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船用低温阀门设计与试验
上海申弘阀门有限公司
之前介绍低温焊接球阀，现在介绍船用低温阀门设计与试验应用有限元分析软件ANSYS，对通径为DN80的LNG船用超低温截止阀低温试验状态进行了瞬态降温过程中温度的模拟与热力分析。分别对填料函温度以及阀门其他部分温度进行详细的研究分析，从而判定所设计的阀门阀颈长度是否合理，以及达到稳定状态时所需要的时间，并提出了一些建议。为超低温截止阀的结构设计提供了理论指导。
1、船用低温阀门设计与试验前言
LNG于其、、清洁等优异性能，已经成为当今世界增长zui快的能源。天然气能源取代煤和石油能源，可减少煤和石油的用量，明显改善环境问题。目前，天然气在一次能源结构中，比重已经达到25%。近年来LNG的生产和贸易日趋活跃，正在成为世界油气工业新的热点。天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为燃料，天然气在能源供应中的比例迅速增加。液化天然气正以每年约12%的高速增长，成为增长zui迅猛的能源行业之一。加快天然气的应用成为性趋势，预计到2015年，天然气产量将超过原油，成为世界*大能源。在中国，尽管还没有形成规模，但是LNG的特点决定LNG发展非常迅速。可以预见，在未来10-20年的时间内，LNG将成为中国天然气市场的主力军。2008年4月3日，由中船集团公司所属沪东中华造船集团有限公司自主建造的我国*艘LNG船成功交付，标志着我国基本掌握了世界造船技术，打破了国外在该领域的垄断局面。随着LNG工业的发展以及我国自主研发LNG船的成功，我国开始对船用LNG超低温阀门进行了自主研发。随着LNG产业的蓬勃发展，LNG船舶市场日益红火，低温阀门作为LNG船用阀门的主要设备之一，必将随着LNG船舶市场走强。
近日，标准化组织船舶与海上技术委员会管系和机械分技术委员会船用低温阀门标准工作组（ISO/TC8/SC3/WG14）*次会议在上海召开。会议梳理了各国对ISO18139《船舶与海上技术-超低温截止阀-设计与试验要求》和ISO 18154《船舶与海上技术-LNG货舱用安全阀-设计和试验要求》草案的意见，针对日、韩、美、德四国提出的技术意见逐条进行了讨论，形成了标准的工作组草案修改稿。会议拟定，由中国承担该系列标准中两项标准的制定工作，分别是ISO 18139-4《船用低温阀门-设计与试验要求-蝶阀》与ISO 18139-5《船用低温阀门-设计与试验要求-球阀》，并计划于今年10月提出标准新工作项目提案（NP稿）。
船用低温阀门标准对于规范船用低温阀门市场，将会对低温阀门厂家提出新的要求。随着LNG的迅速发展，低温阀门的应用越来越广泛。超低温阀门的工作温度极低(77K)，因此在设计这类阀门时，为了保证阀门在低温下安全可靠的运行，设计过程中必须同时考虑机械强度和传热学要求。
为了保证产品质量，低温阀门必须进行冷态试验，通常采用将待验阀门阀体浸没于冷却介质中，进行冷态操作和气密性试验。其中重要的一点就是要求阀门的结构保证填料处于0℃以上的温度环境下工作，例如采用长颈阀盖结构，使填料函离低温介质尽量远些，起到保护填料函的功能。
低温阀门的热设计是针对其正常运行工况进行，即冷却介质在阀内流道中流动，阀杆处于室温环境;而低温阀门冷态试验状态则通常是阀内为试压流体而阀体外为冷却介质，部分阀杆处于冷却介质的低温蒸气之中。由此可见，针对运行状态的热设计所确定的阀杆尺寸不一定能保证在冷态试验过程填料函不出现冻结，而一旦出现填料函冻结，冷态操作等试验都会受到影响。
