韓欣霖，江鑫，王寅

（江蘇蘇鹽閥門機械有限公司，江蘇 鹽城 224500）

液化天然氣（LNG）因其運輸方便、清潔高效的特點被廣泛地應用于日常生活和工業(yè)生產中。液化天然氣易燃易爆，常采用超低溫儲存罐儲存及輸運。超低溫LNG輸運設備在工作過程中的密封性能是天然氣安全輸運的關鍵。超低溫球閥是超低溫LNG運輸管路上不可缺少的組成部分，主要用于控制LNG輸送的通斷。超低溫球閥及其他超低溫工況下運轉閥門的溫度場是工程實際所關注的熱點問題。由于LNG輸運過程中的超低溫要求，超低溫球閥的密封性需要嚴格把控。超低溫球閥的泄漏主要發(fā)生于填料函處和長頸閥蓋與閥體連接法蘭處，在實際工程中填料函處發(fā)生的泄漏現(xiàn)象最為常見。填料函處泄漏的主因是閥桿與閥體的溫差使填料函處結冰，導致密封性不足。因此，基于球閥輸送介質的超低溫與外部環(huán)境的溫差，應用傳熱學方法模擬LNG超低溫球閥傳熱過程，對上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥的結構優(yōu)化和失效分析具有重要的工程指導意義。

1 LNG低溫球閥模型

本文以上裝式帶隔溫板的LNG超低溫球閥為對象，其結構如圖1所示。加長閥蓋一方面有利于操作和安裝，另一方面還可保證填料不會因為溫度過低而凍傷，保證閥門的密封性。隔熱板則可減少空氣與閥門的自然對流換熱，保證低溫球閥內腔的溫度穩(wěn)定。

圖1 上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥

2 LNG低溫球閥傳熱過程

2.1 傳熱基本方式

傳熱的基本方式有熱對流、熱傳導和熱輻射。對于低溫球閥的溫度場分析，主要考慮熱對流與熱傳導問題。

熱傳導是發(fā)生在物體內部的微觀熱量交換。由于存在溫差，溫度高的區(qū)域會向溫度低區(qū)域進行熱量轉移。由傅里葉定律可以得出熱傳導的公式：

式中，Q表示熱量，W；λ表示導熱系數(shù)（熱導率），W/(m?K)；A表示熱流作用的橫截面積，m2。

熱對流是發(fā)生在流體與物體表面的宏觀熱量傳遞。這個過程包括熱量向內壁擴散和沿壁面法向方向進行熱量交換，流體與固體表面之間的熱量交換可以由牛頓冷卻公式計算：

式中，Q表示熱量，W；h表示表面對流換熱系數(shù)，W/(m2?K)；A表示熱流作用的橫截面積，m2；△tm表示換熱面積上的平均溫差，℃。

2.2 LNG低溫球閥傳熱過程

為保證LNG低溫球閥的閥體內外表面的溫度相同，避免溫差過大導致閥體變形進而出現(xiàn)泄漏，工程中常將閥體放置在-196℃的液氮環(huán)境中。加長閥蓋頸部的隔熱板及以上的部分暴露在空氣中。當?shù)蜏厍蜷y開啟時，液化天然氣流進球閥內，由于外部環(huán)境的溫度遠高于球閥內腔的溫度，暴露在空氣中的閥桿頂端、加長閥蓋及隔熱板等其他部件的表面與空氣中的熱量發(fā)生熱對流，熱量進入閥體內部出現(xiàn)熱傳導。隔熱板增加了空氣與加長閥蓋對流換熱的橫截面積，將冷熱交換轉移到隔熱板處，有利于提高填料函底部的溫度，降低泄漏的風險，也有助于降低閥桿與加長閥桿的高度。

3 LNG低溫球閥有限元模型

3.1 模型的建立

本文采用三維建模軟件建立裝配體模型，考慮到球閥在幾何條件、載荷條件及邊界條件均滿足對稱性，為減少計算量，在有限元軟件中建立1/2模型用于后續(xù)LNG超低溫球閥溫度場模擬，如圖2所示。

圖2 網格劃分

3.2 網格劃分

因為溫度場有限元分析結果受網格精度的影響較小，采用四面體網格可以滿足分析條件，設置單元網格尺寸為20mm。完成網格劃分后的網格模型單元數(shù)為35059，節(jié)點數(shù)為93442。

3.3 材料參數(shù)及邊界條件

根據(jù)ASME BPVC第II分冊要求，并結合球閥的工況與經濟性，閥體選用奧氏體不銹鋼ASTM F316，材料的性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

