基于熱固耦合的LNG 低溫球閥閥座密封特性分析

郎晨旭 何世權 劉帥帥 喻臨風

（南京工業大學機械與動力工程學院）

近些年，隨著LNG清潔能源的廣泛使用和產業的不斷發展，LNG低溫閥門需求量日益增加［1，2］。球閥具備啟閉迅速、流體阻力小及密封特性好等一系列優點，在低溫管路系統中的應用也日趨廣泛［3］。LNG低溫球閥工況溫度為-162 ℃，在低溫環境下，球閥除了承受介質壓力和彈簧預緊力的載荷作用，還存在因球閥內低溫導致的各部位不均勻冷收縮造成的影響。該球閥主要通過閥座與球體接觸產生塑性變形達到密封的目的，閥座可在閥體嵌入槽中軸向移動［4，5］。閥座密封面處密封失效是該閥門在工況條件下最常見的失效形式，密封比壓則是衡量閥座密封效果的重要指標。

目前，針對LNG球閥閥座密封面處的研究較少，因而開展該項研究極其迫切。筆者以DN 150、PN 6.4型LNG低溫球閥為研究對象［6］，基于ANSYS Workbench中的熱力學和靜力學模塊，對閥門在不同開度下的閥座密封面密封特性進行研究。結合密封面寬度、壓力角兩個關鍵影響因素，分析其密封面處密封比壓的變化特點，進而對閥座的結構提出恰當的優化方法。

1 閥門結構及工況參數

筆者所研究的LNG低溫球閥采用三分體式閥體、全通徑固定球體和雙閥座結構形式，主要由閥體、閥蓋、閥座、閥桿、球體及底軸等主要部件組成。采用Solidworks軟件建立球閥的三維模型，由于文中只研究閥座與球體接觸部位的密封面，故而對模型進行簡化，只分析閥門一半模型，保留兩端閥座、球體、閥體和閥蓋結構，簡化后模型三維圖如圖1所示。

圖1 簡化模型三維圖

模型參數如下：

公稱直徑 150 mm

結構形式 固定式

密封面內徑D1161 mm

密封面外徑D2168 mm

球體半徑R 116 mm

壓力角α 45.4°

2 密封比壓及彈簧預緊力計算

2.1 密封比壓計算

標準密封比壓是保證閥門密封效果的關鍵。必需比壓是在滿足密封效果時，壓力作用在密封單位面積上的最小值［7～9］。設計者們對影響密封比壓的因素（不同的壓力、密封面寬度等）進行平面接觸實驗，進而得到了硬質合金材料作為密封面的經驗公式：

其中，qb為密封必需比壓，m是跟流體性質有關的系數（常溫水m=1；低溫氣體、液體m=1.4），p為介質壓力，bm為密封面寬度。

文中取m=1.4、p=6.4 MPa、bm=6 mm時，算得所需密封必需比壓是28.7 MPa。

在單位面積上能受到的最大密封壓力為許用比壓［q］。為了達到球閥的密封效果，作用在球體與閥座密封面上的壓力必須小于材料的許用比壓值。文中球體和閥座材料均為F304，由《球閥設計與選用》可知，密封面許用比壓［q］=150 MPa。

實際工作密封比壓不僅要大于密封必需比壓，同時還要小于許用密封比壓，即：qb＜q＜［q］。

2.2 彈簧預緊力計算

球體在自然關閉狀態時，閥座上的彈簧預緊力可以形成初始狀態的密封，保證介質不會泄漏。若預緊力達不到密封所需值，則在流體流通的瞬間閥座與球體產生脫離，進而發生泄漏，導致密封失效影響球閥使用壽命。LNG低溫球閥的彈簧預緊力=5212.4 N，其中，預緊所必需的最小比壓qmin=2 MPa。

3 ANSYS熱固耦合分析

3.1 定義材料屬性

根據該閥門工況條件下對材料的要求，結合有限元軟件對閥門主體材料的屬性進行設置。在此選擇模型主體材料為F304不銹鋼，其主要性能參數如下：

彈性模量 195 GPa

密度 7 900 kg/m3

泊松比 0.31

屈服強度 205 MPa

3.2 定義邊界條件和載荷條件

穩態熱力學分析中邊界條件設置：第1類邊界條件，在工況條件下，閥體內表面與低溫介質直接接觸，介質溫度為-162 ℃，故將介質通過的閥體內表面溫度設置為-162 ℃；第2類邊界條件，當介質經過流道內表面時，與閥腔內壁之間會發生對流換熱，此時內部工作環境溫度應設置為介質溫度-162 ℃，對流傳熱系數取2 000 W/（m2·℃）；第3類邊界條件，閥體表面與外部空氣之間也會存在對流換熱現象，溫度設置為外部環境溫度22 ℃，對流傳熱系數取10 W/（m2·℃）。溫度場邊界條件如圖2所示。

圖2 溫度場邊界條件

結構靜力學分析中邊界條件設置：設定作用在球體和閥門內流道表面的介質壓力為6.4 MPa。由于閥體和閥蓋的抗彎截面模量與抗扭截面模量足以保證力能夠被法蘭與管道吸收，因此閥體和閥蓋選擇固定約束（Fixed Support），內部表面為流體壓力加載面。球體上下凸臺被閥桿支撐不能軸向移動，只能沿軸轉動啟閉，所以選擇圓柱面約束（Cylindrical Support）。左右彈性閥座被閥體限制其徑向位移，但可在介質流動方向和彈簧力的合力方向移動保證彈性密封，所以只給閥座軸向自由度并施加彈簧預緊力5 212.4 N。靜力場邊界條件如圖3所示。

