基于ANSYS 的LNG 用止回閥熱耦合分析

師麗俠，鐘 璞，顧志剛

（常州紡織服裝職業(yè)技術學院，江蘇 常州 213164）

0 引言

低溫閥門是天然氣、石油化工和低溫工程上不可缺少的重要設備之一[1]，在天然氣行業(yè)，LNG 是在-163 ℃低溫下壓縮成的液化天然氣，LNG 是具有易燃易爆且滲透性強的超低溫介質，從生產到消費整個過程中，需要使用到大量的閥門，這類閥門屬于“超低溫閥門”，LNG 設備安全可靠地運行需要超低溫閥門提供保障，以防止在超低溫環(huán)境中閥門出現(xiàn)故障，從而引發(fā)嚴重事故[2]。根據(jù)閥門使用的工況，LNG 行業(yè)使用的超低溫閥門對可靠性與安全性比普通的低溫閥門的要求更高，這類閥門滿足耐低溫、耐高壓的技術要求具有極為重要的作用，因此研究在超低溫工況下的閥門具有非常積極的意義[3]。本文對選用某閥門企業(yè)的止回閥做了溫度場及熱耦合分析模擬，運用CAE 軟件對閥門進行模擬仿真分析計算可以縮短試驗設計流程，實現(xiàn)閥門優(yōu)化設計的快速反饋，減少物理樣機的試驗和設計成本。

1 簡介

止回閥是指依靠介質本身流動而自動開、閉閥瓣，用來防止介質倒流的閥門，又稱逆止閥。止回閥的閥瓣在流體壓力作用下開啟，流體從進口側流向出口側，當進口側壓力低于出口側時，閥瓣在流體壓差、本身重力等因素作用下自動關閉以防止流體倒流[4]。本研究擬用某型LNG 用超低溫止回閥為研究對象，該止回閥的關鍵部位有閥體、閥蓋、閥座、墊片等，止回閥結構示意圖如圖1 所示。

圖1 止回閥結構示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 建立物理模型

由于止回閥的模型比較復雜，而ANSYS 的實體建模功能比較薄弱，因此本研究中使用Solidworks 軟件創(chuàng)建止回閥的裝配體模型，在建立有限元分析模型之前，為了降低有限元計算過程的復雜程度，提高有限元分析的運算速度，依據(jù)適度簡化思路對裝配模型進行簡化。止回閥主要有閥體、閥蓋、閥瓣等組成，將幾何模型導入進ANSYS Workbench 中，ANSYS在導入模型的過程中自動識別并且建立了各連接件之間的接觸關系，由此大大簡化了接觸關系的定義工作，極大地提高了效率，建立的止回閥模型如圖2所示。

圖2 止回閥模型

2.2 材料屬性

根據(jù)建立的幾何模型和有限元模型，定義各組成部分的材料屬性，本研究中止回閥的材料為奧氏體不銹鋼，在求解過程中材料的分析參數(shù)包括導熱系數(shù)、泊松比以及材料密度等，用于分析的計算參數(shù)如表1 所示。

表1 分析計算參數(shù)見表

2.3 網格劃分

網格劃分是有限元前處理中的主要工作，也是整個有限元分析的關鍵工作，網格劃分的質量和優(yōu)劣將對計算結果產生相當大的影響，它不僅繁瑣、費時，而且在很多地方依賴于人的經驗和技巧。ANSYS Workbench 的網格劃分是比較智能化的，有多種控制方法。

本研究采用曲率網格劃分的方法，網格為四面體，網格中三角形越接近正三角形，網格的質量越高，分析出的數(shù)據(jù)就越精確。劃分網格后的模型如圖3 所示，共生成124 503 個節(jié)點，67 049 個單元。

圖3 劃分網格結果

3 有限元分析

3.1 止回閥的熱分析

在工程上，通常關心的是結構的溫度和熱流量，即當系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時的熱分布情況，因而在ANSYS Workbench 中采用穩(wěn)態(tài)熱分析法進行分析。穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為：

