密封面結構參數對LNG浮動球閥密封性能的研究

戴 明，徐小兵，張紅瑞

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434000)

0 引言

液化天然氣(LNG)的運輸存儲溫度低于-162 ℃，所以對于液化天然氣的存儲以及運輸有著較高的要求。在運輸過程中，作為管線咽喉的閥門就起到了關鍵作用，對其要求也更高。球閥具有密封性能好、摩擦小、啟閉迅速、精準度高以及可安裝不同的執行器等特點，在石油化工、管線運輸、城市水道以及家庭生活等行業中被廣泛使用。

國內外學者對超低溫球閥的相關結構和應用的研究不計其數，如Dskim，Mskin[1]等對其溫度場分布以及熱應力應變進行了總體的研究分析，描述了低溫球閥的溫度傳遞過程以及在低溫環境下的應力集中點和大應變位置。Mathieu[2]等研究了冷沖擊對超低溫閥門法蘭密封處的影響，解決了模型選擇的問題，更好地描述了零件的受冷行為。Sang-Kyu Bae，Dong-Soo Kim，Hyun-Sub Kim[5]等人對LNG用高壓下的低溫球閥進行了結構設計的分析。Kim Dong Su[6]等人利用CAE和CFD數值計算方法對高壓低溫球閥的內流場和熱物質進行了分析。韓傳軍[3]等人對天然氣管道用的軟密封高壓球閥進行了數值模擬研究，說明了應力和載荷分布情況，從而預先確定了潛在的問題，使得閥門的密封和強度能夠滿足要求，為球閥的可靠性和安全性作出了指導性的建議。蘭州理工大學高揚[12]等人對于常規使用下的浮動球閥在受到不同的介質壓力時的密封比壓的變化做了研究分析，得出在密封面上其密封比壓的分布呈對稱分布，兩端應力值大，中部應力值小，隨著介質壓力變大，其密封比壓也隨之增大。楊剛[13]等人對超低溫固定式球閥密封副上的密封比壓在不同的壓力角下的變化做了相應的研究分析，隨著壓力角的增大，密封比壓值增大，有效密封寬度卻在減小。

目前國內外針對固定球閥的研究比較全面，但對于浮動球閥的研究還需要進一步開展。浮動球閥在石油化工行業中，尤其是在LNG的傳輸中其應用得最為廣泛，而由于LNG對于密封要求比較高，所以對于LNG超低溫浮動球閥的密封比壓的分析則顯得尤為重要。密封面的位置(由壓力角大小決定)和面積大小(由密封面寬度決定)又影響著密封比壓的大小和密封的性能，所以對于這兩大因素的分析在密封設計過程中有著舉足輕重的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

圖1 浮動球閥三維模型圖

由于浮動球閥是一個對稱結構，本文采用Solidworks軟件和Workbench軟件相結合建立DN50浮動球閥的二分之一模型，并根據實際的工作情況選取合適的邊界條件，將超低溫介質的溫度傳遞耦合到球閥受到介質壓力的靜應力場中。結合理論設計計算中的壓力角和介質壓力對密封壓力的影響因素，本文以壓力角43°和設計介質壓力6.4 MPa為基準上下調整壓力角和密封面寬度對密封性能進行分析，圖1為長閥桿結構的超低溫浮動球閥三維模型，模型中包含了加長閥桿結構、除靜電結構、防火結構和防吹出結構四種特殊結構。圖2為浮動球閥球體與出口閥座的密封示意圖，球體在介質壓力作用下壓在出口閥座上。

圖2 密封示意圖

本文所研究的LNG超低溫浮動球閥，主體部分采用316不銹鋼(Cr18Ni12Mo2Ti)，具體材料性能參數如表1所示，填料部分采用柔性石墨，閥體密封圈和止推墊部分采用聚四氟乙烯(PTFE)，在模型材料設置中采用其平均參數，如表2所示。

表1 316不銹鋼(Cr18Ni12Mo2Ti)的性能參數

表2 聚四氟乙烯(PTFE)的性能參數

1.2 數學模型

1.2.1 必需比壓qb

必需比壓qb是為保證密封，在密封面單位面積上所需要的最小壓力。在閥門的設計過程中，必需比壓為：

(1)

式中：m為流體介質的性能參數，對于LNG密封要求較高的介質，我們選取m=1.8；a，c為密封面相關的材料系數，對于本文中采用的硬質合金的密封結構，選取a=3.5，c=1；P為流體的工作壓力，b為密封面在垂直于流動方向上的投影(b=tcosφ，t為密封面寬度)。

1.2.2 許用比壓[q]

許用比壓[q]是指密封面單位面積上允許承受的最大壓力。本文研究的浮動球閥，由于浮動球閥的使用環境是一個中低壓環境，所采用的是316奧氏體不銹鋼，球體與閥座之間有轉動摩擦，其許用比壓為[q]=40 MPa。

