應(yīng)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(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了瞬態(tài)降溫過程中溫度的模擬與熱力分析。分別對填料函溫度以及閥門其他部分溫度進(jìn)行詳細(xì)的研究分析，從而判定所設(shè)計(jì)的閥門閥頸長度是否合理，以及達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時所需要的時間，并提出了一些建議。為超低溫截止閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

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(dāng)今世界增長最快的能源。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)境問題。目前，天然氣在一次能源結(jié)構(gòu)中，比重已經(jīng)達(dá)到25%。近年來全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)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(yīng)中的比例迅速增加。液化天然氣正以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業(yè)之一。加快天然氣的應(yīng)用成為全球性趨勢，預(yù)計(jì)到2015年，天然氣產(chǎn)量將超過原油，成為世界第一大能源。在中國，盡管還沒有形成規(guī)模，但是LNG的特點(diǎn)決定LNG發(fā)展非常迅速�？梢灶A(yù)見，在未來10-20年的時間內(nèi)，LNG將成為中國天然氣市場的主力軍。2008年4月3日，由中船集團(tuán)公司所屬滬東中華造船集團(tuán)有限公司自主建造的我國第一艘LNG船成功交付，標(biāo)志著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，我國開始對船用LNG超低溫閥門進(jìn)行了自主研發(fā)。

　　隨著LNG的迅速發(fā)展，低溫閥門的應(yīng)用越來越廣泛。超低溫閥門的工作溫度極低(77K)，因此在設(shè)計(jì)這類閥門時，為了保證閥門在低溫下安全可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)過程中必須同時考慮機(jī)械強(qiáng)度和傳熱學(xué)要求。

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

　　低溫閥門的熱設(shè)計(jì)是針對其正常運(yùn)行工況進(jìn)行，即冷卻介質(zhì)在閥內(nèi)流道中流動，閥桿處于室溫環(huán)境;而低溫閥門冷態(tài)試驗(yàn)狀態(tài)則通常是閥內(nèi)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，針對運(yùn)行狀態(tài)的熱設(shè)計(jì)所確定的閥桿尺寸不一定能保證在冷態(tài)試驗(yàn)過程填料函不出現(xiàn)凍結(jié)，而一旦出現(xiàn)填料函凍結(jié)，冷態(tài)操作等試驗(yàn)都會受到影響。

　　近年來，閥門的虛擬設(shè)計(jì)與仿真是閥門設(shè)計(jì)的一種重要的方式，可對產(chǎn)品的性能給出初步的評價，并且比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了動態(tài)降溫過程中填料函以及閥門溫度場的模擬與熱力分析，從而判定所設(shè)計(jì)的閥門閥頸長度是否合理，以及達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時所需要的時間，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(shè)計(jì)成長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)镈N80超低溫截止閥在實(shí)際工作中，閥門表面的溫度較低，當(dāng)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在閥門的表面凝結(jié)成霜甚至結(jié)冰。填料函與閥桿接觸處結(jié)冰，不僅影響閥桿的正常操作，并且有冰存在，在閥桿上下移動時，會使填料函內(nèi)的填料結(jié)構(gòu)劃傷，引發(fā)泄露事故。長頸閥蓋的閥頸長度能滿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前必須進(jìn)行低溫試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，低溫試驗(yàn)時，閥體外表面應(yīng)全部浸泡在盛有77K液氮的試驗(yàn)槽中，工況比在實(shí)際管路中工作時更加惡劣，閥頸長度可能不能滿足低溫試驗(yàn)的條件。所以需要對所設(shè)計(jì)的DN80超低溫截止閥其填料函底部到長頸閥蓋最底端距離為332mm進(jìn)行低溫試驗(yàn)條件下的模擬計(jì)算，以驗(yàn)證閥頸長度是否滿足要求，必要時再調(diào)整閥頸的長度，再進(jìn)行模擬分析。圖1為進(jìn)行低溫試驗(yàn)示意圖。

1.閥體;2.閥桿;3.長頸閥蓋;4.填料函

圖1 低溫試驗(yàn)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(dǎo)熱、對流、輻射的傳熱過程。當(dāng)DN80超低溫截止閥進(jìn)行瞬態(tài)模擬時，初始條件為與液氮接觸的閥門表面設(shè)置飽和液氮的沸騰換熱邊界條件，閥門外表面與氮?dú)饨佑|的區(qū)域設(shè)置低溫氮?dú)庾匀粚α鬟吔鐥l件，與空氣接觸區(qū)域設(shè)置空氣自然對流邊界條件，同時設(shè)置閥門外表面的輻射換熱邊界條件。

　　(1)溫度場滿足微分方程為：

　　其中：

　　(2)第一類邊界條件：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(zhuǎn)換為等效的積分形式即：

　　將區(qū)域分解劃分單元，DN80超低溫截止閥的模型是3-D模型，假設(shè)單元內(nèi)溫度變化可以用多項(xiàng)式表示，多項(xiàng)式的假設(shè)保證了溫度在單元內(nèi)部和單元邊界上都是連續(xù)的。

　　以單元節(jié)點(diǎn)溫度為未知數(shù)的多項(xiàng)式為：

　　其中：{N}T：單元形函數(shù);{Te}：單元節(jié)點(diǎn)溫度矢量。

　　由單元節(jié)點(diǎn)溫度得到每個單元的溫度梯度和熱流：

　　熱流量由下式計(jì)算：

　　將假設(shè)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：單元總數(shù);{Q0}：施加在節(jié)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，填料函底部到長頸閥蓋最底端距離為332mm，為了使其在ANSYS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)行了一定的簡化，且做的這些簡化對模擬結(jié)果影響不大。所以做了如下的簡化：對連座閥體、右閥體、長頸閥蓋、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，填料函與長頸閥蓋之間應(yīng)力較小，進(jìn)行粘合處理，不考慮這些部件之間的接觸問題，并用ANSYS11的建模功能進(jìn)行幾何建模，閥門具有面對稱的特性，因此只需要對取其一半的對稱體進(jìn)行建模和分析，見圖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(shù)，設(shè)計(jì)的超低溫閥門為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(shè)置單一材料性能參數(shù))，低溫介質(zhì)為1MPa的液氮，表1為氮的物性參數(shù)隨溫度的變化。

