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船用低溫閥門設(shè)計(jì)與試驗(yàn)
上海申弘閥門有限公司
之前介紹低溫焊接球閥，現(xiàn)在介紹船用低溫閥門設(shè)計(jì)與試驗(yàn)應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)通徑為DN80的LNG船用超低溫截止閥低溫試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了瞬態(tài)降溫過程中溫度的模擬與熱力分析。分別對(duì)填料函溫度以及閥門其他部分溫度進(jìn)行詳細(xì)的研究分析，從而判定所設(shè)計(jì)的閥門閥頸長(zhǎng)度是否合理，以及達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間，并提出了一些建議。為超低溫截止閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
1、船用低溫閥門設(shè)計(jì)與試驗(yàn)前言
LNG于其、、清潔等優(yōu)異性能，已經(jīng)成為當(dāng)今世界增長(zhǎng)zui快的能源。天然氣能源取代煤和石油能源，可減少煤和石油的用量，明顯改善環(huán)境問題。目前，天然氣在一次能源結(jié)構(gòu)中，比重已經(jīng)達(dá)到25%。近年來LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，正在成為世界油氣工業(yè)新的熱點(diǎn)。天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，很多國(guó)家都將LNG列為燃料，天然氣在能源供應(yīng)中的比例迅速增加。液化天然氣正以每年約12%的高速增長(zhǎng)，成為增長(zhǎng)zui迅猛的能源行業(yè)之一。加快天然氣的應(yīng)用成為性趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2015年，天然氣產(chǎn)量將超過原油，成為世界*大能源。在中國(guó)，盡管還沒有形成規(guī)模，但是LNG的特點(diǎn)決定LNG發(fā)展非常迅速?？梢灶A(yù)見，在未來10-20年的時(shí)間內(nèi)，LNG將成為中國(guó)天然氣市場(chǎng)的主力軍。2008年4月3日，由中船集團(tuán)公司所屬滬東中華造船集團(tuán)有限公司自主建造的我國(guó)*艘LNG船成功交付，標(biāo)志著我國(guó)基本掌握了世界造船技術(shù)，打破了國(guó)外在該領(lǐng)域的壟斷局面。隨著LNG工業(yè)的發(fā)展以及我國(guó)自主研發(fā)LNG船的成功，我國(guó)開始對(duì)船用LNG超低溫閥門進(jìn)行了自主研發(fā)。隨著LNG產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，LNG船舶市場(chǎng)日益紅火，低溫閥門作為L(zhǎng)NG船用閥門的主要設(shè)備之一，必將隨著LNG船舶市場(chǎng)走強(qiáng)。
近日，標(biāo)準(zhǔn)化組織船舶與海上技術(shù)委員會(huì)管系和機(jī)械分技術(shù)委員會(huì)船用低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)工作組（ISO/TC8/SC3/WG14）*次會(huì)議在上海召開。會(huì)議梳理了各國(guó)對(duì)ISO18139《船舶與海上技術(shù)-超低溫截止閥-設(shè)計(jì)與試驗(yàn)要求》和ISO 18154《船舶與海上技術(shù)-LNG貨艙用安全閥-設(shè)計(jì)和試驗(yàn)要求》草案的意見，針對(duì)日、韓、美、德四國(guó)提出的技術(shù)意見逐條進(jìn)行了討論，形成了標(biāo)準(zhǔn)的工作組草案修改稿。會(huì)議擬定，由中國(guó)承擔(dān)該系列標(biāo)準(zhǔn)中兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，分別是ISO 18139-4《船用低溫閥門-設(shè)計(jì)與試驗(yàn)要求-蝶閥》與ISO 18139-5《船用低溫閥門-設(shè)計(jì)與試驗(yàn)要求-球閥》，并計(jì)劃于今年10月提出標(biāo)準(zhǔn)新工作項(xiàng)目提案（NP稿）。
