LNG低溫截止閥的低溫特性 上海申弘閥門(mén)有限公司
1 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(wèn)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(lái)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(lái)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(guò)原油,成為世界*大能源。在中國(guó),盡管還沒(méi)有形成規(guī)模,但是LNG的特點(diǎn)決定LNG 發(fā)展非常迅速。可以預(yù)見(jiàn),在未來(lái)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(kāi)始對(duì)船用LNG超低溫閥門(mén)進(jìn)行了自主研發(fā)。
上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有:截止閥,電動(dòng)截止閥,氣動(dòng)截止閥,電動(dòng)蝶閥,氣動(dòng)蝶閥,電動(dòng)球閥,氣動(dòng)球閥,電動(dòng)閘閥,氣動(dòng)閘閥,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥,減壓閥。水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。截止閥在高壓的低溫介質(zhì)中使用時(shí),特別是介質(zhì)是液氮、液態(tài)丙烯情況下,溫度為-101°C -196°C,普通的截止閥存在以下缺陷
1.介質(zhì)從閥座的下方輸入從閥座的上方輸出,在關(guān)閉閥門(mén)時(shí),由于介質(zhì)壓カ較高,高壓介質(zhì)的壓力作用在閥瓣上,關(guān)閉閥瓣所需的カ矩較大,閥瓣需要有較大的力才能與閥座的密封面形成密封,密封性能要求較高,關(guān) 閉閥瓣費(fèi)力。
2.閥蓋的填料函處填裝非金屬密封填料,以保證閥桿與閥蓋連接處的密封性。填料處如果溫度過(guò)低,就會(huì)結(jié)冰,如果閥桿作升降運(yùn)動(dòng),*是冰塊把閥桿和填料凍結(jié)在一起,阻礙閥桿運(yùn)動(dòng),第二是冰塊容易把閥桿表面劃傷,損壞閥桿。3.普通的截止閥填料箱設(shè)置在閥蓋上,閥蓋與閥體之間的密封需要法蘭、螺栓等連接件進(jìn)行密封,閥蓋體積較大,浪費(fèi)材料。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(guò)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(mén)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(mén)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)。 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(wèn)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(lái)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)。 實(shí)用新型內(nèi)容為了克服背景技術(shù)的不足,本實(shí)用新型提供ー種超低溫截止閥,該超低溫截止閥主要解決了現(xiàn)有的普通的截止閥需要有較大的力才能使閥瓣密封、密封性能差及關(guān)閉閥瓣費(fèi)カ的問(wèn)題,同時(shí)也解決了現(xiàn)有的普通的截止閥閥桿和填料易凍結(jié)、易損壞閥桿、開(kāi)啟閥門(mén)費(fèi)カ以及閥蓋浪費(fèi)材料的問(wèn)題,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及開(kāi)啟閥門(mén)靈活的特點(diǎn)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是ー種超低溫截止閥包括閥體、閥瓣、閥座及閥桿,閥體上設(shè)有閥座,閥座將閥體分為上下兩個(gè)腔室,閥瓣與閥桿相連并位于上腔室內(nèi),上腔室與輸入介質(zhì)相通,閥瓣分為大閥瓣及小閥瓣,大閥瓣及小閥瓣上分別固定有大閥瓣蓋及小閥瓣蓋,小閥瓣蓋、大閥瓣蓋依次卡接在閥桿的端部,大閥瓣與閥座密封配合,大閥瓣內(nèi)設(shè)有小閥座,小閥瓣與小閥座密封配合,大閥瓣的側(cè)壁設(shè)有通孔。所述的大閥瓣及小閥瓣的密封面均為球面,閥座及小閥座的密封面為圓錐面。所述的閥體上連接有支架,支架內(nèi)設(shè)有與閥體自密封的填料盒,填料盒為長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu),填料盒內(nèi)設(shè)置的密封填料位于遠(yuǎn)離閥體的一端。所述的填料盒的長(zhǎng)度為普通閥門(mén)的閥蓋頸部長(zhǎng)度的4 5倍。所述的填料盒通過(guò)承板、四開(kāi)圓環(huán)、墊圈、楔形墊及螺栓浮動(dòng)安裝在閥體內(nèi),四開(kāi)圓環(huán)鑲嵌在閥體側(cè)壁的凹槽內(nèi)并與承板之間通過(guò)螺栓連接,承板限定填料盒進(jìn)入閥體的位置,墊圈及楔形墊限定填料盒脫離閥體。本實(shí)用新型具有如下有益效果由于采取上述方案,高壓介質(zhì)進(jìn)入上腔室,高壓介質(zhì)的壓力把大閥瓣推向閥座,起到輔助密封的效果,提高了密封性能,減小關(guān)閉閥門(mén)的力矩。當(dāng)開(kāi)啟閥門(mén)時(shí),提升閥桿,小閥瓣先被提起,高壓介質(zhì)由通孔流向出ロー側(cè),減小進(jìn)出口兩側(cè)的壓差,再開(kāi)啟大閥瓣就比較省力。因此,該閥門(mén)解決了密封問(wèn)題的同時(shí)開(kāi)啟閥和關(guān)閉門(mén)也很省力。 隨著LNG的迅速發(fā)展,低溫閥門(mén)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。超低溫閥門(mén)的工作溫度極低(77K),因此在設(shè)計(jì)這類閥門(mén)時(shí),為了保證閥門(mén)在低溫下安全可靠的運(yùn)行,設(shè)計(jì)過(guò)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(mén)必須進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn),通常采用將待驗(yàn)閥門(mén)閥體浸沒(méi)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(mén)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(mén)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(mén)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(jiàn),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(guò)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(lái),閥門(mén)的虛擬設(shè)計(jì)與仿真是閥門(mén)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(guò)程中填料函以及閥門(mén)溫度場(chǎng)的模擬與熱力分析,從而判定所設(shè)計(jì)的閥門(mén)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。 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(mén)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(mén)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。