其中【K】為傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；｛T｝為節(jié)點溫度向量；｛Q｝為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。

具體的求解過程如下：

熱載荷的加載：在ANSYS Workbench 中熱載荷主要包括熱流量、熱導率、完全絕熱和內部生成熱，本文根據(jù)設計要求，加載溫度載荷，止回閥正常運行狀態(tài)，閥門開啟，閥門流道與液化天然氣進行對流換熱，本研究熱力分析主要研究止回閥在-196 ℃工況下的熱力分析，對超低溫閥門在試驗工況（-196 ℃）下的溫度分布進行有限元分析。

邊界條件的設置：邊界條件包括給定溫度、對流和輻射，本文分析的內容中，溫度和熱對流對研究都有較大的影響，因此，這兩方面的因素都需要考慮，施加對流載荷Convection：假設止回閥工作的外部環(huán)境為22 ℃，止回閥的外表面?zhèn)鳠岱绞綖殪o態(tài)空氣對流換熱，導熱系數(shù)為8e-006W/（mm2·℃），由于止回閥的工作地點大都是埋在地下，只有少部分是暴露在空氣中，因此只需要對上邊一部分施加對流載荷。

求解結果：設置好參數(shù)后，對模型進行求解，求解結果如圖4 所示。

圖4 止回閥在-196℃溫度場分布

溫度場分布結果分析：通過對止回閥內部施加溫度載荷以及外部閥蓋部位施加對流載荷，從溫度場分析圖中可以看出，止回閥的最高溫度為-114.44℃，即在止回閥的閥蓋上部，如圖4 所示。本研究得出的數(shù)據(jù)滿足實際要求，-114 ℃左右的溫度是比較低的溫度，人工操作時需要使用輔助工具。

3.2 止回閥的熱-結構耦合分析

在止回閥的結果分析中，比較關注的結果是止回閥個組成部分的位移，即熱變形。本研究使用線性靜力結構分析的方法，其平衡方程為：

其中：｛F｝為靜力載荷，不考慮隨時間變化的載荷和慣性的的影響；｛X｝為位移矩陣?！綤】矩陣必須是連續(xù)的，相應的材料滿足線彈性和小變形理論。

在ANSYS Workbench 中，主要的載荷和約束分為慣性載荷、結構載荷、結構支撐和熱載荷。

耦合分析：對止回閥施加2 MPa 的內壓，進行熱耦合分析，經過軟件分析計算得出止回閥在-196 ℃試驗工況下的熱應變分布及變形量分布圖。由圖5可以看出熱應變分布比較均勻，由于止回閥的工作狀態(tài)為超低溫，符合熱脹冷縮的原理，應變數(shù)值均為負值，應查看其絕對值，通過分析結果可以看出最大熱應變出現(xiàn)在閥體入口和出口處，熱應變值很小，閥體奧氏體不銹鋼材料滿足設計要求。由圖6 止回閥的總變形分布圖可以看得出止回閥不同位置處的變形量，變形量最大值出現(xiàn)在閥體入口和出口處，與止回閥最大熱應變值出現(xiàn)的位置相同，變形量最大值為1.650 6 mm。閥體的結構設計基本符合要求，止回閥在工況下可以正常工作，止回閥的材料及其結構性能滿足使用要求。

圖5 止回閥的熱應變分布圖

圖6 止回閥的總變形分布圖

4 總結

本文通過ANSYS 軟件建立了LNG 低溫止回閥有限元模型，對模型進行了溫度場分析和熱力耦合分析，根據(jù)止回閥的總變形分布圖，可以得出在超低溫工況下，閥體入口和出口處的位移量較大，即最大收縮變形量為1.65 mm，閥體的入口與出口處在與管道連接的時需要考慮閥門尺寸的收縮量。由于LNG行業(yè)使用的超低溫閥門對可靠性要求更高，可以進一步優(yōu)化止回閥結構，分析結果為進一步研究在超低溫工況下止回閥結構優(yōu)化設計提供了參考意義。