船用低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于規(guī)范船用低溫閥門市場(chǎng)，將會(huì)對(duì)低溫閥門廠家提出新的要求。隨著LNG的迅速發(fā)展，低溫閥門的應(yīng)用越來越廣泛。超低溫閥門的工作溫度極低(77K)，因此在設(shè)計(jì)這類閥門時(shí)，為了保證閥門在低溫下安全可靠的運(yùn)行，設(shè)計(jì)過程中必須同時(shí)考慮機(jī)械強(qiáng)度和傳熱學(xué)要求。
為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，低溫閥門必須進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)，通常采用將待驗(yàn)閥門閥體浸沒于冷卻介質(zhì)中，進(jìn)行冷態(tài)操作和氣密性試驗(yàn)。其中重要的一點(diǎn)就是要求閥門的結(jié)構(gòu)保證填料處于0℃以上的溫度環(huán)境下工作，例如采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠(yuǎn)些，起到保護(hù)填料函的功能。
低溫閥門的熱設(shè)計(jì)是針對(duì)其正常運(yùn)行工況進(jìn)行，即冷卻介質(zhì)在閥內(nèi)流道中流動(dòng)，閥桿處于室溫環(huán)境;而低溫閥門冷態(tài)試驗(yàn)狀態(tài)則通常是閥內(nèi)為試壓流體而閥體外為冷卻介質(zhì)，部分閥桿處于冷卻介質(zhì)的低溫蒸氣之中。由此可見，針對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的熱設(shè)計(jì)所確定的閥桿尺寸不一定能保證在冷態(tài)試驗(yàn)過程填料函不出現(xiàn)凍結(jié)，而一旦出現(xiàn)填料函凍結(jié)，冷態(tài)操作等試驗(yàn)都會(huì)受到影響。
近年來，閥門的虛擬設(shè)計(jì)與仿真是閥門設(shè)計(jì)的一種重要的方式，可對(duì)產(chǎn)品的性能給出初步的評(píng)價(jià)，并且比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的成本低。本文采用AN-SYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺(tái)，針對(duì)通徑為DN80的LNG船用超低截止閥低溫試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)降溫過程中填料函以及閥門溫度場(chǎng)的模擬與熱力分析，從而判定所設(shè)計(jì)的閥門閥頸長(zhǎng)度是否合理，以及達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間，并且給出一定的建議。為了保證低溫閥能在低溫下安全可靠地運(yùn)行,在低溫閥的設(shè)計(jì)和制造方面有一些特殊的考慮和要求。同樣，低溫閥的試驗(yàn)與普通閥門也有所不同。下面就JB/T7749-1995《低溫閥門技術(shù)條件》和英國(guó)BS6364：R1998《低溫閥門》的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)要求和度驗(yàn)裝置作簡(jiǎn)略的介紹。 1.低溫閥門試驗(yàn)(JB/T7749-1995) (1)試驗(yàn)條件 低溫閥門的低溫試驗(yàn)在常溫試驗(yàn)合格后進(jìn)行。 試驗(yàn)前應(yīng)消除閥門水分和油脂，擰緊螺栓至預(yù)定的力矩或拉力，記錄其數(shù)值。用符合試驗(yàn)要求的熱電偶與閥門連接，試驗(yàn)過程中臨測(cè)閥體、閥蓋的溫度。低溫試驗(yàn)冷卻介質(zhì)為液氮與酒精的混合液或液氮，試驗(yàn)介質(zhì)為氦氣。 (2)試驗(yàn)步驟 1)低溫閥門試驗(yàn)裝置見圖2-46。如圖所示，將閥門安裝在試驗(yàn)容器里，并接好所有接頭，保證閥門填料處在容器上部，且溫度保持在0度以上。 2)在常溫及zui大閥門試驗(yàn)壓力下，使用氮?dú)庾龀跞鐧z測(cè)試驗(yàn)，確保閥門在合適的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。 