低溫閥翅片式閥蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

王曉濤，趙 鵬，任 亮

(1.湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學院，湖南 岳陽 414000；2.國家管網(wǎng)集團東部原油儲運有限公司天津輸油處燕山輸油站，北京 102400；3.中國石油青海油田監(jiān)督監(jiān)理公司，甘肅 敦煌 816499）

隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，大量的低溫介質(zhì)如LNG、液氧、液氮等，廣泛應用在石油化工、天然氣、航空航天等領(lǐng)域，而低溫閥門是儲存與輸送低溫介質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備。低溫介質(zhì)的危險性對低溫閥門的安全運行提出了更高的要求。閥蓋與閥桿間密封填料的穩(wěn)定性，是保障低溫閥門長周期運行的關(guān)鍵因素之一。閥體的冷量使得填料溫度低于0℃，一旦空氣中的冷凝水進入就會結(jié)冰。當閥門開關(guān)時，閥桿的往復運動會將填料劃傷，造成低溫介質(zhì)的大量泄漏[1]。為此，低溫閥門在設(shè)計時常采用加長閥蓋的方式，以保證填料溫度高于0℃，同時在閥蓋表面安裝環(huán)形翅片（翅片式閥蓋），不但可以防止冷凝水滴入閥體保冷層，還可以提高填料溫度，減少閥蓋長度，從而降低生產(chǎn)成本，彌補低溫閥門安裝、運輸不便等缺點。在以往的研究中[2-5]，關(guān)于翅片對閥蓋溫度場的影響分析較少，缺乏較為完善的理論模型。本文分析并計算了翅片式加長閥蓋的溫度場，得出了閥蓋長度的理論模型，并采用理論分析與有限元分析相結(jié)合的方法，分析得出了減小閥蓋長度的最佳方案。

1 翅片式閥蓋物理模型的簡化

圖1為翅片式閥蓋的基本結(jié)構(gòu)，為了計算方便，將其進行簡化。將閥蓋視為半徑為r1的圓柱體，材料導熱系數(shù)為λ(忽略溫度影響)。閥內(nèi)的低溫介質(zhì)流動穩(wěn)定后，閥門溫度場處于穩(wěn)態(tài)，閥蓋表面與空氣的自然對流換熱系數(shù)為h∞，環(huán)境溫度為t∞，閥蓋法蘭下端面為介質(zhì)溫度t0，其到密封填料底部的長度為L。填料以上部分與閥桿閥蓋的接觸熱阻較大，故將其簡化為閥蓋的擴展面，當量換熱系數(shù)hd可采用文獻[5]的方法迭代得出。忽略閥蓋與閥桿間的環(huán)形縫隙，將閥蓋看成一個整體，簡化后的模型如圖2所示。

圖1 長頸閥蓋的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of long neck bonnet

圖2 閥蓋的物理模型Fig.2 The physical model of bonnet

2 翅片的溫度場分析

環(huán)形翅片的半徑和厚度分別為r2和δ，tb為翅片根部溫度（由于δ較小，不計溫度在δ方向上變化），導熱系數(shù)為λ（圖3）。

圖3 翅片物理模型Fig.3 The physical model of fin

對于穩(wěn)態(tài)導熱，根據(jù)能量守恒對翅片進行環(huán)形微元體分析，整理得到翅片導熱微分方程：

得到翅片過余溫度場為：

其中I為虛宗量貝塞爾函數(shù)，K為虛宗量漢克函數(shù)。

根據(jù)Fourier定律，得到翅片的冷量損失為：

3 實例計算

以DJ41W-300LbP 6″液氮用低溫截止閥為例，相關(guān)的參數(shù)見表1，利用式（3）進行迭代，得到閥蓋長度L=375mm。同理，可計算得到無翅片閥蓋的長度Ln=441mm，可見安裝1片翅片，就可以使閥蓋的長度縮短近15%。

表1 液氮用低溫截止閥的參數(shù)Table 1 The parameters of cryogenic stop valve with liquid nitrogen

利用ANSYS軟件對該閥門進行有限元分析，溫度場結(jié)果如圖4所示，得到L≈359.8mm，Ln≈436mm。

圖4 有限元分析結(jié)果Fig.4 The finite element analysis result

4 閥蓋長度影響因素的分析

4.1 材料的導熱系數(shù)

將翅片與閥蓋的導熱系數(shù)每次減少10%，代入理論計算并進行模擬，結(jié)果見圖5。隨著導熱系數(shù)減少，熱阻增加，閥蓋長度的縮短十分明顯，因此，在設(shè)計低溫閥門時，閥蓋、閥桿及翅片應采用導熱系數(shù)較低的材料。

圖5 導熱系數(shù)對閥蓋長度的影響Fig.5 The effect of thermal conductivity of material on the bonnet length

4.2 翅片半徑

以翅片半徑r2=114.5mm為基準，將r2依次變化10%，閥蓋長度及翅片的散熱量如圖6所示。隨著半徑增加，由環(huán)境傳遞到翅片的熱量增加，冷量損失減少，閥蓋長度逐漸減小；但閥蓋長度的減小量隨著翅片半徑的增加而逐漸減小，原因是隨著翅片沿徑向的表面溫度與環(huán)境間的溫差越來越小，散熱量的增加量也隨之減小。當半徑增加到1.3r2以后，繼續(xù)增加r2，閥蓋長度的減小量很少，即翅片的最佳半徑r2=148mm。因此單靠加大翅片半徑來減少閥蓋長度是不可取的。

圖6 翅片半徑對閥蓋長度的影響Fig.6 The effect of fin radius on the bonnet length

4.3 翅片數(shù)量

對裝有不同數(shù)量翅片的閥蓋進行分析，結(jié)果如圖7所示。安裝4片翅片后，閥蓋長度減小了近50%，因此增加翅片的數(shù)量可以明顯減小閥蓋長度，但安裝數(shù)量要根據(jù)實際的安裝位置、制造成本等因素，進行綜合考慮后確定。

圖7 翅片安裝數(shù)量對閥蓋長度的影響Fig.7 The effect of fin number on the bonnet length

5 結(jié)論

本文利用相關(guān)的理論推導了低溫閥門翅片式閥蓋的溫度場，得到了在確保填料溫度大于0℃時加長閥蓋長度的理論模型，可為理論研究與生產(chǎn)設(shè)計提供參考。采用理論計算與有限元分析相結(jié)合的方法，分析了導熱系數(shù)、翅片半徑、安裝數(shù)量、環(huán)境溫度對閥蓋長度的影響情況，得出結(jié)論：增加翅片數(shù)量、降低導熱系數(shù)，是減少冷量損失、縮短閥蓋長度的最佳方案。