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(guò)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(mén)表面設(shè)置飽和液氮的沸騰換熱邊界條件,閥門(mén)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(mén)外表面的輻射換熱邊界條件。 (1)溫度場(chǎng)滿足微分方程為:
其中: (2) (2)*類邊界條件:T=Tw (3) (3)對(duì)流邊界條件為: (4) (4)輻射邊界條件為: (5) (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: (7) 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: (8) 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: (9) 其中::熱梯度矢量。 (10) 熱流量由下式計(jì)算: (11) 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: (12) 將上式寫(xiě)成矩陣形式為: (13) 集成總方程的矩陣形式如下:其中: 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(wèn)題,并用ANSYS11的建模功能進(jìn)行幾何建模,閥門(mén)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(jiàn)圖2。 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(mén)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)
(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。
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(mén)對(duì)稱截面設(shè)置絕熱邊界條件;閥門(mén)浸入試驗(yàn)槽前,初始溫度為環(huán)境溫度T=298K;當(dāng)閥門(mén)浸入試驗(yàn)槽后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7749-95規(guī)定,閥門(mén)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(guò)閥體與閥蓋連接處,因此在閥蓋以下閥門(mén)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(mén)=77K,對(duì)流換熱系數(shù)與閥體表面溫度有關(guān),見(jiàn)圖4;試驗(yàn)槽內(nèi),閥門(mén)閥蓋以上到試驗(yàn)槽端蓋以下部分充滿了T=77K的氮?dú)猓M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(mén)=77K;試驗(yàn)槽端蓋以上的閥門(mén)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(mén)表面施加輻射邊界條件,Stenfan-Bolzman常數(shù)為5.67E-8。
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(kāi)。 (e)模型求解,通過(guò)POST1后處理讀出閥門(mén)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(guò)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
圖5 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(20s) 圖6 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(1000s)
圖7 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(5000s)
圖8 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(10000s)
圖9 低溫試驗(yàn)時(shí)溫度分布圖(20000s) 超低溫閥門(mén)在使用過(guò)程中,閥門(mén)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(guò)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(mén)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(mén)填料函底部溫度基本不變,zui終溫度穩(wěn)定后的閥門(mén)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。
(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(mén)其他點(diǎn)的溫度變化分析 根據(jù)JB/T7749-1995標(biāo)準(zhǔn),將閥門(mén)浸泡液氮中,保證閥門(mén)冷卻到zui低工況時(shí),才能開(kāi)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。
(曲線1:閥門(mén)外表面;曲線2:閥門(mén)內(nèi)表面;曲線3:閥瓣上) 圖11 DN80超低溫閥門(mén)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<t藍(lán)<t紅,即閥門(mén)外表面zui先被冷卻下來(lái),其次是內(nèi)表面和閥瓣。閥門(mén)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。 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(mén)在低溫試驗(yàn)時(shí),閥門(mén)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(mén)低溫試驗(yàn)時(shí)可以開(kāi)始試驗(yàn)的時(shí)間至少為低溫閥門(mén)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(mén)的低溫試驗(yàn)時(shí),要先把閥門(mén)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(mén)測(cè)試的準(zhǔn)確性。與本文相關(guān)的論文有:礦山電動(dòng)插板閥
|