3)將閥門浸入液氮與酒精的混合液或液氮中冷卻至閥門低溫工況溫度，其水平面蓋住閥體與閥蓋。 4)在低溫工況溫度下，按下列步驟進(jìn)行操作: ①在低溫工況溫度下，浸泡閥門直到各處的溫度穩(wěn)定為止，用熱電偶測(cè)量保證閥門各處溫度的均勻性; ②在試驗(yàn)溫度下，重復(fù)2.11.1(2)-2)的初始檢測(cè)試驗(yàn); ③在試驗(yàn)溫度和閥門的公稱壓力下，開關(guān)閥門5次做低溫操作性能試驗(yàn)，配有驅(qū)動(dòng)裝置的閥門按上述要求做動(dòng)作試驗(yàn); ④在zui大閥門試驗(yàn)壓力下，按閥門的正常流向做閥門密封試驗(yàn)，對(duì)于雙向密封的閥門應(yīng)分別進(jìn)行試驗(yàn)，用流量計(jì)測(cè)量泄漏量時(shí)，其泄漏率應(yīng)符合表2-23規(guī)定; ⑤閥門處在開啟位置時(shí)，關(guān)閉閥門出口端的針形閥(見圖2-46,并向閥體加壓至密封試驗(yàn)壓力，保持15min，檢查閥門填料處、閥體和閥蓋連接處的密封性; ⑥閥蓋上密封的檢查，有上密封的閥門應(yīng)做上密封試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)閥門全開，兩端封閉，向閥內(nèi)通入氦氣至密封試驗(yàn)壓力為止，松開填料壓蓋，檢查上密封的密封性。 5)低溫性能的試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合表2-23的規(guī)定。 6)將閥門恢復(fù)到環(huán)境溫度，重復(fù)2.11.1(2)-2)氦氣檢驗(yàn)試驗(yàn)，測(cè)量并記錄閥門的泄漏量，開關(guān)扭矩并把結(jié)果與2.11.1(2)-2)所得讀數(shù)進(jìn)行比較。 7)試驗(yàn)結(jié)束后，在干凈無塵的環(huán)境中拆閥，檢查拆卸的難易程度并檢驗(yàn)各零部件的磨損和損壞情況。 8)代溫試驗(yàn)合格的閥門應(yīng)進(jìn)行清潔、干燥，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。 2.BS6364"低溫閥門技術(shù)條件"標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)低溫閥試驗(yàn)的內(nèi)容 低溫閥不僅應(yīng)符合BS6364的規(guī)定，同時(shí)還要符合相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。BS6364標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍是: ①DN≥15mm，其公稱尺寸zui大值由相應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)確定; ②溫度范圍是-50度～-196度。 試驗(yàn)項(xiàng)目包括：①殼體試驗(yàn);②殼體密封試驗(yàn);③閥座密封試驗(yàn);④低溫試驗(yàn)。 (1)殼體試驗(yàn) 低溫閥守則體試驗(yàn)的方法和要求與普通閥門相同。但要注意兩點(diǎn)：①對(duì)于奧氏體不銹鋼閥門，水壓試驗(yàn)所用水的氯化物含量不應(yīng)超過30×10-6(ppm);②水壓試驗(yàn)后，閥門的每個(gè)零部件應(yīng)*洗凈并清除油漬。 (2)殼體密封試驗(yàn) 水壓或氣壓殼體試驗(yàn)后，在閥體和閥蓋的連接處，閥門的填料處擦上肥皂或浸入水中，用干燥的無油空氣或氮?dú)膺M(jìn)行殼體密封試驗(yàn)。其余與普通閥門相同。 (3)閥座密封試驗(yàn) 用干燥的無油空氣或隋性氣體進(jìn)行試驗(yàn)，其余與普通閥門相同。 (4)船用的閥門應(yīng)做低溫試驗(yàn)。對(duì)于所有其他用途的閥門，只是在用戶提出要求的時(shí)候才進(jìn)行低溫試驗(yàn)。低溫試驗(yàn)的溫度為-196度。試驗(yàn)方法、試驗(yàn)步驟及試驗(yàn)要求如下： 1)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備 ①清除閥門零件的油漬，將它們擦干并在干凈、沒有灰塵和油漬的環(huán)境下將閥門安裝好。 ②將螺栓擰緊到預(yù)定的力矩值或拉力值，并記錄下該值。 ③用合適的熱電耦與閥門連接，從而能在整個(gè)試驗(yàn)過程中監(jiān)控閥體、閥蓋的溫度。 2)試驗(yàn) ①圖2-47是低溫試驗(yàn)裝置。