表1 氮的物性參數(shù)(1MPa)

　　(3)網(wǎng)格劃分，由于模型不規(guī)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)分析類型為瞬態(tài)模型(transient);

　　(b)閥門對稱截面設(shè)置絕熱邊界條件;閥門浸入試驗(yàn)槽前，初始溫度為環(huán)境溫度T=298K;當(dāng)閥門浸入試驗(yàn)槽后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7749-95規(guī)定，閥門在進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)時，試驗(yàn)槽內(nèi)液氮的液位水平面要蓋過閥體與閥蓋連接處，因此在閥蓋以下閥門的內(nèi)外表面施加溫度對流換熱邊界條件，介質(zhì)溫度為T=77K，對流換熱系數(shù)與閥體表面溫度有關(guān)，見圖4;試驗(yàn)槽內(nèi)，閥門閥蓋以上到試驗(yàn)槽端蓋以下部分充滿了T=77K的氮?dú)�，模擬施加的對流換熱系數(shù)h=10W/m2.K，試驗(yàn)槽內(nèi)周邊的溫度為T=77K;試驗(yàn)槽端蓋以上的閥門部分施加對流換熱系數(shù)h=10W/m2.K，環(huán)境溫度為298K。閥門表面施加輻射邊界條件，Stenfan-Bolzman常數(shù)為5.67E-8。

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

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

　　(d)為了增強(qiáng)求解的收斂，在非線性選項(xiàng)中，選定子步迭代次數(shù)為50次，線性搜索功能打開。

　　(e)模型求解，通過POST1后處理讀出閥門在不同時刻的結(jié)果，用POST26后處理讀出填料函底部某一節(jié)點(diǎn)在整個瞬態(tài)過程中的結(jié)果，繪制溫度隨時間變化曲線。

　　(5)進(jìn)行求解。

4、模擬結(jié)果及分析

圖5 低溫試驗(yàn)時溫度分布圖(20s)

圖6 低溫試驗(yàn)時溫度分布圖(1000s)

圖7 低溫試驗(yàn)時溫度分布圖(5000s)

圖8 低溫試驗(yàn)時溫度分布圖(10000s)

圖9 低溫試驗(yàn)時溫度分布圖(20000s)

　　超低溫閥門在使用過程中，閥門通道內(nèi)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(dāng)常溫的DN80超低溫截止閥放入低溫試驗(yàn)槽時，閥體各個點(diǎn)的溫度需要一段時間才能達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，以下是該過程中不同時間點(diǎn)DN80超低溫截止閥在低溫試驗(yàn)時溫度分布圖，從圖5-圖9中可以明確的看出隨著時間的變化閥體溫度的變化情況。

4.1、閥門填料函底部溫度變化分析

　　根據(jù)不同時間點(diǎn)的填料函節(jié)點(diǎn)溫度得到如圖10的填料函節(jié)點(diǎn)溫度隨時間變化的曲線圖。

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

(曲線1：填料函底部溫度;曲線2：填料函頂部溫度)

圖10 填料函節(jié)點(diǎn)溫度隨時間變化的值

4.2、閥門其他點(diǎn)的溫度變化分析

　　根據(jù)JB/T7749-1995標(biāo)準(zhǔn)，將閥門浸泡液氮中，保證閥門冷卻到最低工況時，才能開始進(jìn)行試驗(yàn)。在閥體內(nèi)、外表面及閥瓣上各取一點(diǎn)，觀察這些點(diǎn)的溫度穩(wěn)定情況。

(曲線1：閥門外表面;曲線2：閥門內(nèi)表面;曲線3：閥瓣上)

圖11 DN80超低溫閥門各點(diǎn)溫度隨時間變化的值

　　從圖11可以看出，三個點(diǎn)從常溫冷卻到77K的時間t紫

5、結(jié)論

　　本文運(yùn)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(yàn)時的建模和有限元分析，得出了隨時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(yàn)時，當(dāng)填料函底部到長頸閥蓋最底端距離為332mm時，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(jié)冰。即低溫試驗(yàn)下，可以不需要對閥頸長度進(jìn)行調(diào)整。但是如果為了達(dá)到更好的效果，可以在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)脑黾犹盍虾�底部到長頸閥蓋最底端距離。

　　(2)DN80超低溫閥門在低溫試驗(yàn)時，閥門內(nèi)外表面的穩(wěn)定時間為大約600s，閥瓣的穩(wěn)定時間大約為1200s，而填料函的穩(wěn)定時間大約需要16000s。因?yàn)樵诒ＷC填料函溫度的同時，當(dāng)閥瓣的溫度達(dá)到穩(wěn)定時就可以進(jìn)行低溫試驗(yàn)，不會對其試驗(yàn)造成影響，所以超低溫閥門低溫試驗(yàn)時可以開始試驗(yàn)的時間至少為低溫閥門浸泡在液氮內(nèi)的部分的最長穩(wěn)定時間即為閥瓣的穩(wěn)定時間，大約為1200s。因此進(jìn)行該閥門的低溫試驗(yàn)時，要先把閥門浸泡在液氮里足夠長的時間，等到閥體溫度穩(wěn)定，才能保證低溫試驗(yàn)時閥門測試的準(zhǔn)確性。