LNG低温阀门安全服役性能研究

2015-01-13孟波刘隆王启

化工机械 2015年5期

孟波刘隆王启

(1.北京石油化工学院机械学院；2.北京化工大学机械工程学院)

近年来随着我国LNG行业的发展，行业的安全问题也逐渐被人们关注。LNG所具有的物理特性导致与LNG有关的储运设备处在低温高压的工作环境中，因此设备极易发生破坏泄漏，进而造成爆炸事故，对周围环境、人员和设备有极大的危胁。例如2009年2月6日12时，上海洋山深水港LNG项目工地发生爆炸事故，导致工人1死16伤。

LNG低温阀门在LNG行业中应用广泛，其工作条件为低温高压，且温度和压力会随着阀门的开启与关闭不断变化，容易造成材料疲劳，导致泄漏进而引起火灾爆炸事故，因此LNG低温阀门是整体工艺中危险性较大的单元，需对其安全服役性能进行重点分析研究。

1 数学模型建立

1.1传热问题有限元理论

在自然界和工程实际中发生的大量传热现象，按其传热方式或形式基本可分为热传导、对流和热辐射。这3种传热方式可以单独出现，也可以同时发生[1]。

系统能量守恒方程在直角坐标系中可表示为：

(1)

式中c——介质的比热容，J/(kg·K)；

k——介质的导热系数，W/(m·K)；

qr——单位容积的热产生率，即内热源或内热汇，J/m3；

T——温度，K；

ρ——介质的密度，kg/m3。

传热的边界条件有3类。第一类BC(S1)(Dirichlet条件，即在边界上给定温度值)：

(2)

第二类BC(S2)(给定热流密度的Neumann条件)：

(3)

第三类BC(S3)(给定对流换热的Neumann条件)：

(4)

nx、ny、nz——外边界法线的方向余弦；

t——时间，s；

T∞——环境温度，K；

在实际工程中，第二类和第三类边界条件难以满足，因此，在处理实际工程问题时可以将这两个条件耦合，其表达式为：

(5)

∂Ω=S1+S2+S3

1.2热应力有限元理论

物体内存在温差会引起热膨胀，热膨胀的物体的物理方程为：

(6)

式中αT——热膨胀系数，K-1；

ΔT——物体内温差，K。

2 研究对象和方法

2.1数值模拟计算模型的构建

预分析的超低温阀门为DN25mm超低温截止阀，查找《机械设计手册》确定阀门结构长度为230mm，依据《ASME锅炉压力容器规范》确定阀体壁厚25mm，根据材料热传导有关公式计算确定阀颈长度为150mm。按照以上参数和BS6364标准，利用Auto CAD和Auto Inventor绘图建模软件对截止阀进行三维建模，由于阀门呈中心面对称，因此建模时选取其对称的一半，网格划分采用热分析单元SOLID 87智能划分网格，三维模型如图1所示。

图1 超低温截止阀三维模型

2.2重要参数和边界条件设定

由于超低温截止阀的内部输运超低温LNG，而外部与常温空气接触，因此阀门结构内部存在较大的温差。根据材料学规律可知，材料的许多物性参数都会随材料本身温度的变化而变化，因此在模拟过程中，需要根据温度变化来设定相应温度下的材料物性参数，以使模拟结果更加精确。在此，超低温截止阀所用的主体材料为316L奥氏体不锈钢，密度7 970kg/m3为不变量，其他物性参数随温度的变化情况为[2]：40、80、150、300K下导热系数分别为5、8、11、15W/(m·K)；77、100、300K下比热容分别为190、251、490J/(kg·K)；77、295K下热膨胀系数分别为13.0×10-6、15.8×10-6K-1，弹性模量分别为209、195GPa，泊松比分别为0.283、0.294。

在温度场分析过程中，阀门外表面的热边界条件设置为外环境温度295K，对流换热系数为10W/(m2·K)，Stenfan- Bolzman常数为5.67×10-8；阀门流道内表面热边界条件温度设定等于介质温度77K；阀门关闭时，在与低温介质接触的一侧上施加温度载荷77K，而在与低温空气接触的一侧，边界条件可设置为温度载荷77K，对流换热系数为6W/(m2·K)，Stenfan- Bolzman常数为5.67×10-8；对称面可看作为绝热面，因此其边界条件设置为绝热边界条件。

在热应力分析过程中，阀门工作时，流道内壁上压力载荷设置为介质压强1MPa，阀门中性面上施加对称约束，阀门左右两端面上施加全约束。

3 计算结果与分析

3.1温度场分析

对阀门施加温度载荷与相应边界条件并进行数值模拟计算，得到温度场分布云图如图2所示。

如图2a所示，截止阀开启时，截止阀阀体部位流道内表面与低温LNG持续接触，使该部位始终保持在低温状态，温度接近LNG温度；沿阀颈轴向方向上，随着与流道距离逐渐增大，低温介质对阀门的热传导影响逐渐减小，与此同时阀门外表面与外环境空气接触，相互发生对流传热与辐射传热，而这对阀门温度场分布的影响则在逐渐增大，在阀门内部和外部传热的共同作用下，阀门阀盖以上的温度场分布呈现出沿阀颈轴向方向逐渐增大的趋势，并在转盘处达到接近环境温度的最大值。

