LNG低溫閥門安全服役性能研究

孟 波 劉 隆 王 啟

(1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械學(xué)院；2.北京化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

近年來隨著我國LNG行業(yè)的發(fā)展，行業(yè)的安全問題也逐漸被人們關(guān)注。LNG所具有的物理特性導(dǎo)致與LNG有關(guān)的儲運(yùn)設(shè)備處在低溫高壓的工作環(huán)境中，因此設(shè)備極易發(fā)生破壞泄漏，進(jìn)而造成爆炸事故，對周圍環(huán)境、人員和設(shè)備有極大的危脅。例如2009年2月6日12時，上海洋山深水港LNG項(xiàng)目工地發(fā)生爆炸事故，導(dǎo)致工人1死16傷。

LNG低溫閥門在LNG行業(yè)中應(yīng)用廣泛，其工作條件為低溫高壓，且溫度和壓力會隨著閥門的開啟與關(guān)閉不斷變化，容易造成材料疲勞，導(dǎo)致泄漏進(jìn)而引起火災(zāi)爆炸事故，因此LNG低溫閥門是整體工藝中危險性較大的單元，需對其安全服役性能進(jìn)行重點(diǎn)分析研究。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1傳熱問題有限元理論

在自然界和工程實(shí)際中發(fā)生的大量傳熱現(xiàn)象，按其傳熱方式或形式基本可分為熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射。這3種傳熱方式可以單獨(dú)出現(xiàn)，也可以同時發(fā)生[1]。

系統(tǒng)能量守恒方程在直角坐標(biāo)系中可表示為：

(1)

式中c——介質(zhì)的比熱容，J/(kg·K)；

k——介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

qr——單位容積的熱產(chǎn)生率，即內(nèi)熱源或內(nèi)熱匯，J/m3；

T——溫度，K；

ρ——介質(zhì)的密度，kg/m3。

傳熱的邊界條件有3類。第一類BC(S1)(Dirichlet條件，即在邊界上給定溫度值)：

(2)

第二類BC(S2)(給定熱流密度的Neumann條件)：

(3)

第三類BC(S3)(給定對流換熱的Neumann條件)：

(4)

nx、ny、nz——外邊界法線的方向余弦；

t——時間，s；

T∞——環(huán)境溫度，K；

在實(shí)際工程中，第二類和第三類邊界條件難以滿足，因此，在處理實(shí)際工程問題時可以將這兩個條件耦合，其表達(dá)式為：

(5)

?Ω=S1+S2+S3

1.2熱應(yīng)力有限元理論

物體內(nèi)存在溫差會引起熱膨脹，熱膨脹的物體的物理方程為：

(6)

式中αT——熱膨脹系數(shù)，K-1；

ΔT——物體內(nèi)溫差，K。

2 研究對象和方法

2.1數(shù)值模擬計(jì)算模型的構(gòu)建

預(yù)分析的超低溫閥門為DN25mm超低溫截止閥，查找《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》確定閥門結(jié)構(gòu)長度為230mm，依據(jù)《ASME鍋爐壓力容器規(guī)范》確定閥體壁厚25mm，根據(jù)材料熱傳導(dǎo)有關(guān)公式計(jì)算確定閥頸長度為150mm。按照以上參數(shù)和BS6364標(biāo)準(zhǔn)，利用Auto CAD和Auto Inventor繪圖建模軟件對截止閥進(jìn)行三維建模，由于閥門呈中心面對稱，因此建模時選取其對稱的一半，網(wǎng)格劃分采用熱分析單元SOLID 87智能劃分網(wǎng)格，三維模型如圖1所示。

圖1 超低溫截止閥三維模型

2.2重要參數(shù)和邊界條件設(shè)定

由于超低溫截止閥的內(nèi)部輸運(yùn)超低溫LNG，而外部與常溫空氣接觸，因此閥門結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較大的溫差。根據(jù)材料學(xué)規(guī)律可知，材料的許多物性參數(shù)都會隨材料本身溫度的變化而變化，因此在模擬過程中，需要根據(jù)溫度變化來設(shè)定相應(yīng)溫度下的材料物性參數(shù)，以使模擬結(jié)果更加精確。在此，超低溫截止閥所用的主體材料為316L奧氏體不銹鋼，密度7 970kg/m3為不變量，其他物性參數(shù)隨溫度的變化情況為[2]：40、80、150、300K下導(dǎo)熱系數(shù)分別為5、8、11、15W/(m·K)；77、100、300K下比熱容分別為190、251、490J/(kg·K)；77、295K下熱膨脹系數(shù)分別為13.0×10-6、15.8×10-6K-1，彈性模量分別為209、195GPa，泊松比分別為0.283、0.294。