將閥門安裝在試驗(yàn)容器內(nèi)并連接好，要確保閥門填料處在窗口頂部沒有汽化氣體的位置。 ②在室溫下用氦氣以zui大閥座試驗(yàn)壓力進(jìn)行初始的系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)，以確保閥門是在合適的狀態(tài)下，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)。 ③將閥門浸入液氮中進(jìn)行冷卻，液體的水平面至少遮蓋住閥體與閥蓋的連接部位。在整個(gè)冷卻過程中一直向閥門提供氦氣。在冷卻過程中，用安裝在適當(dāng)位置上的熱電偶對(duì)閥體和閥蓋的溫度進(jìn)行監(jiān)控。 ④當(dāng)閥體和閥蓋的溫度達(dá)到-196度時(shí)，進(jìn)行下述a)～e)的程序： a)閥門在試驗(yàn)溫度下至少浸1h,直到所有的溫度都已達(dá)到穩(wěn)定。用熱電偶測(cè)定溫度以確信閥門的溫度達(dá)到均勻。 b)在試驗(yàn)溫度下重復(fù)②所述的初始驗(yàn)證試驗(yàn)。 c)打開、關(guān)閉閥門20次，至少應(yīng)測(cè)定*次和zui后一次操作時(shí)的開啟力和關(guān)閉力 d)在閥門的進(jìn)口側(cè)進(jìn)行閥座壓力試驗(yàn)。能夠雙向密封的閥門，對(duì)兩個(gè)閥座分別進(jìn)行試驗(yàn)。從表2-24所給出的增量值逐步升壓，直到升至額定的閥座試驗(yàn)壓力。 在閥座額定值已由制造廠給定的情況下，則將制造廠所定的值作為額定的閥座試驗(yàn)壓力。在各壓力級(jí)下測(cè)定并記錄泄漏率。 流量計(jì)所測(cè)出得的泄漏率不得超過200mm3/s×DN(對(duì)于止回閥)及100mm3/s×DN(對(duì)于所有其他閥門)。 e)使閥門處在開啟位置，關(guān)閉閥門出口側(cè)目而視的針閥(見圖2-47)，將閥腔中的壓力升至閥座試驗(yàn)壓力。 將該壓力保持15min，檢查閥門材料處及閥體與閥蓋連接處是否泄漏。應(yīng)無可見泄漏。 ⑤使閥門恢復(fù)到室溫，然后進(jìn)行下列a)和b)的步驟，并將結(jié)果與④的結(jié)果比較。 a)重復(fù)進(jìn)行②所述的氦氣驗(yàn)證試驗(yàn)。測(cè)定并記錄通過閥門的泄漏。 b)測(cè)定并記錄閥門的開啟力矩和關(guān)閉力矩。 ⑥試驗(yàn)完成后，在清潔、無塵的環(huán)境中將閥門拆開，以便檢驗(yàn)所有零件的磨損和損壞情況。
2、熱力學(xué)有限元分析
2.1、模型分析
閥蓋通常設(shè)計(jì)成長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)镈N80超低溫截止閥在實(shí)際工作中，閥門表面的溫度較低，當(dāng)表面溫度低于與其接觸的水蒸氣的三相點(diǎn)溫度，空氣中的水蒸氣就會(huì)在閥門的表面凝結(jié)成霜甚至結(jié)冰。填料函與閥桿接觸處結(jié)冰，不僅影響閥桿的正常操作，并且有冰存在，在閥桿上下移動(dòng)時(shí)，會(huì)使填料函內(nèi)的填料結(jié)構(gòu)劃傷，引發(fā)泄露事故。長(zhǎng)頸閥蓋的閥頸長(zhǎng)度能滿足填料函底部溫度大于273K的情況，并且還有一定的余量。
DN80超低溫截止閥在出廠前必須進(jìn)行低溫試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，低溫試驗(yàn)時(shí)，閥體外表面應(yīng)全部浸泡在盛有77K液氮的試驗(yàn)槽中，工況比在實(shí)際管路中工作時(shí)更加惡劣，閥頸長(zhǎng)度可能不能滿足低溫試驗(yàn)的條件。所以需要對(duì)所設(shè)計(jì)的DN80超低溫截止閥其填料函底部到長(zhǎng)頸閥蓋zui底端距離為332mm進(jìn)行低溫試驗(yàn)條件下的模擬計(jì)算，以驗(yàn)證閥頸長(zhǎng)度是否滿足要求，必要時(shí)再調(diào)整閥頸的長(zhǎng)度，再進(jìn)行模擬分析。圖1為進(jìn)行低溫試驗(yàn)示意圖。
低溫試驗(yàn)示意圖
1.閥體;2.閥桿;3.長(zhǎng)頸閥蓋;4.填料函
圖1 低溫試驗(yàn)示意圖
2.2、傳熱學(xué)理論