近年来，阀门的虚拟设计与仿真是阀门设计的一种重要的方式，可对产品的性能给出初步的评价，并且比实验验证的成本低。本文采用AN-SYS有限元分析软件作为建模和分析平台，针对通径为DN80的LNG船用超低截止阀低温试验状态进行了动态降温过程中填料函以及阀门温度场的模拟与热力分析，从而判定所设计的阀门阀颈长度是否合理，以及达到稳定状态时所需要的时间，并且给出一定的建议。为了保证低温阀能在低温下安全可靠地运行,在低温阀的设计和制造方面有一些特殊的考虑和要求。同样，低温阀的试验与普通阀门也有所不同。下面就JB/T7749-1995《低温阀门技术条件》和英国BS6364：R1998《低温阀门》的试验方法，试验要求和度验装置作简略的介绍。 1.低温阀门试验(JB/T7749-1995) (1)试验条件 低温阀门的低温试验在常温试验合格后进行。 试验前应消除阀门水分和油脂，拧紧螺栓至预定的力矩或拉力，记录其数值。用符合试验要求的热电偶与阀门连接，试验过程中临测阀体、阀盖的温度。低温试验冷却介质为液氮与酒精的混合液或液氮，试验介质为氦气。 (2)试验步骤 1)低温阀门试验装置见图2-46。如图所示，将阀门安装在试验容器里，并接好所有接头，保证阀门填料处在容器上部，且温度保持在0度以上。 2)在常温及zui大阀门试验压力下，使用氮气做初如检测试验，确保阀门在合适的条件下进行试验。 3)将阀门浸入液氮与酒精的混合液或液氮中冷却至阀门低温工况温度，其水平面盖住阀体与阀盖。 4)在低温工况温度下，按下列步骤进行操作: ①在低温工况温度下，浸泡阀门直到各处的温度稳定为止，用热电偶测量保证阀门各处温度的均匀性; ②在试验温度下，重复2.11.1(2)-2)的初始检测试验; ③在试验温度和阀门的公称压力下，开关阀门5次做低温操作性能试验，配有驱动装置的阀门按上述要求做动作试验; ④在zui大阀门试验压力下，按阀门的正常流向做阀门密封试验，对于双向密封的阀门应分别进行试验，用流量计测量泄漏量时，其泄漏率应符合表2-23规定; ⑤阀门处在开启位置时，关闭阀门出口端的针形阀(见图2-46,并向阀体加压至密封试验压力，保持15min，检查阀门填料处、阀体和阀盖连接处的密封性; ⑥阀盖上密封的检查，有上密封的阀门应做上密封试验，试验时阀门全开，两端封闭，向阀内通入氦气至密封试验压力为止，松开填料压盖，检查上密封的密封性。 5)低温性能的试验结果应符合表2-23的规定。 6)将阀门恢复到环境温度，重复2.11.1(2)-2)氦气检验试验，测量并记录阀门的泄漏量，开关扭矩并把结果与2.11.1(2)-2)所得读数进行比较。 7)试验结束后，在干净无尘的环境中拆阀，检查拆卸的难易程度并检验各零部件的磨损和损坏情况。 8)代温试验合格的阀门应进行清洁、干燥，阀门处于关闭状态。 2.BS6364"低温阀门技术条件"标准有关低温阀试验的内容 低温阀不仅应符合BS6364的规定，同时还要符合相应的产品标准的规定。BS6364标准的适用范围是: ①DN≥15mm，其公称尺寸zui大值由相应的产品标准确定; ②温度范围是-50度～-196度。 试验项目包括：①壳体试验;②壳体密封试验;③阀座密封试验;④低温试验。 (1)壳体试验 低温阀守则体试验的方法和要求与普通阀门相同。但要注意两点：①对于奥氏体不锈钢阀门，水压试验所用水的氯化物含量不应超过30×10-6(ppm);②水压试验后，阀门的每个零部件应*洗净并清除油渍。 (2)壳体密封试验 水压或气压壳体试验后，在阀体和阀盖的连接处，阀门的填料处擦上肥皂或浸入水中，用干燥的无油空气或氮气进行壳体密封试验。其余与普通阀门相同。 (3)阀座密封试验 用干燥的无油空气或隋性气体进行试验，其余与普通阀门相同。 (4)船用的阀门应做低温试验。对于所有其他用途的阀门，只是在用户提出要求的时候才进行低温试验。低温试验的温度为-196度。试验方法、试验步骤及试验要求如下： 1)试验前的准备 ①清除阀门零件的油渍，将它们擦干并在干净、没有灰尘和油渍的环境下将阀门安装好。 ②将螺栓拧紧到预定的力矩值或拉力值，并记录下该值。 ③用合适的热电耦与阀门连接，从而能在整个试验过程中监控阀体、阀盖的温度。 