS有限元模擬軟件中便于網(wǎng)格劃分和模擬分析，對實(shí)際模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，且做的這些簡(jiǎn)化對模擬結果影響不大。所以做了如下的簡(jiǎn)化：對連座閥體、右閥體、長(cháng)頸閥蓋、閥桿、填料函部件之間進(jìn)行建模和裝配，由于填料函為柔性石墨，填料函與長(cháng)頸閥蓋之間應力較小，進(jìn)行粘合處理，不考慮這些部件之間的接觸問(wèn)題，并用ANSYS11的建模功能進(jìn)行幾何建模，閥門(mén)具有面對稱(chēng)的特性，因此只需要對取其一半的對稱(chēng)體進(jìn)行建模和分析，見(jiàn)圖2。

圖2 DN80超低溫截止閥幾何模型

　　3.2、有限元模型建模

　　(1)熱分析單元采用的是Thermalsolid，10node87單元，主體材料為316L不銹鋼，閥桿材料為17-4PH不銹鋼，填料材料為石墨，介質(zhì)為氮。

　　(2)定義材料的性能參數，設計的超低溫閥門(mén)為DN80超低溫截止閥。超低溫球閥所用的主體材料為316L奧氏體不銹鋼(由于主體材料為316L不銹鋼，其余材料對分析不產(chǎn)生影響，故只需設置單一材料性能參數)，低溫介質(zhì)為1MPa的液氮，表1為氮的物性參數隨溫度的變化。

表1 氮的物性參數(1MPa)

　　(3)網(wǎng)格劃分，由于模型不規則，采用自由網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完網(wǎng)格后再對自由網(wǎng)格進(jìn)行了一定的修改，如圖3所示。

圖3 DN80超低溫截止閥劃分網(wǎng)格

　　(4)定義邊界條件

　　(a)分析類(lèi)型為瞬態(tài)模型(transient);

　　(b)閥門(mén)對稱(chēng)截面設置絕熱邊界條件;閥門(mén)浸入試驗槽前，初始溫度為環(huán)境溫度T=298K;當閥門(mén)浸入試驗槽后，根據標準JB/T7749-95規定，閥門(mén)在進(jìn)行冷態(tài)試驗時(shí)，試驗槽內液氮的液位水平面要蓋過(guò)閥體與閥蓋連接處，因此在閥蓋以下閥門(mén)的內外表面施加溫度對流換熱邊界條件，介質(zhì)溫度為T(mén)=77K，對流換熱系數與閥體表面溫度有關(guān)，見(jiàn)圖4;試驗槽內，閥門(mén)閥蓋以上到試驗槽端蓋以下部分充滿(mǎn)了T=77K的氮氣，模擬施加的對流換熱系數h=10W/m2.K，試驗槽內周邊的溫度為T(mén)=77K;試驗槽端蓋以上的閥門(mén)部分施加對流換熱系數h=10W/m2.K，環(huán)境溫度為298K。閥門(mén)表面施加輻射邊界條件，Stenfan-Bolzman常數為5.67E-8。

圖4 不銹鋼在液氮中沸騰對流換熱系數隨不銹鋼表面溫度與液氮溫度差值的關(guān)系

　　(c)設定載荷子步，設定最后一個(gè)子步的完成時(shí)間為20000s，設定載荷子步為1000，最大載荷步為1200，設定階躍為Stepped。

　　(d)為了增強求解的收斂，在非線(xiàn)性選項中，選定子步迭代次數為50次，線(xiàn)性搜索功能打開(kāi)。

　　(e)模型求解，通過(guò)POST1后處理讀出閥門(mén)在不同時(shí)刻的結果，用POST26后處理讀出填料函底部某一節點(diǎn)在整個(gè)瞬態(tài)過(guò)程中的結果，繪制溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。

　　(5)進(jìn)行求解。

4、模擬結果及分析

圖5 低溫試驗時(shí)溫度分布圖(20s)

圖6 低溫試驗時(shí)溫度分布圖(1000s)

圖7 低溫試驗時(shí)溫度分布圖(5000s)

圖8 低溫試驗時(shí)溫度分布圖(10000s)