DN80超低溫截止閥在實(shí)際工作中的傳熱包含導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射的傳熱過程。當(dāng)DN80超低溫截止閥進(jìn)行瞬態(tài)模擬時(shí)，初始條件為與液氮接觸的閥門表面設(shè)置飽和液氮的沸騰換熱邊界條件，閥門外表面與氮?dú)饨佑|的區(qū)域設(shè)置低溫氮?dú)庾匀粚?duì)流邊界條件，與空氣接觸區(qū)域設(shè)置空氣自然對(duì)流邊界條件，同時(shí)設(shè)置閥門外表面的輻射換熱邊界條件。
(1)溫度場(chǎng)滿足微分方程為：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
其中：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
(2)*類邊界條件：T=Tw (3)
(3)對(duì)流邊界條件為：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
(4)輻射邊界條件為：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
(5)初始條件為：T=T0 (6)
2.3、熱力學(xué)分析有限元法
將式(2)帶入式(1)，轉(zhuǎn)換為等效的積分形式即：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
將區(qū)域分解劃分單元，DN80超低溫截止閥的模型是3-D模型，假設(shè)單元內(nèi)溫度變化可以用多項(xiàng)式表示，多項(xiàng)式的假設(shè)保證了溫度在單元內(nèi)部和單元邊界上都是連續(xù)的。
以單元節(jié)點(diǎn)溫度為未知數(shù)的多項(xiàng)式為：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
其中：T：?jiǎn)卧魏瘮?shù);：?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)溫度矢量。
由單元節(jié)點(diǎn)溫度得到每個(gè)單元的溫度梯度和熱流：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
其中：：熱梯度矢量。
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
熱流量由下式計(jì)算：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
其中：[D]：材料的熱傳導(dǎo)屬性矩陣。
將假設(shè)的溫度變化帶入積分方程(2-7)，可得：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
將上式寫成矩陣形式為：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
集成總方程的矩陣形式如下：其中：
LNG船用超低溫截止閥的低溫試驗(yàn)瞬態(tài)特性研究
其中：N：?jiǎn)卧倲?shù);：施加在節(jié)點(diǎn)上的熱流率。
3、模型建立
3.1、幾何建模
對(duì)于DN80超低溫截止閥，填料函底部到長(zhǎng)頸閥蓋zui底端距離為332mm，為了使其在ANSYS有限元模擬軟件中便于網(wǎng)格劃分和模擬分析，對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，且做的這些簡(jiǎn)化對(duì)模擬結(jié)果影響不大。所以做了如下的簡(jiǎn)化：對(duì)連座閥體、右閥體、長(zhǎng)頸閥蓋、閥桿、填料函部件之間進(jìn)行建模和裝配，由于填料函為柔性石墨，填料函與長(zhǎng)頸閥蓋之間應(yīng)力較小，進(jìn)行粘合處理，不考慮這些部件之間的接觸問題，并用ANSYS11的建模功能進(jìn)行幾何建模，閥門具有面對(duì)稱的特性，因此只需要對(duì)取其一半的對(duì)稱體進(jìn)行建模和分析，見圖2。
DN80超低溫截止閥幾何模型
圖2 DN80超低溫截止閥幾何模型
3.2、有限元模型建模
(1)熱分析單元采用的是Thermalsolid，10node87單元，主體材料為316L不銹鋼，閥桿材料為17-4PH不銹鋼，填料材料為石墨，介質(zhì)為氮。
(2)定義材料的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)的超低溫閥門為DN80超低溫截止閥。超低溫球閥所用的主體材料為316L奧氏體不銹鋼(由于主體材料為316L不銹鋼，其余材料對(duì)分析不產(chǎn)生影響，故只需設(shè)置單一材料性能參數(shù))，低溫介質(zhì)為1MPa的液氮，表1為氮的物性參數(shù)隨溫度的變化。