圖3 靜力場邊界條件

3.3 熱固耦合結果分析

從有限元穩態溫度場得到了LNG低溫球閥的溫度分布情況，將結果作為載荷施加到靜力場中進行耦合分析，保持其他載荷邊界條件不變，得到了從0～90°之間接觸壓力隨開度變化的情況。從中選取3個代表性開度（30、60、90°）的密封面接觸壓力云圖（圖4）。

圖4 30、60、90°閥座密封面接觸壓力云圖

為詳細分析具體的變化規律，取接觸壓力較低的區域，均勻取多個值求其平均值來表示該接觸壓力的大小，為此作出開啟角度與低接觸壓力均值曲線圖（圖5）。

圖5 低接觸壓力均值隨開度變化曲線

由圖5可見，熱固耦合結果與靜力場結果變化規律基本一致，都是隨著開度的增加而減小。在0～30°開度下，接觸壓力以較小的速率減小；當開度在30～60°時，接觸壓力減小的速率逐漸加快；當開度達到60～90°時，接觸壓力隨開度變化的減小已非常明顯。

同時，耦合場的低接觸壓力值相比靜力場整體減小了13%左右，說明低溫工況會對LNG低溫球閥的實際使用產生一定的影響。由于LNG介質特殊的理化性質，閥座密封面上接觸壓力分布不均勻，存在泄漏隱患，從而造成一定的危害和損失，故探究影響該曲線變化規律的深層次原因，從密封結構的影響因素方面展開研究顯得尤為重要。

4 密封性能影響因素分析

4.1 密封面寬度影響

由熱固耦合場的接觸壓力曲線圖可見，開度40～90°時的接觸壓力已經低于密封必需比壓，雖然開度越小接觸壓力越大，但應用在小開度的場合較少且不具代表性。所以綜合考慮取90°開度時，通過改變閥座密封面內外徑（D1、D2）的大小得到一組不同密封面寬度尺寸，研究熱固耦合下的密封比壓。原模型密封面寬度為6 mm，現選取3～5 mm之間的5組密封面寬度數據進行分析，其中3個代表性密封面寬度（3.5、4.5、5.0 mm）下的接觸壓力分布云圖如圖6所示。

圖6 3個代表性密封面寬度下的接觸壓力

為分析接觸壓力對閥門密封比壓的影響，在密封面路徑上由內到外每隔0.5 mm節點取一次值，將值帶入Origin中繪制應力曲線，得到3～5 mm密封面寬度下的密封比壓變化規律（圖7）。

圖7 不同密封面寬度路徑下密封比壓分布

從圖7中可看到，密封面寬度b不同所呈現出來的密封比壓規律并不相同。一般來說窄面密封效果要優于寬面密封，隨著密封寬度的增加，密封比壓的值整體趨向減小。為滿足90°開度下的密封比壓大于密封必需比壓的條件，結合圖中曲線可知，最佳密封面寬度取值應在2.00～4.25 mm之間。

4.2 壓力角影響

壓力角α的改變同樣影響著實際工作下的密封比壓，基于上述研究，取密封面寬度3.5 mm不變，通過改變接觸面上邊線與球心連線在軸線上的夾角來改變壓力角大小，在44.33～45.72°范圍之間選取5個壓力角，觀察當壓力角不同時沿密封路徑上的密封比壓的變化規律（圖8）。

圖8 不同壓力角下密封比壓分布

由圖8可知，隨著壓力角α的改變，前4組數據在密封面寬度路徑上壓力分布由內到外逐漸升高，且隨著壓力角的增大，密封比壓逐漸增大，當壓力角增大到45.72°時，密封面寬度路徑上壓力分布呈現先增大后減小的拋物線形式，且密封比壓最大處也相較其余4組小很多。故一味地增大壓力角，并不一定起到增大密封面處壓力的作用。密封面處密封比壓隨壓力角的增大并非線性增加。為滿足90°開度下的密封比壓大于密封必需比壓的條件，結合圖中曲線可知，最佳壓力角取值應在45.03～45.38°之間。

5 結論

5.1 結合LNG低溫球閥的實際工況和相關資料，確定了球體、閥座、閥體材料的導熱系數、對流換熱系數等邊界條件，得到在-162 ℃下的球閥溫度場分布情況。

5.2 在溫度場求解基礎上進行熱固耦合分析，得到球閥低接觸壓力均值隨閥門開度變化的曲線，發現隨開度增加接觸壓力是逐漸降低的，且耦合場的接觸壓力值要比靜力場的值整體減小13%左右，證明了低溫工況確實會對LNG低溫球閥的實際使用產生一定的影響。

5.3 通過對密封性能影響因素的分析，著重研究了密封寬度b、壓力角α對密封面寬度路徑上的密封比壓的影響，發現閥座密封面處的密封比壓隨著密封面寬度的減小而增大，隨壓力角的增大并非線性增加。有效的密封面寬度在2.00～4.25 mm之間，有效的壓力角范圍是45.03～45.38°。