LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥溫度場分析

匡茜茜 韓雪峰 韓 棟

（江蘇蘇鹽閥門機械有限公司，濱海 224500）

閥門設計與分析的目的是確保閥門在運輸和傳遞介質中不發生泄漏，滿足密封要求。在超低溫工況下，液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）具有易燃易爆、黏度低、滲透性強等特點，十分容易發生泄漏。而超低溫閥門的工作溫度極低（77 K），因此在設計這類閥門時，除了應遵循一般閥門的設計原則，還有一些特殊的要求。其中重要的就是要求閥門的結構應保證填料在0 ℃以上的環境溫度下工作，以發揮保護填料函的功能[1]，填料函的密封性是低溫閥設計的關鍵，若該處有泄漏，將造成填料與閥桿處結冰，從而影響閥桿的正常操作，同時會因閥桿上下移動而將填料劃傷，從而引起嚴重泄漏[2]。LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥發生泄漏的位置主要有兩處，分別為填料函處和長頸閥蓋與閥體連接的法蘭處。在實際工作中，填料函處的泄漏最為常見[3]。為預防填料函結冰，應保證填料函溫度不小于0 ℃，因此從傳熱角度對LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥進行傳熱過程分析就顯得十分必要[4]。

1 傳熱過程分析

在LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥的結構組件中，由于環境溫度遠遠高于該組件的底部溫度，環境中的熱量會先由空氣傳給閥桿上端和長頸閥蓋及其他部件，隨后經過閥蓋與閥桿之間的縫隙進入填料函并到達閥桿內部，最后熱量經閥蓋和內部閥桿向下傳遞，而底部冷量會由閥蓋和內部閥桿向上傳遞。由于超低溫蝶閥滴水盤以下的閥蓋部位及閥體都有絕熱材料保護，可以忽略絕熱材料覆蓋部位的外部熱量和內部冷量與絕熱材料的熱交換。另外，因為滴水盤增大了長頸閥蓋與環境空氣的對流換熱面積，強化了換熱程度，且冷熱量的交換主要發生在滴水盤處，所以當冷量和熱量傳到滴水盤處時，就會產生冷熱量交換，從而阻止冷量繼續向上傳遞，起到保護填料的作用，同時還能降低閥蓋及閥桿的溫度。

2 LNG超低溫上裝式蝶閥的溫度場分析

2.1 模型建立

建立實體模型是有限元數值仿真分析的基礎[5]，本文依據實際工況設計出LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥的結構，確定了相關尺寸并進行了建模。三維實體模型由閥體、閥桿、蝶板、長頸閥蓋、滴水板和填料函等部分構成。為減少計算量，對所建模型進行了適當的簡化，LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥開啟狀態時的模型如圖1所示。

2.2 材料屬性設置

考慮到材料的耐低溫特性和成本，設計采用的材料為奧氏體不銹鋼ASTMF316，因此只需要設置單一材料的性能參數。根據美國機械工程協會標準 《ASME鍋爐及壓力容器規范》第Ⅱ卷D篇[6]，其材料參數如表1所示。

表1 材料參數

2.3 單元網格的劃分

由于零件幾何結構較為復雜，需要選用四面體網格并選取適當尺寸。劃分后的有限元模型有包含35 176 個節點，77 789個單元，如圖2所示。

2.4 溫度及邊界條件的設置

介質液氮的工作溫度為-196 ℃，環境溫度為22 ℃。 當閥門處于開啟狀態時，設置邊界條件如下：閥體內壁、閥座、閥瓣及閥蓋法蘭下表面的溫度為-196 ℃；由于超低溫蝶閥的滴水盤以下閥蓋部位及閥體都有絕熱材料保護，可以忽略絕熱材料覆蓋部位的外部熱量和內部冷量到絕熱材料的熱交換。冷熱量的交換主要發生在滴水盤處，因此滴水盤及以上的部分與空氣自然對流換熱，設置熱對流系數為12 W·m-2·℃-1，環境溫度設為22 ℃。蝶閥的溫度及對流邊界條件設置如圖3所示。

2.5 結果分析

通過有限元分析計算，得到如圖4所示的LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥開啟狀態下的溫度場分布云圖。對整個裝配體進行溫度場分布的分析可得，閥門溫度從閥蓋法蘭部分沿軸向逐漸上升，滴水盤從基部開始沿徑向溫度逐漸升高。

對閥桿溫度場進行模擬求解，得到閥桿中心線溫度分布云圖，如圖5所示，可見閥桿在閥體部分的溫度為-196 ℃，隨后在法蘭部位及向上部分溫度逐漸升高，最高溫度為21.18 ℃，提取閥桿中心線溫度分布云圖數據畫出溫度分布曲線圖，如圖6所示。

對蝶閥填料函外壁溫度場進行模擬求解，得到填料函外壁溫度分布云圖，如圖7所示。可見填料函外壁向上溫度逐漸升高，最高溫度為15.050 0 ℃，最低溫度為4.826 6 ℃，提取填料函外壁溫度分布云圖數據畫出溫度分布曲線圖，如圖8所示。

3 導熱系數對閥門溫度場影響因素分析

閥蓋的溫度分布主要受導熱和熱對流的影響，材料的導熱系數大小對分析低溫閥門的溫度分布起到至關重要的作用。由于閥體的溫度較低，冷量的傳遞主要依靠導熱傳給閥桿以及填料函等部件，因此需要改變材料的導熱系數模擬出閥桿的溫度分布，本次模擬將材料的導熱系數降低10%，得出了5組不同導熱系數下的溫度分布。此時需要改變材料導熱系數，得出模擬溫度分析的結果。取5種不同導熱系數（7.60、6.84、6.08、5.32、4.56）來模擬分析填料函底部溫度，得到擬合曲線如圖9所示。

從圖9可以看出，采用導熱系數較低的材料有利于提高填料函底部的溫度，這是因為隨著導熱系數的增加，整個閥蓋結構的熱阻減小，從閥體傳遞給閥桿的冷量逐漸增大，相應填料函底部的溫度逐漸降低，當填料函底部的溫度低于0 ℃時可能會影響閥桿的操作。因此，在設計低溫閥門時，閥門應盡量選取導熱系數較低的材料。

4 結論

針對全球能源危機及我國環境污染減緩經濟發展的現狀，天然氣作為一種清潔能源將成為我國大力發展的新能源。因此，LNG的運輸裝置、儲存裝置及其關鍵配套設備的研發及應用顯得極其重要，本文以LNG關鍵配套設備之一的LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥為研究對象，從傳熱過程、溫度場分布的角度對其進行了相關研究，具體所得結論如下：

（1）LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥溫度場中，溫度從閥蓋法蘭部分沿軸向逐漸上升，滴水盤溫度從基部開始沿徑向逐漸升高，冷熱量的交換主要發生在滴水盤處，能夠阻止冷量繼續向上傳遞，從而起到保護填料的作用；

（2）閥桿溫度分布在閥體部位恒為-196 ℃，隨后在法蘭部位及向上部分溫度逐漸升高，最高溫度為21.18 ℃；

（3）通過填料函外壁溫度分布云圖可以發現，填料函外壁溫度分布由底部向上溫度逐漸升高，最低溫度為4.826 6 ℃，但填料函的密封性能不會受到影響，超低溫球閥的密封性能也可以得到保證；

（4）通過利用有限元分析的方式對該LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥進行溫度場分析，并討論了材料的導熱系數對該閥溫度場的影響，得出填料函底部溫度會隨導熱系數的減小而升高，因此降低導熱系數有利于提高填料函底部的溫度，從而提高閥門的密封性能。