图2 温度场分布云图

如图2b所示，截止阀关闭时，截止阀阀体部位流道内一侧与低温LNG接触，在该处流道内表面的温度接近LNG介质温度，为阀门整体温度场分布的最低温所在；流道内另一侧未与低温LNG接触，阀体与流道内部的空气发生传热，同时阀门外部环境也会与阀体通过热对流与热辐射的方式发生热量交换，在内外共同作用下，该侧流道附近的温度场与另一侧有着明显差异，越接近外表面温度越高，且该侧温度场中最低温度也高于介质温度；其余部分温度场分布与截止阀开启状态下相似，即沿阀盖向上温度逐渐升高，至转盘处达到最大值。

对比开启和关闭状态下阀门的温度分布可以发现，阀门工作时，随着在开启和关闭状态间的变换，其内部存在温度变化，最大温差可达40K。这种温度的往复变化可视为一种疲劳温度载荷，长期作用在阀门上会导致阀门材料疲劳，降低阀门安全服役性能，减少其使用寿命。

3.2热应力场分析

热应力是由温度改变引起的，但并非温度改变就一定会伴随着热应力的产生，通常分为以下3种情况[3～5]：零件内部温度均匀分布，但在外部的约束作用影响下，零件内由于温度引起的变形受到约束限制，进而在内部产生热应力；零件内部温度呈不均匀分布状态，该温度差异导致零件内部各部分的热膨胀量不同，这些形变量不一的部分彼此相互牵制，即产生热应力；多个零部件组成的系统中，温度场呈现不均匀分布时，会导致各零部件间产生温差，温差的存在使各零部件的热膨胀量不等，进而相互间产生作用力，形成热应力。

在超低温截止阀中，存在着以上3种情况下产生的热应力：阀体部位温度分布比较均匀，无较大局部温差，但由于与管道连接处的约束，使该处附近产生热应力；阀盖部分温度分布不均匀且变化明显，存在较大的局部温差，于是在阀盖部分内部形成热应力分布；对于截止阀整体而言，其各零部件的温度分布存在差异，各部件的热膨胀量不同，相互间会产生热应力。由于阀门的主要承压部位在阀体中流道处，相对于其他部位，阀体内的局部应力将会更大，因此对热应力的研究为针对阀体部分的热应力分布研究。阀门开启状态下阀体热应力分布云图如图3所示。

图3 阀门开启状态下阀体热应力分布云图

从图3可以看出，阀体部位的热应力分布与其温度场分布不同，呈现出不均匀分布的情况，观察发现热应力场分布呈现中间小、四周大的分布特征，且在与阀盖和管道连接部分产生的热应力达到最大值。这是由于在连接部位存在约束，限制了阀体内的热膨胀，造成了该部位的热应力较大，局部应力的存在会造成连接处发生应变，使局部形成较大缝隙，导致介质泄漏。

3.3热应力分析与静力分析结果对比

为了解由温度变化引起的热应力对阀门的影响程度，对阀门做静力分析，将所得结果与热应力分析结果进行比较，图4所示为阀门热应力分布云图与其静力分析应力分布云图。

图4 阀门热应力分析与静力分析结果对比

观察两者的应力分布可以发现，热应力分析与静力分析的应力分布均呈现出中间较小、向连接处逐渐增大且在连接处达到最大的特点，然而比较最大应力值可以发现，热应力分析中的最大应力比静力分析中最大应力大。静力场单独作用下，阀门内部产生应力集中的原因在于局部约束限制，使材料应变不均，彼此之间形成制约，进而在约束附近部位产生应力集中的现象，与在温度应力耦合场作用下阀门应力分布情况相似。同时二者最大应力的不同说明了温度变化会使阀门材料内部应力集中现象加强，从而加快阀门的破坏速度，减少其安全服役的时间。

3.4不同类型低温阀门热应力分析结果对比

为验证上述结论的普遍性，根据有关标准对超低温球阀建模并进行数值模拟分析，其结果如图5所示。

图5 截止阀与球阀热应力分析对比

观察两者的应力分布云图可以发现，超低温球阀的热应力分布特点为接近管道连接处的应力大、远离连接部位的应力较小，这与超低温截止阀的热应力分布特点相似。通过对不同类型超低温阀门的热应力分布情况的对比，可以得知在温度应力耦合场的作用下，低温阀门的热应力分布主要集中于阀门与管道的连接部位，导致该部位发生较大应变，容易产生缝隙使内部介质发生泄漏，进而降低阀门的密封性能与安全服役性能。