分析了低溫閥內(nèi)部介質(zhì)溫度變化對(duì)填料函填料處密封的影響，通過(guò)假設(shè)對(duì)閥蓋模型簡(jiǎn)化建模，利用AN-SYS對(duì)模型進(jìn)行傳熱學(xué)分析，得出不同長(zhǎng)頸閥蓋頸部長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的填料函底部溫度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)模擬計(jì)算的長(zhǎng)頸閥蓋頸部長(zhǎng)度值與其它標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及手冊(cè)中所規(guī)定的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，最終總結(jié)出影響長(zhǎng)頸閥蓋頸部長(zhǎng)度數(shù)值的主要因素。

1、引言

　　低溫閥門(mén)是石油化工、空氣分離、天然氣、制冷和低溫工程上不可缺少的重要設(shè)備之一。一般認(rèn)為，工作溫度低于−29ºС的閥門(mén)稱為“低溫閥門(mén)”，工作溫度小于−100ºС的閥門(mén)，稱為“超低溫閥門(mén)”。在設(shè)計(jì)超低溫閥門(mén)時(shí)，除了應(yīng)遵循一般閥門(mén)的設(shè)計(jì)原則外，還有一些特殊的要求。其中極其重要的一點(diǎn)就是要求閥門(mén)的結(jié)構(gòu)保證填料函底部在0ºС以上的溫度環(huán)境下工作。

　　填料的密封性是低溫閥的關(guān)鍵所在。閥門(mén)在低溫狀態(tài)下，首先是填料產(chǎn)生冷脆，密封性能下降，接著，由于低溫介質(zhì)滲漏，在填料與閥桿處產(chǎn)生凝露而結(jié)冰，造成填料損壞，在閥桿上下移動(dòng)時(shí)填料將閥桿劃傷，引起嚴(yán)重泄漏，所以必須保證填料函底部溫度達(dá)到0ºС以上，避免在填料處結(jié)冰。

　　目前國(guó)內(nèi)外普遍采用長(zhǎng)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)填料的功能。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于研究低溫閥頸部伸長(zhǎng)量的相關(guān)文獻(xiàn)較少，已發(fā)表的文獻(xiàn)對(duì)低溫閥頸部伸長(zhǎng)量的探討還存在一定的局限性。

　　本文通過(guò)傳熱學(xué)理論，借助ANSYS軟件，對(duì)工作介質(zhì)溫度為−196ºС的超低溫閥門(mén)閥蓋頸部結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行有限元分析，為低溫閥的產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算提供有意義的參考。本文以DN40−150Lb的低溫球閥為例(下同)對(duì)閥蓋頸部長(zhǎng)度進(jìn)行分析。

2、模型建立

　　低溫閥設(shè)計(jì)時(shí)要遵循以下兩個(gè)原則：

　　(1)閥門(mén)在不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源，這是因?yàn)闊崃康牧魅氤�降低熱效率外，如流入過(guò)多，還會(huì)使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險(xiǎn)。

　　(2)低溫介質(zhì)不應(yīng)對(duì)手輪操作、填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。

　　針對(duì)以上兩個(gè)原則要求低溫閥門(mén)在使用時(shí)要對(duì)閥體及填料函以下部分進(jìn)行保冷處理;閥蓋頸部為加長(zhǎng)型設(shè)計(jì)，以便使填料函底部的溫度高于0ºС。

2.1、問(wèn)題的提出

　　(1)低溫閥閥蓋頸部長(zhǎng)度的規(guī)定值差異較大

　　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或手冊(cè)中對(duì)低溫閥閥蓋頸部長(zhǎng)度的定數(shù)值不同且相差較大。

　　以DN40−150Lb的低溫球閥為例，標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè)中閥蓋頸部長(zhǎng)度數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)中規(guī)定的閥蓋頸部長(zhǎng)度表

　　(2)有無(wú)保冷層對(duì)低溫閥閥蓋頸部長(zhǎng)度值影響分析

　　根據(jù)低溫閥設(shè)計(jì)準(zhǔn)則“閥門(mén)在不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源”這條原則，低溫閥設(shè)計(jì)應(yīng)考慮保冷情況下的影響。那么有保冷層和無(wú)保冷層對(duì)填料函底部溫度影響究竟有多大，本文將就此問(wèn)題進(jìn)行分析。

　　(3)保冷層的長(zhǎng)度對(duì)低溫閥閥蓋頸部長(zhǎng)度值影響較大。

　　對(duì)應(yīng)非冷箱用的低溫閥以及無(wú)滴水盤(pán)的低溫閥，保冷層究竟要包到那個(gè)部位，現(xiàn)階段仍沒(méi)有定論，本文通過(guò)舉例來(lái)對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析。

　　由于本文研究的主要是長(zhǎng)頸閥蓋頸部長(zhǎng)度對(duì)填料函底部溫度的影響，因此對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，只分析閥蓋、閥桿及填料部分，再輔以邊界條件來(lái)模擬實(shí)際的工況，以便確定閥蓋頸部的長(zhǎng)度。由于通過(guò)公式推導(dǎo)計(jì)算較為復(fù)雜，且無(wú)法較為全面地考慮影響因素，本文通過(guò)ANSYS軟件的傳熱學(xué)分析功能對(duì)模型進(jìn)行分析，并施加合適的邊界條件，可較方便地求解閥蓋頸部長(zhǎng)度的數(shù)值。

2.2、基本假設(shè)

　　本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)頸閥蓋采用保冷處理和不保冷處理兩種假設(shè)進(jìn)行對(duì)比分析，以便分析出保冷處理對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響。

　　為便于數(shù)值計(jì)算，本文假設(shè)見(jiàn)表2：

表2 基本假設(shè)