在溫度場分析過程中，閥門外表面的熱邊界條件設(shè)置為外環(huán)境溫度295K，對流換熱系數(shù)為10W/(m2·K)，Stenfan- Bolzman常數(shù)為5.67×10-8；閥門流道內(nèi)表面熱邊界條件溫度設(shè)定等于介質(zhì)溫度77K；閥門關(guān)閉時，在與低溫介質(zhì)接觸的一側(cè)上施加溫度載荷77K，而在與低溫空氣接觸的一側(cè)，邊界條件可設(shè)置為溫度載荷77K，對流換熱系數(shù)為6W/(m2·K)，Stenfan- Bolzman常數(shù)為5.67×10-8；對稱面可看作為絕熱面，因此其邊界條件設(shè)置為絕熱邊界條件。

在熱應(yīng)力分析過程中，閥門工作時，流道內(nèi)壁上壓力載荷設(shè)置為介質(zhì)壓強(qiáng)1MPa，閥門中性面上施加對稱約束，閥門左右兩端面上施加全約束。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1溫度場分析

對閥門施加溫度載荷與相應(yīng)邊界條件并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到溫度場分布云圖如圖2所示。

如圖2a所示，截止閥開啟時，截止閥閥體部位流道內(nèi)表面與低溫LNG持續(xù)接觸，使該部位始終保持在低溫狀態(tài)，溫度接近LNG溫度；沿閥頸軸向方向上，隨著與流道距離逐漸增大，低溫介質(zhì)對閥門的熱傳導(dǎo)影響逐漸減小，與此同時閥門外表面與外環(huán)境空氣接觸，相互發(fā)生對流傳熱與輻射傳熱，而這對閥門溫度場分布的影響則在逐漸增大，在閥門內(nèi)部和外部傳熱的共同作用下，閥門閥蓋以上的溫度場分布呈現(xiàn)出沿閥頸軸向方向逐漸增大的趨勢，并在轉(zhuǎn)盤處達(dá)到接近環(huán)境溫度的最大值。

圖2 溫度場分布云圖

如圖2b所示，截止閥關(guān)閉時，截止閥閥體部位流道內(nèi)一側(cè)與低溫LNG接觸，在該處流道內(nèi)表面的溫度接近LNG介質(zhì)溫度，為閥門整體溫度場分布的最低溫所在；流道內(nèi)另一側(cè)未與低溫LNG接觸，閥體與流道內(nèi)部的空氣發(fā)生傳熱，同時閥門外部環(huán)境也會與閥體通過熱對流與熱輻射的方式發(fā)生熱量交換，在內(nèi)外共同作用下，該側(cè)流道附近的溫度場與另一側(cè)有著明顯差異，越接近外表面溫度越高，且該側(cè)溫度場中最低溫度也高于介質(zhì)溫度；其余部分溫度場分布與截止閥開啟狀態(tài)下相似，即沿閥蓋向上溫度逐漸升高，至轉(zhuǎn)盤處達(dá)到最大值。

對比開啟和關(guān)閉狀態(tài)下閥門的溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，閥門工作時，隨著在開啟和關(guān)閉狀態(tài)間的變換，其內(nèi)部存在溫度變化，最大溫差可達(dá)40K。這種溫度的往復(fù)變化可視為一種疲勞溫度載荷，長期作用在閥門上會導(dǎo)致閥門材料疲勞，降低閥門安全服役性能，減少其使用壽命。

3.2熱應(yīng)力場分析

熱應(yīng)力是由溫度改變引起的，但并非溫度改變就一定會伴隨著熱應(yīng)力的產(chǎn)生，通常分為以下3種情況[3～5]：零件內(nèi)部溫度均勻分布，但在外部的約束作用影響下，零件內(nèi)由于溫度引起的變形受到約束限制，進(jìn)而在內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力；零件內(nèi)部溫度呈不均勻分布狀態(tài)，該溫度差異導(dǎo)致零件內(nèi)部各部分的熱膨脹量不同，這些形變量不一的部分彼此相互牽制，即產(chǎn)生熱應(yīng)力；多個零部件組成的系統(tǒng)中，溫度場呈現(xiàn)不均勻分布時，會導(dǎo)致各零部件間產(chǎn)生溫差，溫差的存在使各零部件的熱膨脹量不等，進(jìn)而相互間產(chǎn)生作用力，形成熱應(yīng)力。

在超低溫截止閥中，存在著以上3種情況下產(chǎn)生的熱應(yīng)力：閥體部位溫度分布比較均勻，無較大局部溫差，但由于與管道連接處的約束，使該處附近產(chǎn)生熱應(yīng)力；閥蓋部分溫度分布不均勻且變化明顯，存在較大的局部溫差，于是在閥蓋部分內(nèi)部形成熱應(yīng)力分布；對于截止閥整體而言，其各零部件的溫度分布存在差異，各部件的熱膨脹量不同，相互間會產(chǎn)生熱應(yīng)力。由于閥門的主要承壓部位在閥體中流道處，相對于其他部位，閥體內(nèi)的局部應(yīng)力將會更大，因此對熱應(yīng)力的研究為針對閥體部分的熱應(yīng)力分布研究。閥門開啟狀態(tài)下閥體熱應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