閥門開啟時，隔熱板以上部件暴露在空氣中，閥體的工作溫度為-196℃，環(huán)境溫度為22℃。因此模擬分析過程中將超低溫球閥的內壁和表面的溫度設置為-196℃，頂端部分閥桿、隔熱板、加長閥蓋頸部等其他部件與空氣對流換熱，熱對流系數(shù)設置為12W/(m2·K)，環(huán)境溫度設為22℃；因為采用1/2簡化模型，設置對稱面為理想絕熱邊界。

4 結果與分析

對溫度場進行模擬求解，得到超低溫球閥溫度場云圖，如圖3。填料函外壁和閥桿中心線處的溫度變化如圖4及圖5所示。

圖3 超低溫球閥溫度場云圖

從圖3可以看出，因球閥內腔與外部環(huán)境的溫差而發(fā)生的熱對流和熱傳導，使得閥蓋上部區(qū)域的溫度明顯高于球閥內腔。從圖4中可看出填料函最低溫度為6.2956℃，高于0℃不會因為其結冰而導致閥體泄漏，上裝式帶隔溫板的LNG超低溫球閥滿足密封要求。

圖4 填料函外壁溫度分布云圖和曲線

由圖5可知，閥門開啟時，閥桿底部和加長閥蓋與超低溫液化天然氣接觸，其溫度與液化天然氣溫度相同，閥桿上部、隔熱板、加長閥蓋頸部等其他部件表面與空氣對流換熱，熱量從表面向內部擴散，最后進入閥桿內部到達填料函。從閥桿底部溫度相對較低，與閥蓋底部發(fā)生熱傳導。隔熱板增加了熱流和冷流的作用面積，降低了空氣與閥蓋頸部進行自然對流換熱傳遞的熱量，同時也分散了部分從底部向上進行熱傳遞的冷量，最終在隔熱板抵消。

圖5 閥桿中心線溫度分布云圖和曲線

5 LNG低溫球閥溫度場影響因素分析

LNG低溫球閥的溫度傳遞主要通過熱傳導與熱對流，空氣與閥蓋等部件進行對流換熱，將熱量傳到填料函。液化天然氣的超低溫從閥體傳遞給閥桿，最終到達填料函。通過熱傳導公式（1）和熱對流公式（2）可知，材料的導熱系數(shù)和表面對流換熱系數(shù)對分析低溫閥門的溫度場起著重要的作用。

5.1 材料導熱系數(shù)對LNG低溫球閥溫度場的影響

通過改變低溫球閥材料的導熱系數(shù)模擬低溫球閥的溫度場分布，得到導熱系數(shù)與填料函底部溫度的關系。將材料導熱系數(shù)擴大或縮小0.2倍，得到填料函底部最低溫度趨勢圖，如圖6所示。

圖6 材料導熱系數(shù)對填料函底部溫度的影響

由圖6可知，隨著導熱系數(shù)增大，填料函底部溫度呈線性減小。結合熱傳導公式（1），在其他因素不變的情況下，導熱系數(shù)的增加，熱量減少，由閥體通過導熱傳遞給閥桿的冷量增加，使得傳遞給填料函的熱量減小。所以在選擇低溫閥門材料時，應盡量選擇導熱系數(shù)低的材料，有助于提高低溫球閥的密封性。

5.2 表面對流換熱系數(shù)對LNG低溫球閥溫度場的影響

通過改變表面對流系數(shù)來模擬低溫球閥的溫度場分布，分析溫度系數(shù)與填料函底部溫度的關系。將表面對流換熱系數(shù)擴大或縮小0.2倍，得到填料函底部最低溫度的趨勢圖，如圖7所示。

圖7 表面對流換熱系數(shù)對填料函底部溫度的影響

圖7表明：表面換熱系數(shù)的增加有利于提高填料函底部溫度。所以在低溫閥門工作時，可以改變空氣的流動形式，提高表面對流換熱系數(shù)，從而提高低溫球閥的密封性。

6 結語

本文結合傳熱學基本規(guī)律和有限元分析方法分析了上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥，得到低溫球閥工作時的溫度場分布。

（1）上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥在閥門開啟時，填料函底部最低溫度大于零，滿足密封條件。

（2）對于上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥，減小材料導熱系數(shù)或增大表面對流換熱系數(shù)能提高填料函底部溫度和密封性。

（3）在設計和選用上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥時，應該選用導熱系數(shù)低的材料，并相應提高表面對流換熱系數(shù)，從而提高低溫球閥填料函底部的溫度。