2.3、模型建立

　　簡(jiǎn)化后的閥蓋、閥桿組件模型如圖1、圖2所示。

圖1 帶保冷的閥蓋、閥桿模型

圖2 不帶保冷的閥蓋、閥桿模型

2.4、邊界條件施加

　　熱量的傳遞主要是通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式來(lái)進(jìn)行的。模型的邊界條件見(jiàn)表3。

表3 邊界條件

3、模擬結(jié)果及分析

3.1、傳熱學(xué)分析

　　利用ANSYS軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析計(jì)算。對(duì)帶保冷和不帶保冷兩種模型取不同的L值進(jìn)行熱分析，得出填料函底部溫度值，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。其主要計(jì)算參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 熱分析計(jì)算參數(shù)表

　　計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4(以L=250mm為例)所示，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

圖3 不帶保冷，L=250mm

圖4 帶保冷，L=250mm

表5 填料底部溫度計(jì)算結(jié)果

3.2、結(jié)果分析

　　從計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)于不保冷的情況閥蓋頸部長(zhǎng)度為200mm時(shí)填料底部的溫度已經(jīng)滿足大于0ºС的條件，而有保冷的情況在閥蓋頸部長(zhǎng)度為250mm時(shí)為0.0014ºС已滿足填料函底部的溫度大于0ºС的條件。因此長(zhǎng)頸閥蓋有保冷和沒(méi)有保冷的情況下填料底部溫度相差較大。

　　由于建模時(shí)假設(shè)保冷層到填料底部，由于保冷材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此溫度沿閥桿軸向變化較慢，為了使溫度沿閥桿軸向變化相對(duì)快一些，可適當(dāng)減小保冷長(zhǎng)度。以L=250mm為例來(lái)分析不同保冷長(zhǎng)度的情況下填料函底部溫度值，以便來(lái)探討最適合的保冷長(zhǎng)度。圖5為保冷長(zhǎng)度為L(zhǎng)2/3時(shí)填料函底部的溫度計(jì)算結(jié)果，具體計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

圖5 保冷長(zhǎng)度L2/3

表6 不同保冷長(zhǎng)度下對(duì)應(yīng)填料函底部溫度

　　保冷長(zhǎng)度與填料函底部溫度變化關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 保冷長(zhǎng)度與填料函底部溫度關(guān)系曲線

　　材料的導(dǎo)熱系數(shù)與材料特性和溫度有關(guān)，如果溫差較大，同種材料的導(dǎo)熱系數(shù)變化也較大。本文中所分析的不銹鋼零件取20ºС時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)15.2W/(m·ºС)進(jìn)行計(jì)算，而在−196ºС時(shí)不銹鋼零件的導(dǎo)熱系數(shù)為7.9W/(m·ºС)，因此本文模擬出來(lái)的閥蓋長(zhǎng)度是偏長(zhǎng)的，在這種情況下殼牌規(guī)范MESCSPE77/200和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS6364−1998填料函底部溫度已經(jīng)大于0ºС，考慮到導(dǎo)熱系數(shù)選取偏安全的原因，可以判斷標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的L值是足夠安全的。在這種情況下，手冊(cè)中規(guī)定的L值不能滿足填料底部溫度大于0ºС的要求。

　　下面取−196ºС時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為7.9W/(m·ºС)，L=160mm為例進(jìn)行建模分析在導(dǎo)熱系數(shù)最小的情況下手冊(cè)中規(guī)定的L值是否能滿足填料函底部溫度大于0ºС的要求。分析的結(jié)果見(jiàn)圖7，填料底部的溫度為−4.091ºС。

圖7 帶保冷，L=160mm

　　因此通過(guò)上面兩種情況下的分析結(jié)果可以看出：在取最大和最小導(dǎo)熱系數(shù)的情況下，手冊(cè)中所給L值都不能滿足填料函底部溫度大于0ºС的要求，因此手冊(cè)中規(guī)定的閥蓋頸部長(zhǎng)度L值是不夠的。

4、結(jié)論

　　(1)對(duì)于本文分析的DN40−150Lb超低溫球閥，殼牌規(guī)范MESCSPE77/200和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS6364−1998中規(guī)定的閥蓋頸部長(zhǎng)度是較安全的;實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)和閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)中規(guī)定的閥蓋頸部長(zhǎng)度有待進(jìn)一步考證。

　　其它型號(hào)規(guī)格的閥門(mén)在長(zhǎng)頸閥蓋設(shè)計(jì)時(shí)，可參考本文的方法來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

　　(2)帶保冷結(jié)構(gòu)比不帶保冷的結(jié)構(gòu)填料底部的溫度相差較大。

　　對(duì)于長(zhǎng)期在低溫環(huán)境下工作的低溫閥門(mén)長(zhǎng)頸閥蓋部分不做保冷處理的情況，是應(yīng)該禁止的，因此在低溫閥尤其是超低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮保冷對(duì)閥桿頸部長(zhǎng)度所帶來(lái)的影響。

　　(3)選擇適當(dāng)?shù)谋＠鋵娱L(zhǎng)度即可保證閥門(mén)在不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源，沿閥桿方向溫度變化梯度不宜過(guò)大的設(shè)計(jì)原則，又可以保證填料函底部溫度大于0ºС的條件。另外，需要指出的是，在閥蓋頸部有保冷層的情況下，成為顯著散熱部位的為露出保冷層部分的零件，包括閥桿直徑、閥桿露出填料部分的長(zhǎng)度以及閥蓋接盤(pán)的大小。因此，這些零部件的尺寸也是影響閥蓋頸部長(zhǎng)度不可忽略的因素。