圖3 閥門開啟狀態(tài)下閥體熱應(yīng)力分布云圖

從圖3可以看出，閥體部位的熱應(yīng)力分布與其溫度場分布不同，呈現(xiàn)出不均勻分布的情況，觀察發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力場分布呈現(xiàn)中間小、四周大的分布特征，且在與閥蓋和管道連接部分產(chǎn)生的熱應(yīng)力達(dá)到最大值。這是由于在連接部位存在約束，限制了閥體內(nèi)的熱膨脹，造成了該部位的熱應(yīng)力較大，局部應(yīng)力的存在會造成連接處發(fā)生應(yīng)變，使局部形成較大縫隙，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。

3.3熱應(yīng)力分析與靜力分析結(jié)果對比

為了解由溫度變化引起的熱應(yīng)力對閥門的影響程度，對閥門做靜力分析，將所得結(jié)果與熱應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行比較，圖4所示為閥門熱應(yīng)力分布云圖與其靜力分析應(yīng)力分布云圖。

圖4 閥門熱應(yīng)力分析與靜力分析結(jié)果對比

觀察兩者的應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)力分析與靜力分析的應(yīng)力分布均呈現(xiàn)出中間較小、向連接處逐漸增大且在連接處達(dá)到最大的特點(diǎn)，然而比較最大應(yīng)力值可以發(fā)現(xiàn)，熱應(yīng)力分析中的最大應(yīng)力比靜力分析中最大應(yīng)力大。靜力場單獨(dú)作用下，閥門內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中的原因在于局部約束限制，使材料應(yīng)變不均，彼此之間形成制約，進(jìn)而在約束附近部位產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，與在溫度應(yīng)力耦合場作用下閥門應(yīng)力分布情況相似。同時二者最大應(yīng)力的不同說明了溫度變化會使閥門材料內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象加強(qiáng)，從而加快閥門的破壞速度，減少其安全服役的時間。

3.4不同類型低溫閥門熱應(yīng)力分析結(jié)果對比

為驗(yàn)證上述結(jié)論的普遍性，根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對超低溫球閥建模并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 截止閥與球閥熱應(yīng)力分析對比

觀察兩者的應(yīng)力分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，超低溫球閥的熱應(yīng)力分布特點(diǎn)為接近管道連接處的應(yīng)力大、遠(yuǎn)離連接部位的應(yīng)力較小，這與超低溫截止閥的熱應(yīng)力分布特點(diǎn)相似。通過對不同類型超低溫閥門的熱應(yīng)力分布情況的對比，可以得知在溫度應(yīng)力耦合場的作用下，低溫閥門的熱應(yīng)力分布主要集中于閥門與管道的連接部位，導(dǎo)致該部位發(fā)生較大應(yīng)變，容易產(chǎn)生縫隙使內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生泄漏，進(jìn)而降低閥門的密封性能與安全服役性能。

4 結(jié)論

4.1超低溫截止閥在工作情況下，閥門內(nèi)部溫度場分布不均勻，呈沿閥頸軸向方向上溫度逐漸升高的趨勢，且在開啟與關(guān)閉不同狀態(tài)下，閥門內(nèi)局部溫度不斷發(fā)生變化形成溫度疲勞載荷，使閥門材料產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而降低閥門安全服役性能，降低閥門使用壽命。

4.2閥體熱應(yīng)力分布呈現(xiàn)中間部位小、向管道連接處逐漸增大的分布狀態(tài)，熱應(yīng)力主要集中在閥體與管道連接部位，此分布情況使連接處的應(yīng)變較大，易產(chǎn)生縫隙發(fā)生介質(zhì)泄漏，進(jìn)而引發(fā)事故。

4.3對比熱應(yīng)力分析和靜力分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在溫度應(yīng)力耦合場作用下，閥門內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象較靜力場單獨(dú)作用時更為明顯，最大應(yīng)力值更大，說明內(nèi)部介質(zhì)與外部環(huán)境的溫差會增加閥門材料的載荷，減小閥門的安全服役周期。

4.4將不同類型閥門的熱應(yīng)力分布結(jié)果作比較，發(fā)現(xiàn)其熱應(yīng)力場分布具有相似規(guī)律，說明溫度變化會降低閥門安全服役性能，在對LNG儲罐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用過程中需要重點(diǎn)關(guān)注這些關(guān)鍵部位。

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