2)试验 ①图2-47是低温试验装置。将阀门安装在试验容器内并连接好，要确保阀门填料处在窗口顶部没有汽化气体的位置。 ②在室温下用氦气以zui大阀座试验压力进行初始的系统验证试验，以确保阀门是在合适的状态下，然后开始进行试验。 ③将阀门浸入液氮中进行冷却，液体的水平面至少遮盖住阀体与阀盖的连接部位。在整个冷却过程中一直向阀门提供氦气。在冷却过程中，用安装在适当位置上的热电偶对阀体和阀盖的温度进行监控。 ④当阀体和阀盖的温度达到-196度时，进行下述a)～e)的程序： a)阀门在试验温度下至少浸1h,直到所有的温度都已达到稳定。用热电偶测定温度以确信阀门的温度达到均匀。 b)在试验温度下重复②所述的初始验证试验。 c)打开、关闭阀门20次，至少应测定*次和zui后一次操作时的开启力和关闭力 d)在阀门的进口侧进行阀座压力试验。能够双向密封的阀门，对两个阀座分别进行试验。从表2-24所给出的增量值逐步升压，直到升至额定的阀座试验压力。 在阀座额定值已由制造厂给定的情况下，则将制造厂所定的值作为额定的阀座试验压力。在各压力级下测定并记录泄漏率。 流量计所测出得的泄漏率不得超过200mm3/s×DN(对于止回阀)及100mm3/s×DN(对于所有其他阀门)。 e)使阀门处在开启位置，关闭阀门出口侧目而视的针阀(见图2-47)，将阀腔中的压力升至阀座试验压力。 将该压力保持15min，检查阀门材料处及阀体与阀盖连接处是否泄漏。应无可见泄漏。 ⑤使阀门恢复到室温，然后进行下列a)和b)的步骤，并将结果与④的结果比较。 a)重复进行②所述的氦气验证试验。测定并记录通过阀门的泄漏。 b)测定并记录阀门的开启力矩和关闭力矩。 ⑥试验完成后，在清洁、无尘的环境中将阀门拆开，以便检验所有零件的磨损和损坏情况。
2、热力学有限元分析
2.1、模型分析
阀盖通常设计成长颈阀盖结构，这是因为DN80超低温截止阀在实际工作中，阀门表面的温度较低，当表面温度低于与其接触的水蒸气的三相点温度，空气中的水蒸气就会在阀门的表面凝结成霜甚至结冰。填料函与阀杆接触处结冰，不仅影响阀杆的正常操作，并且有冰存在，在阀杆上下移动时，会使填料函内的填料结构划伤，引发泄露事故。长颈阀盖的阀颈长度能满足填料函底部温度大于273K的情况，并且还有一定的余量。
DN80超低温截止阀在出厂前必须进行低温试验。根据相关的试验标准规定，低温试验时，阀体外表面应全部浸泡在盛有77K液氮的试验槽中，工况比在实际管路中工作时更加恶劣，阀颈长度可能不能满足低温试验的条件。所以需要对所设计的DN80超低温截止阀其填料函底部到长颈阀盖zui底端距离为332mm进行低温试验条件下的模拟计算，以验证阀颈长度是否满足要求，必要时再调整阀颈的长度，再进行模拟分析。图1为进行低温试验示意图。
低温试验示意图
1.阀体;2.阀杆;3.长颈阀盖;4.填料函
图1 低温试验示意图
2.2、传热学理论
DN80超低温截止阀在实际工作中的传热包含导热、对流、辐射的传热过程。当DN80超低温截止阀进行瞬态模拟时，初始条件为与液氮接触的阀门表面设置饱和液氮的沸腾换热边界条件，阀门外表面与氮气接触的区域设置低温氮气自然对流边界条件，与空气接触区域设置空气自然对流边界条件，同时设置阀门外表面的辐射换热边界条件。
(1)温度场满足微分方程为：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
其中：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
(2)*类边界条件：T=Tw (3)
(3)对流边界条件为：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
(4)辐射边界条件为：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