表1 氮的物性參數(shù)(1MPa)
氮的物性參數(shù)
(3)網(wǎng)格劃分，由于模型不規(guī)則，采用自由網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完網(wǎng)格后再對(duì)自由網(wǎng)格進(jìn)行了一定的修改，如圖3所示。
DN80超低溫截止閥劃分網(wǎng)格
圖3 DN80超低溫截止閥劃分網(wǎng)格
(4)定義邊界條件
(a)分析類型為瞬態(tài)模型(transient);
(b)閥門對(duì)稱截面設(shè)置絕熱邊界條件;閥門浸入試驗(yàn)槽前，初始溫度為環(huán)境溫度T=298K;當(dāng)閥門浸入試驗(yàn)槽后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7749-95規(guī)定，閥門在進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)槽內(nèi)液氮的液位水平面要蓋過閥體與閥蓋連接處，因此在閥蓋以下閥門的內(nèi)外表面施加溫度對(duì)流換熱邊界條件，介質(zhì)溫度為T=77K，對(duì)流換熱系數(shù)與閥體表面溫度有關(guān)，見圖4;試驗(yàn)槽內(nèi)，閥門閥蓋以上到試驗(yàn)槽端蓋以下部分充滿了T=77K的氮?dú)?，模擬施加的對(duì)流換熱系數(shù)h=10W/m2.K，試驗(yàn)槽內(nèi)周邊的溫度為T=77K;試驗(yàn)槽端蓋以上的閥門部分施加對(duì)流換熱系數(shù)h=10W/m2.K，環(huán)境溫度為298K。閥門表面施加輻射邊界條件，Stenfan-Bolzman常數(shù)為5.67E-8。
不銹鋼在液氮中沸騰對(duì)流換熱系數(shù)
圖4 不銹鋼在液氮中沸騰對(duì)流換熱系數(shù)隨不銹鋼表面溫度與液氮溫度差值的關(guān)系
(c)設(shè)定載荷子步，設(shè)定zui后一個(gè)子步的完成時(shí)間為20000s，設(shè)定載荷子步為1000，zui大載荷步為1200，設(shè)定階躍為Stepped。
(d)為了增強(qiáng)求解的收斂，在非線性選項(xiàng)中，選定子步迭代次數(shù)為50次，線性搜索功能打開。
(e)模型求解，通過POST1后處理讀出閥門在不同時(shí)刻的結(jié)果，用POST26后處理讀出填料函底部某一節(jié)點(diǎn)在整個(gè)瞬態(tài)過程中的結(jié)果，繪制溫度隨時(shí)間變化曲線。
(5)進(jìn)行求解。
4、模擬結(jié)果及分析
低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖
圖5 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(20s)
低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖
圖6 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(1000s)
低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖
圖7 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(5000s)
低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖
圖8 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(10000s)
低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖
圖9 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(20000s)
超低溫閥門在使用過程中，閥門通道內(nèi)處于冷端溫度下(77K)，閥體外表面與環(huán)境空氣進(jìn)行自然對(duì)流換熱，冷量一部分從徑向傳遞到外部環(huán)境中，一部分軸向傳遞到閥桿的頂部。當(dāng)常溫的DN80超低溫截止閥放入低溫試驗(yàn)槽時(shí)，閥體各個(gè)點(diǎn)的溫度需要一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，以下是該過程中不同時(shí)間點(diǎn)DN80超低溫截止閥在低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖，從圖5-圖9中可以明確的看出隨著時(shí)間的變化閥體溫度的變化情況。
