上裝式帶隔熱板LNG超低溫球閥傳熱分析

韓欣霖，江鑫，王寅

（江蘇蘇鹽閥門機械有限公司，江蘇 鹽城 224500）

液化天然氣（LNG）因其運輸方便、清潔高效的特點被廣泛地應(yīng)用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。液化天然氣易燃易爆，常采用超低溫儲存罐儲存及輸運。超低溫LNG輸運設(shè)備在工作過程中的密封性能是天然氣安全輸運的關(guān)鍵。超低溫球閥是超低溫LNG運輸管路上不可缺少的組成部分，主要用于控制LNG輸送的通斷。超低溫球閥及其他超低溫工況下運轉(zhuǎn)閥門的溫度場是工程實際所關(guān)注的熱點問題。由于LNG輸運過程中的超低溫要求，超低溫球閥的密封性需要嚴格把控。超低溫球閥的泄漏主要發(fā)生于填料函處和長頸閥蓋與閥體連接法蘭處，在實際工程中填料函處發(fā)生的泄漏現(xiàn)象最為常見。填料函處泄漏的主因是閥桿與閥體的溫差使填料函處結(jié)冰，導(dǎo)致密封性不足。因此，基于球閥輸送介質(zhì)的超低溫與外部環(huán)境的溫差，應(yīng)用傳熱學(xué)方法模擬LNG超低溫球閥傳熱過程，對上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和失效分析具有重要的工程指導(dǎo)意義。

1 LNG低溫球閥模型

本文以上裝式帶隔溫板的LNG超低溫球閥為對象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。加長閥蓋一方面有利于操作和安裝，另一方面還可保證填料不會因為溫度過低而凍傷，保證閥門的密封性。隔熱板則可減少空氣與閥門的自然對流換熱，保證低溫球閥內(nèi)腔的溫度穩(wěn)定。

圖1 上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥

2 LNG低溫球閥傳熱過程

2.1 傳熱基本方式

傳熱的基本方式有熱對流、熱傳導(dǎo)和熱輻射。對于低溫球閥的溫度場分析，主要考慮熱對流與熱傳導(dǎo)問題。

熱傳導(dǎo)是發(fā)生在物體內(nèi)部的微觀熱量交換。由于存在溫差，溫度高的區(qū)域會向溫度低區(qū)域進行熱量轉(zhuǎn)移。由傅里葉定律可以得出熱傳導(dǎo)的公式：

式中，Q表示熱量，W；λ表示導(dǎo)熱系數(shù)（熱導(dǎo)率），W/(m?K)；A表示熱流作用的橫截面積，m2。

熱對流是發(fā)生在流體與物體表面的宏觀熱量傳遞。這個過程包括熱量向內(nèi)壁擴散和沿壁面法向方向進行熱量交換，流體與固體表面之間的熱量交換可以由牛頓冷卻公式計算：

式中，Q表示熱量，W；h表示表面對流換熱系數(shù)，W/(m2?K)；A表示熱流作用的橫截面積，m2；△tm表示換熱面積上的平均溫差，℃。

2.2 LNG低溫球閥傳熱過程

為保證LNG低溫球閥的閥體內(nèi)外表面的溫度相同，避免溫差過大導(dǎo)致閥體變形進而出現(xiàn)泄漏，工程中常將閥體放置在-196℃的液氮環(huán)境中。加長閥蓋頸部的隔熱板及以上的部分暴露在空氣中。當?shù)蜏厍蜷y開啟時，液化天然氣流進球閥內(nèi)，由于外部環(huán)境的溫度遠高于球閥內(nèi)腔的溫度，暴露在空氣中的閥桿頂端、加長閥蓋及隔熱板等其他部件的表面與空氣中的熱量發(fā)生熱對流，熱量進入閥體內(nèi)部出現(xiàn)熱傳導(dǎo)。隔熱板增加了空氣與加長閥蓋對流換熱的橫截面積，將冷熱交換轉(zhuǎn)移到隔熱板處，有利于提高填料函底部的溫度，降低泄漏的風(fēng)險，也有助于降低閥桿與加長閥桿的高度。

3 LNG低溫球閥有限元模型

3.1 模型的建立

本文采用三維建模軟件建立裝配體模型，考慮到球閥在幾何條件、載荷條件及邊界條件均滿足對稱性，為減少計算量，在有限元軟件中建立1/2模型用于后續(xù)LNG超低溫球閥溫度場模擬，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

3.2 網(wǎng)格劃分

因為溫度場有限元分析結(jié)果受網(wǎng)格精度的影響較小，采用四面體網(wǎng)格可以滿足分析條件，設(shè)置單元網(wǎng)格尺寸為20mm。完成網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格模型單元數(shù)為35059，節(jié)點數(shù)為93442。

3.3 材料參數(shù)及邊界條件

根據(jù)ASME BPVC第II分冊要求，并結(jié)合球閥的工況與經(jīng)濟性，閥體選用奧氏體不銹鋼ASTM F316，材料的性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