(5)初始条件为：T=T0 (6)
2.3、热力学分析有限元法
将式(2)带入式(1)，转换为等效的积分形式即：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
将区域分解划分单元，DN80超低温截止阀的模型是3-D模型，假设单元内温度变化可以用多项式表示，多项式的假设保证了温度在单元内部和单元边界上都是连续的。
以单元节点温度为未知数的多项式为：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
其中：T：单元形函数;：单元节点温度矢量。
由单元节点温度得到每个单元的温度梯度和热流：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
其中：：热梯度矢量。
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
热流量由下式计算：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
其中：[D]：材料的热传导属性矩阵。
将假设的温度变化带入积分方程(2-7)，可得：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
将上式写成矩阵形式为：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
集成总方程的矩阵形式如下：其中：
LNG船用超低温截止阀的低温试验瞬态特性研究
其中：N：单元总数;：施加在节点上的热流率。
3、模型建立
3.1、几何建模
对于DN80超低温截止阀，填料函底部到长颈阀盖zui底端距离为332mm，为了使其在ANSYS有限元模拟软件中便于网格划分和模拟分析，对实际模型进行了一定的简化，且做的这些简化对模拟结果影响不大。所以做了如下的简化：对连座阀体、右阀体、长颈阀盖、阀杆、填料函部件之间进行建模和装配，由于填料函为柔性石墨，填料函与长颈阀盖之间应力较小，进行粘合处理，不考虑这些部件之间的接触问题，并用ANSYS11的建模功能进行几何建模，阀门具有面对称的特性，因此只需要对取其一半的对称体进行建模和分析，见图2。
DN80超低温截止阀几何模型
图2 DN80超低温截止阀几何模型
3.2、有限元模型建模
(1)热分析单元采用的是Thermalsolid，10node87单元，主体材料为316L不锈钢，阀杆材料为17-4PH不锈钢，填料材料为石墨，介质为氮。
(2)定义材料的性能参数，设计的超低温阀门为DN80超低温截止阀。超低温球阀所用的主体材料为316L奥氏体不锈钢(由于主体材料为316L不锈钢，其余材料对分析不产生影响，故只需设置单一材料性能参数)，低温介质为1MPa的液氮，表1为氮的物性参数随温度的变化。
表1 氮的物性参数(1MPa)
氮的物性参数
(3)网格划分，由于模型不规则，采用自由网格对模型进行网格划分，划分完网格后再对自由网格进行了一定的修改，如图3所示。
DN80超低温截止阀划分网格
图3 DN80超低温截止阀划分网格
(4)定义边界条件
(a)分析类型为瞬态模型(transient);
(b)阀门对称截面设置绝热边界条件;阀门浸入试验槽前，初始温度为环境温度T=298K;当阀门浸入试验槽后，根据标准JB/T7749-95规定，阀门在进行冷态试验时，试验槽内液氮的液位水平面要盖过阀体与阀盖连接处，因此在阀盖以下阀门的内外表面施加温度对流换热边界条件，介质温度为T=77K，对流换热系数与阀体表面温度有关，见图4;试验槽内，阀门阀盖以上到试验槽端盖以下部分充满了T=77K的氮气，模拟施加的对流换热系数h=10W/m2.K，试验槽内周边的温度为T=77K;试验槽端盖以上的阀门部分施加对流换热系数h=10W/m2.K，环境温度为298K。阀门表面施加辐射边界条件，Stenfan-Bolzman常数为5.67E-8。