4.1、閥門填料函底部溫度變化分析
根據(jù)不同時(shí)間點(diǎn)的填料函節(jié)點(diǎn)溫度得到如圖10的填料函節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。
從圖10，DN80超低溫截止閥低溫試驗(yàn)瞬態(tài)模擬的結(jié)果可以看出，在8000s以后降溫速率慢慢減小，慢慢趨于穩(wěn)定，且16000s之后，閥門填料函底部溫度基本不變，zui終溫度穩(wěn)定后的閥門填料函底部的節(jié)點(diǎn)溫度為(曲線1)273.5K，填料函頂部的節(jié)點(diǎn)溫度(曲線2)為278K。
填料函節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的值
(曲線1：填料函底部溫度;曲線2：填料函頂部溫度)
圖10 填料函節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的值
4.2、閥門其他點(diǎn)的溫度變化分析
根據(jù)JB/T7749-1995標(biāo)準(zhǔn)，將閥門浸泡液氮中，保證閥門冷卻到zui低工況時(shí)，才能開始進(jìn)行試驗(yàn)。在閥體內(nèi)、外表面及閥瓣上各取一點(diǎn)，觀察這些點(diǎn)的溫度穩(wěn)定情況。
DN80超低溫閥門各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的值
(曲線1：閥門外表面;曲線2：閥門內(nèi)表面;曲線3：閥瓣上)
圖11 DN80超低溫閥門各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的值
從圖11可以看出，三個(gè)點(diǎn)從常溫冷卻到77K的時(shí)間t紫
5、結(jié)論
本文運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)DN80船用LNG超低截止閥進(jìn)行進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)的建模和有限元分析，得出了隨時(shí)間變化填料函及閥體不同點(diǎn)的溫度變化情況和改進(jìn)建議。
(1)DN80超低溫截止閥低溫試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)填料函底部到長(zhǎng)頸閥蓋zui底端距離為332mm時(shí)，填料函底部的溫度為273.5K，保證了填料函的溫度在0℃以上，防止填料函結(jié)冰。即低溫試驗(yàn)下，可以不需要對(duì)閥頸長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。但是如果為了達(dá)到更好的效果，可以在此基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)脑黾犹盍虾撞康介L(zhǎng)頸閥蓋zui底端距離。
(2)DN80超低溫閥門在低溫試驗(yàn)時(shí)，閥門內(nèi)外表面的穩(wěn)定時(shí)間為大約600s，閥瓣的穩(wěn)定時(shí)間大約為1200s，而填料函的穩(wěn)定時(shí)間大約需要16000s。因?yàn)樵诒ＷC填料函溫度的同時(shí)，當(dāng)閥瓣的溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)就可以進(jìn)行低溫試驗(yàn)，不會(huì)對(duì)其試驗(yàn)造成影響，所以超低溫閥門低溫試驗(yàn)時(shí)可以開始試驗(yàn)的時(shí)間至少為低溫閥門浸泡在液氮內(nèi)的部分的zui長(zhǎng)穩(wěn)定時(shí)間即為閥瓣的穩(wěn)定時(shí)間，大約為1200s。因此進(jìn)行該閥門的低溫試驗(yàn)時(shí)，要先把閥門浸泡在液氮里足夠長(zhǎng)的時(shí)間，等到閥體溫度穩(wěn)定，才能保證低溫試驗(yàn)時(shí)閥門測(cè)試的準(zhǔn)確性。與本產(chǎn)品相關(guān)的產(chǎn)品：電動(dòng)截止閥