1.2.3 設計比壓q

設計比壓q是指設計時確定的密封面單位面積上實際承受的壓力。

(2)

S=πtp(D1+b)

(3)

(4)

對于硬密封的浮動球閥，其閥座受到的預緊力相比較于流動介質所產生的壓力要小得多，所以在設計計算中可將其忽略不計，因此可以用流體介質產生的壓力來計算密封面上的總作用力Q。

(5)

式中：D1為閥座密封面外徑；D2為閥座密封面內徑。

1.3 傳熱模型

一般將傳熱過程分為熱傳導、對流換熱以及熱輻射三種方式。根據這三種傳熱方式的原理結合分析模型，在超低溫浮動球閥中所出現的傳熱過程分為閥門內部分熱傳導以及閥門表面和空氣產生的對流換熱。

1)熱傳導：在穩態熱傳導下，假定為內熱。

(6)

式中，ρ為密度；cp為固體的定壓比熱；k為導熱系數；t為溫度。

2)對流換熱

(7)

式中，ts為固體表面溫度；tf為外界空氣溫度；h為對流換熱系數；n表示與表面垂直的方向。

1.4 數值模型

1.4.1 網格劃分

圖3 閥座細化網格

將1.1中建立的幾何模型，通過SW和AW的接口導入進AW的分析模塊中，對浮動球閥模型我們采用workbench Mesh中六面體網格的數學方法將自動網格劃分為六面體，并且對球體與出口閥座接觸面處進行相應的網格細分，使得結果運算更加精確。劃分后得到的數值模擬網格模型如圖3所示。

1.4.2 邊界條件和載荷條件

(1)第一邊界條件

對于LNG用的超低溫浮動球閥，如1.3節中所述球閥外表面與空氣的換熱方式為對流換熱，設置當時的環境溫度為293.15 K，由于其為單一對流換熱，所以換熱系數定為h=10 W·(m2·K)-1。

(2)第二邊界條件

在穩定工作狀態下，球閥內部與超低溫介質LNG(111.15 K)相接觸，因此球閥內表面的溫度與LNG溫度一致，內表面設置溫度為111.15 K。

(3)載荷條件

球閥模型是對稱的，在對稱面上添加熱對稱載荷約束(即為絕熱約束)，設定內部壓力載荷為6.4 MPa，介于浮動球閥的密封原理，其進口端保留一定的在流速方向上的自由移動狀態，因此設置進口端Y、Z方向上全約束，X方向上自由，而出口端進行固定全約束，在對稱面上添加對稱約束(即為無摩擦約束)。

2 數值模擬分析

浮動球閥的球心受到介質壓力時，會向出口端閥座移動，并與閥座擠壓貼合以達到密封的要求。在浮動球閥關閉受壓情況下，對于出口端的密封要求性能較高，在超低溫環境中影響密封比壓的因素有溫度、壓力角、密封接觸面寬度和壓力等。本節主要研究的是壓力角和密封接觸面寬度的變化對超低溫浮動球閥密封比壓的影響，進而分析其密封性能的優劣。

2.1 壓力角對密封比壓的影響

在設計過程中，對41°/42°/43°/44°/45°五種不同的壓力角進行數值模擬分析。考慮到其他閥座結構參數會對密封比壓和性能產生影響，因此在計算過程中固定密封面寬度為6 mm和閥座厚度為10.5 mm，由于浮動球閥自身結構的原因，只使用于中低壓(公稱壓力≤6.4 MPa)環境，因此選定介質壓力為6.4 MPa。

圖4為41°壓力角的閥座溫度分布云圖。從溫度分布圖中可以看出，閥座下端與環境溫差大于上端。

圖4 壓力角為41°溫度分布云圖

圖5和圖6為熱-固耦合應力分布云圖和接觸面應力分布圖。從圖中看出，在密封面的內徑處其密封比壓值比外徑處要大。這是由于當上端開口與閥桿完全貼合時，球體上端會由閥桿固定，而隨著壓力的持續性作用和增大(增大至6.4 MPa后保持不變)，此時球體將會有一個翻轉的趨勢，如圖7所示。這時在密封接觸面的中間部位會有一個傾斜的接觸使得中間部位的溫度以及應力的分布不均勻，應力值也相對較小。通過上述分析，得到在超低溫浮動球閥的密封面上其密封比壓的分布呈不均勻狀態，在上中下三個部位的應力變化明顯且不與固定式球閥有著類似的對稱分布，所以在閥座密封面的上中下三個部位設置應力提取路徑，如圖8所示，對三條路徑上的比壓變化進行分析。

圖5 閥座應力分布云圖(Φ=41°)

圖6 閥座接觸密封面應力分布圖(Φ=41°)