圖9 低溫試驗時(shí)溫度分布圖(20000s)

　　超低溫閥門(mén)在使用過(guò)程中，閥門(mén)通道內處于冷端溫度下(77K)，閥體外表面與環(huán)境空氣進(jìn)行自然對流換熱，冷量一部分從徑向傳遞到外部環(huán)境中，一部分軸向傳遞到閥桿的頂部。當常溫的DN80超低溫截止閥放入低溫試驗槽時(shí)，閥體各個(gè)點(diǎn)的溫度需要一段時(shí)間才能達到穩定平衡狀態(tài)，以下是該過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)DN80超低溫截止閥在低溫試驗時(shí)溫度分布圖，從圖5-圖9中可以明確的看出隨著(zhù)時(shí)間的變化閥體溫度的變化情況。

4.1、閥門(mén)填料函底部溫度變化分析

　　根據不同時(shí)間點(diǎn)的填料函節點(diǎn)溫度得到如圖10的填料函節點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)圖。

　　從圖10，DN80超低溫截止閥低溫試驗瞬態(tài)模擬的結果可以看出，在8000s以后降溫速率慢慢減小，慢慢趨于穩定，且16000s之后，閥門(mén)填料函底部溫度基本不變，最終溫度穩定后的閥門(mén)填料函底部的節點(diǎn)溫度為(曲線(xiàn)1)273.5K，填料函頂部的節點(diǎn)溫度(曲線(xiàn)2)為278K。

(曲線(xiàn)1：填料函底部溫度;曲線(xiàn)2：填料函頂部溫度)

圖10 填料函節點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的值

4.2、閥門(mén)其他點(diǎn)的溫度變化分析

　　根據JB/T7749-1995標準，將閥門(mén)浸泡液氮中，保證閥門(mén)冷卻到最低工況時(shí)，才能開(kāi)始進(jìn)行試驗。在閥體內、外表面及閥瓣上各取一點(diǎn)，觀(guān)察這些點(diǎn)的溫度穩定情況。

(曲線(xiàn)1：閥門(mén)外表面;曲線(xiàn)2：閥門(mén)內表面;曲線(xiàn)3：閥瓣上)

圖11 DN80超低溫閥門(mén)各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的值

　　從圖11可以看出，三個(gè)點(diǎn)從常溫冷卻到77K的時(shí)間t紫

5、結論

　　本文運用有限元分析軟件ANSYS，對DN80船用LNG超低截止閥進(jìn)行進(jìn)行低溫試驗時(shí)的建模和有限元分析，得出了隨時(shí)間變化填料函及閥體不同點(diǎn)的溫度變化情況和改進(jìn)建議。

　　(1)DN80超低溫截止閥低溫試驗時(shí)，當填料函底部到長(cháng)頸閥蓋最底端距離為332mm時(shí)，填料函底部的溫度為273.5K，保證了填料函的溫度在0℃以上，防止填料函結冰。即低溫試驗下，可以不需要對閥頸長(cháng)度進(jìn)行調整。但是如果為了達到更好的效果，可以在此基礎上，適當的增加填料函底部到長(cháng)頸閥蓋最底端距離。

　　(2)DN80超低溫閥門(mén)在低溫試驗時(shí)，閥門(mén)內外表面的穩定時(shí)間為大約600s，閥瓣的穩定時(shí)間大約為1200s，而填料函的穩定時(shí)間大約需要16000s。因為在保證填料函溫度的同時(shí)，當閥瓣的溫度達到穩定時(shí)就可以進(jìn)行低溫試驗，不會(huì )對其試驗造成影響，所以超低溫閥門(mén)低溫試驗時(shí)可以開(kāi)始試驗的時(shí)間至少為低溫閥門(mén)浸泡在液氮內的部分的最長(cháng)穩定時(shí)間即為閥瓣的穩定時(shí)間，大約為1200s。因此進(jìn)行該閥門(mén)的低溫試驗時(shí)，要先把閥門(mén)浸泡在液氮里足夠長(cháng)的時(shí)間，等到閥體溫度穩定，才能保證低溫試驗時(shí)閥門(mén)測試的準確性。