閥門開啟時，隔熱板以上部件暴露在空氣中，閥體的工作溫度為-196℃，環(huán)境溫度為22℃。因此模擬分析過程中將超低溫球閥的內(nèi)壁和表面的溫度設(shè)置為-196℃，頂端部分閥桿、隔熱板、加長閥蓋頸部等其他部件與空氣對流換熱，熱對流系數(shù)設(shè)置為12W/(m2·K)，環(huán)境溫度設(shè)為22℃；因為采用1/2簡化模型，設(shè)置對稱面為理想絕熱邊界。

4 結(jié)果與分析

對溫度場進行模擬求解，得到超低溫球閥溫度場云圖，如圖3。填料函外壁和閥桿中心線處的溫度變化如圖4及圖5所示。

圖3 超低溫球閥溫度場云圖

從圖3可以看出，因球閥內(nèi)腔與外部環(huán)境的溫差而發(fā)生的熱對流和熱傳導(dǎo)，使得閥蓋上部區(qū)域的溫度明顯高于球閥內(nèi)腔。從圖4中可看出填料函最低溫度為6.2956℃，高于0℃不會因為其結(jié)冰而導(dǎo)致閥體泄漏，上裝式帶隔溫板的LNG超低溫球閥滿足密封要求。

圖4 填料函外壁溫度分布云圖和曲線

由圖5可知，閥門開啟時，閥桿底部和加長閥蓋與超低溫液化天然氣接觸，其溫度與液化天然氣溫度相同，閥桿上部、隔熱板、加長閥蓋頸部等其他部件表面與空氣對流換熱，熱量從表面向內(nèi)部擴散，最后進入閥桿內(nèi)部到達填料函。從閥桿底部溫度相對較低，與閥蓋底部發(fā)生熱傳導(dǎo)。隔熱板增加了熱流和冷流的作用面積，降低了空氣與閥蓋頸部進行自然對流換熱傳遞的熱量，同時也分散了部分從底部向上進行熱傳遞的冷量，最終在隔熱板抵消。

圖5 閥桿中心線溫度分布云圖和曲線

5 LNG低溫球閥溫度場影響因素分析

LNG低溫球閥的溫度傳遞主要通過熱傳導(dǎo)與熱對流，空氣與閥蓋等部件進行對流換熱，將熱量傳到填料函。液化天然氣的超低溫從閥體傳遞給閥桿，最終到達填料函。通過熱傳導(dǎo)公式（1）和熱對流公式（2）可知，材料的導(dǎo)熱系數(shù)和表面對流換熱系數(shù)對分析低溫閥門的溫度場起著重要的作用。

5.1 材料導(dǎo)熱系數(shù)對LNG低溫球閥溫度場的影響

通過改變低溫球閥材料的導(dǎo)熱系數(shù)模擬低溫球閥的溫度場分布，得到導(dǎo)熱系數(shù)與填料函底部溫度的關(guān)系。將材料導(dǎo)熱系數(shù)擴大或縮小0.2倍，得到填料函底部最低溫度趨勢圖，如圖6所示。

圖6 材料導(dǎo)熱系數(shù)對填料函底部溫度的影響

由圖6可知，隨著導(dǎo)熱系數(shù)增大，填料函底部溫度呈線性減小。結(jié)合熱傳導(dǎo)公式（1），在其他因素不變的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)的增加，熱量減少，由閥體通過導(dǎo)熱傳遞給閥桿的冷量增加，使得傳遞給填料函的熱量減小。所以在選擇低溫閥門材料時，應(yīng)盡量選擇導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，有助于提高低溫球閥的密封性。

5.2 表面對流換熱系數(shù)對LNG低溫球閥溫度場的影響

通過改變表面對流系數(shù)來模擬低溫球閥的溫度場分布，分析溫度系數(shù)與填料函底部溫度的關(guān)系。將表面對流換熱系數(shù)擴大或縮小0.2倍，得到填料函底部最低溫度的趨勢圖，如圖7所示。

圖7 表面對流換熱系數(shù)對填料函底部溫度的影響

圖7表明：表面換熱系數(shù)的增加有利于提高填料函底部溫度。所以在低溫閥門工作時，可以改變空氣的流動形式，提高表面對流換熱系數(shù)，從而提高低溫球閥的密封性。

6 結(jié)語

本文結(jié)合傳熱學(xué)基本規(guī)律和有限元分析方法分析了上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥，得到低溫球閥工作時的溫度場分布。

（1）上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥在閥門開啟時，填料函底部最低溫度大于零，滿足密封條件。

（2）對于上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥，減小材料導(dǎo)熱系數(shù)或增大表面對流換熱系數(shù)能提高填料函底部溫度和密封性。

（3）在設(shè)計和選用上裝式帶隔熱板的LNG超低溫球閥時，應(yīng)該選用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，并相應(yīng)提高表面對流換熱系數(shù)，從而提高低溫球閥填料函底部的溫度。