圖7 球體翻轉趨勢示意圖

圖8 三個位置路徑圖

提取三個路徑上的應力數值繪制密封比壓在密封接觸面上的變化曲線，如圖9所示。上端和下端其密封比壓的變化趨勢相近，都呈現類似于“W”的變化趨勢，且都在密封面的內徑處比壓值最大。下路徑的應力變化趨勢呈現出先減小后增大的趨勢。由公式(1)算出41°壓力角下的許用比壓為8.37 MPa，所以在該壓力角下的密封比壓的取值范圍為8.37～40 MPa，由公式(2)計算得出41°壓力角時密封面的平均密封比壓為20.11 MPa。由此可得出在上下兩端處均能滿足密封比壓要求，而在中路徑處其只有2.5 mm密封寬度滿足密封比壓要求，其有效密封率為42%。對此改變密封面壓力角的大小分析隨著壓力角的變化其密封比壓的變化。

圖9 41°三路徑應力變化圖

對此改變壓力角的大小，對42°、43°、44°、45°下的密封面的密封比壓分布情況進行分析，并與41°的數值進行比較。圖10圖11為五種不同壓力角的上下端的密封比壓變化曲線。從圖中可以看出，隨著壓力角的增大，上下端的密封比壓也在增大，且都呈類“W”的變化趨勢。結合表3中的理論計算，可知在不同壓力角下上下兩端均能滿足密封比壓的要求。

圖10 不同壓力角上端密封比壓變化曲線

圖11 不同壓力角下端密封比壓變化曲線

表3 理論計算比壓數值

圖12為中端五種不同壓力角下中端密封比壓變化曲線圖。從圖中發現，它們的密封比壓變化趨勢是相同的，都呈“勺”型分布。但是從圖中發現，在3～4 mm之間曲線發生了交叉，將整個曲線分成了兩部分。在0～3 mm內，密封比壓隨著壓力角的增大而變小；在4～6 mm內，密封比壓隨著壓力角的增大而增大。結合表3中的計算數值，在中端密封面上其密封比壓值很明顯不能全部滿足密封比壓要求。從圖12中可以得出各個壓力角下滿足密封比壓要求的有效密封寬度，如表4所示。

圖12 不同壓力角中端密封比壓變化曲線

表4 不同角度下的有效密封寬度

綜合表4中的有效密封寬度的數據，我們可以得出當壓力角為42°時，在密封面的三個部位上，密封比壓值能最大限度地滿足密封比壓的要求，且在滿足密封比壓的同時，可以提供最大的密封寬度，提高密封面的密封性能，但是在密封面的利用率上還是比較低的。

2.2 接觸面寬度對密封比壓的影響

圖13 不同接觸半寬示意圖

為了研究密封接觸面寬度對密封比壓的影響，獲得更高的密封面利用率。保持其他參數不變，選定壓力角為42°，改變接觸面寬度(初始寬度為6 mm)，分別為5.5 mm、5 mm、4.5 mm、4 mm。網格模型如圖13所示。

圖14為4 mm密封面應力分布圖，由于密封面的許用比壓值為40 MPa，因此其并不能符合使用要求。

圖14 4 mm密封面應力分布云圖

圖15、圖16、圖17為4.5 mm、5 mm和5.5 mm密封面三條路徑上的應力變化曲線。結合上文中6 mm的變化趨勢，隨著密封面寬度的減小，密封面的應力值在增大，在寬度減小到4.5 mm時，其內外徑的應力值趨于一致。

圖15 4.5 mm密封比壓變化圖

圖16 5 mm密封比壓變化圖

圖17 5.5 mm密封比壓變化圖

由式(1)可得出在不同密封面寬度下的必需比壓值，由此比較得出不同密封面寬度下的有效寬度和有效利用率，結果如表5所示。

表5 不同密封面寬度下的有效寬度

綜合2.1和2.2節的分析數據，得出在密封面壓力角為42°，接觸面寬度為5 mm時，其密封面的壓力值更合理，超低溫浮動球閥的密封性能更優，接觸面的密封利用率更高。

3 結論

通過對超低溫浮動球閥的密封面結構的熱-固耦合分析，得出如下主要結論：

1)當壓力角增大時，密封比壓值在密封面的三個路徑上也不斷增大，但有效密封面寬度先增大后減小，在42°時有效密封面寬度最大，密封性能最好。

2)在接觸面寬度減小時，密封比壓值在密封面的三個路徑上卻不斷增加，有效密封面寬度先增大后減小，在5 mm時有效密封面寬度最大，接觸面利用率也最高，密封性能最好。

3)在壓力角為42°，接觸面寬度為5 mm時，有效密封面寬度最寬，接觸面的利用率最好且密封比壓值也滿足使用要求，密封性能最優。