不锈钢在液氮中沸腾对流换热系数
图4 不锈钢在液氮中沸腾对流换热系数随不锈钢表面温度与液氮温度差值的关系
(c)设定载荷子步，设定zui后一个子步的完成时间为20000s，设定载荷子步为1000，zui大载荷步为1200，设定阶跃为Stepped。
(d)为了增强求解的收敛，在非线性选项中，选定子步迭代次数为50次，线性搜索功能打开。
(e)模型求解，通过POST1后处理读出阀门在不同时刻的结果，用POST26后处理读出填料函底部某一节点在整个瞬态过程中的结果，绘制温度随时间变化曲线。
(5)进行求解。
4、模拟结果及分析
低温试验时温度分布图
图5 低温试验时温度分布图(20s)
低温试验时温度分布图
图6 低温试验时温度分布图(1000s)
低温试验时温度分布图
图7 低温试验时温度分布图(5000s)
低温试验时温度分布图
图8 低温试验时温度分布图(10000s)
低温试验时温度分布图
图9 低温试验时温度分布图(20000s)
超低温阀门在使用过程中，阀门通道内处于冷端温度下(77K)，阀体外表面与环境空气进行自然对流换热，冷量一部分从径向传递到外部环境中，一部分轴向传递到阀杆的顶部。当常温的DN80超低温截止阀放入低温试验槽时，阀体各个点的温度需要一段时间才能达到稳定平衡状态，以下是该过程中不同时间点DN80超低温截止阀在低温试验时温度分布图，从图5-图9中可以明确的看出随着时间的变化阀体温度的变化情况。
4.1、阀门填料函底部温度变化分析
根据不同时间点的填料函节点温度得到如图10的填料函节点温度随时间变化的曲线图。
从图10，DN80超低温截止阀低温试验瞬态模拟的结果可以看出，在8000s以后降温速率慢慢减小，慢慢趋于稳定，且16000s之后，阀门填料函底部温度基本不变，zui终温度稳定后的阀门填料函底部的节点温度为(曲线1)273.5K，填料函顶部的节点温度(曲线2)为278K。
填料函节点温度随时间变化的值
(曲线1：填料函底部温度;曲线2：填料函顶部温度)
图10 填料函节点温度随时间变化的值
4.2、阀门其他点的温度变化分析
根据JB/T7749-1995标准，将阀门浸泡液氮中，保证阀门冷却到zui低工况时，才能开始进行试验。在阀体内、外表面及阀瓣上各取一点，观察这些点的温度稳定情况。
DN80超低温阀门各点温度随时间变化的值
(曲线1：阀门外表面;曲线2：阀门内表面;曲线3：阀瓣上)
图11 DN80超低温阀门各点温度随时间变化的值
从图11可以看出，三个点从常温冷却到77K的时间t紫
5、结论
本文运用有限元分析软件ANSYS，对DN80船用LNG超低截止阀进行进行低温试验时的建模和有限元分析，得出了随时间变化填料函及阀体不同点的温度变化情况和改进建议。
(1)DN80超低温截止阀低温试验时，当填料函底部到长颈阀盖zui底端距离为332mm时，填料函底部的温度为273.5K，保证了填料函的温度在0℃以上，防止填料函结冰。即低温试验下，可以不需要对阀颈长度进行调整。但是如果为了达到更好的效果，可以在此基础上，适当的增加填料函底部到长颈阀盖zui底端距离。
(2)DN80超低温阀门在低温试验时，阀门内外表面的稳定时间为大约600s，阀瓣的稳定时间大约为1200s，而填料函的稳定时间大约需要16000s。因为在保证填料函温度的同时，当阀瓣的温度达到稳定时就可以进行低温试验，不会对其试验造成影响，所以超低温阀门低温试验时可以开始试验的时间至少为低温阀门浸泡在液氮内的部分的zui长稳定时间即为阀瓣的稳定时间，大约为1200s。因此进行该阀门的低温试验时，要先把阀门浸泡在液氮里足够长的时间，等到阀体温度稳定，才能保证低温试验时阀门测试的准确性。与本产品相关的产品：电动截止阀
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