LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范

應用有限元分析軟件分別對通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥在超低溫條件下的應力進行分析。研究了球閥的閥桿、閥頸、閥蓋等部件的應力在低溫下的數(shù)值。研究結(jié)果顯示出了球閥在低溫下的應力集中部位，并提出了改進措施。為超低溫球閥的結(jié)構(gòu)設計提供了理論指導。

1、LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范前言

　　LNG作為一種清潔、高效的能源，其在能源供應中的比例，以每年約12%的高速增長，成為全球增長*迅猛的能源行業(yè)之一。近年來全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，LNG已成為稀缺清潔資源，正在成為世界油氣工業(yè)新的熱點。在中國，盡管還沒有形成規(guī)模，但是LNG的特點決定LNG發(fā)展非常迅速。隨著LNG工業(yè)的發(fā)展以及我國自主研發(fā)LNG船的成功，我國開始對船用作LNG超低溫閥門進行了自主研發(fā)。

　　超低溫閥門在使用過程中，閥門通道內(nèi)處于冷端溫度(約77K)，因此相對于常溫閥門來說，由于相互接觸的不同結(jié)構(gòu)體或同一結(jié)構(gòu)體的不同部分之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，在冷卻或加熱時彼此的收縮或膨脹程度不一致，從而導致熱應力的產(chǎn)生。超低溫閥門的閥體溫度比較低，閥蓋以上部分的溫度比較高，同時不銹鋼線性膨脹系數(shù)在高溫和低溫下的差異性，對閥門內(nèi)熱應力的影響比較明顯。

　　本文采用ANSYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺對通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥進行低溫下結(jié)構(gòu)應力分析，從而判定所設計的閥門結(jié)構(gòu)是否合理。

低溫球閥則是可在溫度低于-196℃的工況下使用的球閥,主要用于乙希,液化天然氣等化工裝置上。輸出的液態(tài)低溫介質(zhì),而且在升溫時要氣化,氣化時,體積膨脹數(shù)倍,為了適應自動化控制的需求，往往會根據(jù)情況使用加長桿，以避免低溫對驅(qū)動機構(gòu)的影響。如下圖所示，低溫球閥的實際應用。超低溫球閥已經(jīng)廣泛使用與,液化天然氣、氮氣、氧氣、空氣、氫、氦、氬、甲烷等

LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范結(jié)構(gòu)特點：
1、本閥門為全通徑浮動球閥、結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀、流阻系數(shù)小。
2、密封面采用氟塑料，密封副材料配對合理，使用壽命長。
3、球體與四氟閥座為緊密封結(jié)合，具備零泄漏功能，并能利用其塑性變形自動補償因磨損帶來的誤差，達到密封性能好，使用壽命長的目的。為了保證閥桿處的密封，在閥體上增設了填料函和壓蓋進行密封。
4、可選用各種配管法蘭標準及法蘭密封面型式，還可選用手動、蝸輪傳動、電動、氣動、液動等各種驅(qū)動方式，滿足用戶不同需求。

LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范材料選型

液化天然氣閥門的材料非常重要，材質(zhì)不合格，會造成殼體及密封面的外漏或內(nèi)漏；零部件的綜合機械性能、強度和鋼度滿足不了使用要求甚至斷裂。導致液化天然 氣介質(zhì)泄漏引起爆炸。液化天然氣閥門的過程中，材質(zhì)是首要關鍵的問題。閥體、閥蓋采用：LCB(-46℃)、 LC3(-101℃)、CF8（304）(-196℃).

LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范低溫處理

我廠對所生產(chǎn)的低溫閥門低溫處理，將粗加工的零件置于冷卻介質(zhì)中數(shù)小時（2-6小時），以釋放應力，確保材料的低溫性能，保證加工尺寸，以防閥門在低溫工況時，因溫度變化造成變形而導致的泄漏。

2、LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范熱力學原理

　　眾所周知，物體的變形不僅僅是由于外力引起的，也可能由溫度的變化引起。對不均質(zhì)物體來說，當物體由具有不同膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成時，物體被加熱或冷卻時，物體內(nèi)部受到約束會產(chǎn)生熱應力。

為受力微元六面體，當溫度發(fā)生變化時，微元體發(fā)生變化，產(chǎn)生熱應力。其應變?yōu)閮刹糠纸M成，一部分是由于溫度變化所引起的，另一部分是由應力引起的。從材料力學可知，微元體在三向應力狀態(tài)下的虎克定律的形式如下：

　　物體受到熱脹冷縮與受拉、壓作用下的彈性伸縮極其相似，在彈性極限內(nèi)，當作用力消失時物體能恢復原狀而無殘余變形以及物體的變形與受力大小成正比，這種現(xiàn)象在熱變形過程中也同樣存在，在一定條件下，熱變形也存在線性的關系。本文進行的熱應力分析屬于靜態(tài)熱應力分析，設X，Y，Z為體積力分量時，微元體的靜力平衡方程為：上述的微分方程組是求解平面問題靜態(tài)熱應力(包括機械應力)的基礎。

3、LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范應力分析模型

3.1、幾何建模

　　首先對模型進行了簡化，將閥瓣去掉，對連座閥體、右閥體、長頸閥蓋、閥桿、填料函部件之間進行建模和裝配，由于填料函為柔性石墨，填料函與長頸閥蓋之間應力較小，進行粘合處理，不考慮這些部件之間的接觸問題，見圖2。

