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（江蘇蘇鹽閥門機(jī)械有限公司，濱海 224500）

閥門設(shè)計(jì)與分析的目的是確保閥門在運(yùn)輸和傳遞介質(zhì)中不發(fā)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(qiáng)等特點(diǎn)，十分容易發(fā)生泄漏。而超低溫閥門的工作溫度極低（77 K），因此在設(shè)計(jì)這類閥門時(shí)，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則，還有一些特殊的要求。其中重要的就是要求閥門的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證填料在0 ℃以上的環(huán)境溫度下工作，以發(fā)揮保護(hù)填料函的功能[1]，填料函的密封性是低溫閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，若該處有泄漏，將造成填料與閥桿處結(jié)冰，從而影響閥桿的正常操作，同時(shí)會(huì)因閥桿上下移動(dòng)而將填料劃傷，從而引起嚴(yán)重泄漏[2]。LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥發(fā)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(shí)際工作中，填料函處的泄漏最為常見[3]。為預(yù)防填料函結(jié)冰，應(yīng)保證填料函溫度不小于0 ℃，因此從傳熱角度對(duì)LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥進(jìn)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(jié)構(gòu)組件中，由于環(huán)境溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該組件的底部溫度，環(huán)境中的熱量會(huì)先由空氣傳給閥桿上端和長頸閥蓋及其他部件，隨后經(jīng)過閥蓋與閥桿之間的縫隙進(jìn)入填料函并到達(dá)閥桿內(nèi)部，最后熱量經(jīng)閥蓋和內(nèi)部閥桿向下傳遞，而底部冷量會(huì)由閥蓋和內(nèi)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(hù)，可以忽略絕熱材料覆蓋部位的外部熱量和內(nèi)部冷量與絕熱材料的熱交換。另外，因?yàn)榈嗡P增大了長頸閥蓋與環(huán)境空氣的對(duì)流換熱面積，強(qiáng)化了換熱程度，且冷熱量的交換主要發(fā)生在滴水盤處，所以當(dāng)冷量和熱量傳到滴水盤處時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生冷熱量交換，從而阻止冷量繼續(xù)向上傳遞，起到保護(hù)填料的作用，同時(shí)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(chǎng)分析

2.1 模型建立

建立實(shí)體模型是有限元數(shù)值仿真分析的基礎(chǔ)[5]，本文依據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)出LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥的結(jié)構(gòu)，確定了相關(guān)尺寸并進(jìn)行了建模。三維實(shí)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(gòu)成。為減少計(jì)算量，對(duì)所建模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥開啟狀態(tài)時(shí)的模型如圖1所示。

2.2 材料屬性設(shè)置

考慮到材料的耐低溫特性和成本，設(shè)計(jì)采用的材料為奧氏體不銹鋼ASTMF316，因此只需要設(shè)置單一材料的性能參數(shù)。根據(jù)美國機(jī)械工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》第Ⅱ卷D篇[6]，其材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.3 單元網(wǎng)格的劃分

由于零件幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要選用四面體網(wǎng)格并選取適當(dāng)尺寸。劃分后的有限元模型有包含35 176 個(gè)節(jié)點(diǎn)，77 789個(gè)單元，如圖2所示。

2.4 溫度及邊界條件的設(shè)置

介質(zhì)液氮的工作溫度為-196 ℃，環(huán)境溫度為22 ℃。 當(dāng)閥門處于開啟狀態(tài)時(shí)，設(shè)置邊界條件如下：閥體內(nèi)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(hù)，可以忽略絕熱材料覆蓋部位的外部熱量和內(nèi)部冷量到絕熱材料的熱交換。冷熱量的交換主要發(fā)生在滴水盤處，因此滴水盤及以上的部分與空氣自然對(duì)流換熱，設(shè)置熱對(duì)流系數(shù)為12 W·m-2·℃-1，環(huán)境溫度設(shè)為22 ℃。蝶閥的溫度及對(duì)流邊界條件設(shè)置如圖3所示。

2.5 結(jié)果分析

通過有限元分析計(jì)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(tài)下的溫度場(chǎng)分布云圖。對(duì)整個(gè)裝配體進(jìn)行溫度場(chǎng)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(duì)閥桿溫度場(chǎng)進(jìn)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(shù)據(jù)畫出溫度分布曲線圖，如圖6所示。

對(duì)蝶閥填料函外壁溫度場(chǎng)進(jìn)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(shù)據(jù)畫出溫度分布曲線圖，如圖8所示。

3 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)閥門溫度場(chǎng)影響因素分析

閥蓋的溫度分布主要受導(dǎo)熱和熱對(duì)流的影響，材料的導(dǎo)熱系數(shù)大小對(duì)分析低溫閥門的溫度分布起到至關(guān)重要的作用。由于閥體的溫度較低，冷量的傳遞主要依靠導(dǎo)熱傳給閥桿以及填料函等部件，因此需要改變材料的導(dǎo)熱系數(shù)模擬出閥桿的溫度分布，本次模擬將材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低10%，得出了5組不同導(dǎo)熱系數(shù)下的溫度分布。此時(shí)需要改變材料導(dǎo)熱系數(shù)，得出模擬溫度分析的結(jié)果。取5種不同導(dǎo)熱系數(shù)（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(dǎo)熱系數(shù)較低的材料有利于提高填料函底部的溫度，這是因?yàn)殡S著導(dǎo)熱系數(shù)的增加，整個(gè)閥蓋結(jié)構(gòu)的熱阻減小，從閥體傳遞給閥桿的冷量逐漸增大，相應(yīng)填料函底部的溫度逐漸降低，當(dāng)填料函底部的溫度低于0 ℃時(shí)可能會(huì)影響閥桿的操作。因此，在設(shè)計(jì)低溫閥門時(shí)，閥門應(yīng)盡量選取導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料。

4 結(jié)論

針對(duì)全球能源危機(jī)及我國環(huán)境污染減緩經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)狀，天然氣作為一種清潔能源將成為我國大力發(fā)展的新能源。因此，LNG的運(yùn)輸裝置、儲(chǔ)存裝置及其關(guān)鍵配套設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用顯得極其重要，本文以LNG關(guān)鍵配套設(shè)備之一的LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥為研究對(duì)象，從傳熱過程、溫度場(chǎng)分布的角度對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究，具體所得結(jié)論如下：

（1）LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥溫度場(chǎng)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(fā)生在滴水盤處，能夠阻止冷量繼續(xù)向上傳遞，從而起到保護(hù)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(fā)現(xiàn)，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(huì)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(duì)該LNG超低溫上裝式三偏心蝶閥進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，并討論了材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)該閥溫度場(chǎng)的影響，得出填料函底部溫度會(huì)隨導(dǎo)熱系數(shù)的減小而升高，因此降低導(dǎo)熱系數(shù)有利于提高填料函底部的溫度，從而提高閥門的密封性能。