3.2、LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范有限元模型建模

　　(1)分析采用ansys的耦合單元，整個熱分析模型由三種材料構(gòu)成，主體材料為316L不銹鋼，閥桿材料為17-4PH不銹鋼，填料材料石墨。

　　(2)定義材料的性能參數(shù)(由于主體材料為316L不銹鋼，其余材料對分析不產(chǎn)生影響，故只需設置單一材料性能參數(shù))，材料參數(shù)見表1。

　　(4)建立接觸單元，連座閥體和右閥體建立接觸對，長頸閥蓋與連座閥體以及右閥體建立接觸對，閥桿與填料函建立接觸對。

　　(5)定義邊界條件和載荷條件，選擇穩(wěn)態(tài)求解，設置參考溫度為298K。流道內(nèi)表面施加77K的溫度為邊界條件。閥門外表面設置環(huán)境溫度為298K的自然對流換熱為第二類邊界條件，換熱系數(shù)為h=10W/m2.K。由于所建模型為1/2的對稱模型，在對稱面上施加絕熱條件。設置閥門的對稱面為對稱位移約束，在閥門兩端面上的Y方向和Z方向上設置位移為0的約束，X方向上不設置約束，閥門流道內(nèi)設置壓力為1MPa的介質(zhì)壓力。

　　(6)進行求解。

LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范技術規(guī)范

LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范材料及主要參數(shù)

法蘭低溫球閥,不銹鋼低溫球閥尺寸,結(jié)構(gòu)圖:

4、LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范應力分析

4.1、LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范閥門整體應力

所示的是計算后的閥門溫度分布，低溫區(qū)域主要集中在和低溫液體接觸的內(nèi)部閥體部分，由閥體到閥桿向上，溫度梯度明顯，同時也會產(chǎn)生溫度應力集中的區(qū)域。低溫球閥分為低溫浮動球閥和低溫固定球閥兩類,對于溫度高于-50℃,一般不采用長頸結(jié)構(gòu),對于溫度低于-50℃的球閥,頸部長度T一般為250mm,或根據(jù)我公司的設計和計算確定.低溫球閥主要用于輸出液態(tài)低溫介質(zhì)如乙烯、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產(chǎn)品等，不但易燃易爆，而且在升溫時要氣化，氣化時，體積膨脹數(shù)百倍。
　　 液化天然氣閥門的材料非常重要，材質(zhì)不合格，會造成殼體及密封面的外漏或內(nèi)漏；零部件的綜合機械性能、強度和鋼度滿足不了使用要求甚至斷裂。導致液化天然氣介質(zhì)泄漏引起爆炸。因此，在開發(fā)、設計、研制液化天然氣閥門的過程中，材質(zhì)是首要關鍵的問題。閥體、閥蓋采用：LCB（-46℃）、LC3（-101℃）、CF8（304）（-196℃）.
我廠對所生產(chǎn)的低溫閥門經(jīng)特殊的低溫處理，將粗加工的零件置于冷卻介質(zhì)中數(shù)小時（2-6小時），以釋放應力，確保材料的低溫性能，精加工尺寸，以防閥門在低溫工況時，因溫度變化造成變形而導致的泄漏。

　　圖6所示的是閥門的綜合應力，低溫閥門處于低溫下時，會產(chǎn)生變形位移，圖7的位移圖可以看出*大的位移量為0.137毫米，而在兩端面設置了位移約束，則必然會產(chǎn)生應力集中，超出了材料的屈服強度(即灰色區(qū)域)。所以建議對于低溫閥門的兩端設置較長的緩沖管路，以減少由于溫度梯度而產(chǎn)生的應力集中，破壞閥門材料。

4.2、LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范閥門關鍵部件應力

　熱載荷和機械載荷同時作用時，閥門的主體均在正常應力范圍之內(nèi)，不會超過材料的屈服強度(210MPa)，當逐個分析閥門部件時，觀察發(fā)現(xiàn)局部應力雖然不會超過材料許可應力的范圍，但也可能產(chǎn)生材料的疲勞強度破壞，如圖8和圖9所示的閥蓋和閥桿應力，在圖上標出的部分，產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象，*大處達到了MPa。需要指出的是，由于閥桿和閥頸是溫度分布梯度*大的部件，而且閥桿的不停開關也容易產(chǎn)生疲勞破壞，故需要在應力集中處進行加強措施，*為通常的做法是在應力集中處圓角或倒角，從而避免因溫度而造成的材料破壞。

5、LNG液化氣超低溫球閥設計規(guī)范結(jié)論

　　本文運用有限元分析軟件ANSYS對DN15船用LNG超低溫球閥進行了低溫下的建模和有限元分析，得出了相應的應力分布和改進建議。

　　(1)設計的DN15船用超低溫球閥在日常使用中，閥體內(nèi)的低溫液體由下至上產(chǎn)生明顯的溫度梯度，從而在閥體，閥桿，閥桿上產(chǎn)生應力。

　　(2)低溫下的閥體部件會產(chǎn)生應力集中，其中在閥門進出口的管路會產(chǎn)生位移引起的應力，在實際使用過程中，需要增加緩沖管路，以消除應力和位移的影響。

　　(3)在低溫下，對于閥門內(nèi)部，也會產(chǎn)生應力集中，特別是閥桿和閥蓋上，故需要進行必要的圓角或倒角處理，以減小熱應力對材料的破壞。