大口徑LNG超低溫球閥瞬態(tài)傳熱及密封研究

羅起飛

（中國(guó)圣博萊閥門有限公司,上海 201500）

天然氣是一種清潔能源，其在使用時(shí)可減少二氧化硫、二氧化碳、碳氧化合物以及粉塵的排放[1]。而隨著天然氣開發(fā)力度的加強(qiáng)，且其具有高效、環(huán)保的特征，正逐漸發(fā)展成為第一能源。為了更加方便天然氣的使用和運(yùn)輸，一般會(huì)將天然氣壓縮成液態(tài)，即液化天然氣（LNG）。在此工藝中，大口徑LNG超低溫閥門是關(guān)鍵性配套設(shè)備。大口徑LNG超低溫閥門的傳熱和密封性能是安全使用液化天然氣的重要環(huán)節(jié)，因此該設(shè)備的傳熱和密封性能必須得到保證。

1 超低溫球閥瞬態(tài)傳熱過程分析

1.1 瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析的有限元理論基礎(chǔ)

超低溫球閥的內(nèi)部流體和流道的對(duì)流換熱是超低溫球閥的主要熱量來源，當(dāng)流體進(jìn)入到閥內(nèi)時(shí)，流體會(huì)作為熱量與其內(nèi)部流道進(jìn)行對(duì)流換熱，而球閥的外部會(huì)與環(huán)境溫度進(jìn)行對(duì)流換熱。當(dāng)流體剛進(jìn)入閥內(nèi)時(shí)，該球閥的溫度場(chǎng)分析屬于無內(nèi)熱源問題的瞬態(tài)熱分析。閥門內(nèi)無流體通過時(shí)，閥門的各個(gè)部位會(huì)維持常溫狀態(tài)。而當(dāng)?shù)蜏亓黧w突然流入閥內(nèi)時(shí)，閥內(nèi)壁面的溫度會(huì)很快地下降，而傳熱需要一定的時(shí)間，閥外壁面的溫度依然是常溫狀態(tài)，因此閥門壁內(nèi)外會(huì)形成溫差，讓閥體受到冷沖擊，進(jìn)而產(chǎn)生非定常的熱應(yīng)力，導(dǎo)致超低溫閥門失效。

1.2 超低溫球閥正常運(yùn)行狀態(tài)瞬態(tài)過程分析

運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)低溫流體進(jìn)入閥內(nèi)導(dǎo)致球閥溫度及應(yīng)力穩(wěn)定的變化過程進(jìn)行計(jì)算分析。環(huán)境溫度設(shè)定為22℃，選取瞬態(tài)分析模式，滴水板上部與空氣發(fā)生自然對(duì)流。換熱系數(shù)設(shè)定為10W/m2·℃，閥體在滴水板下，外表包裝好保溫層，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)很小，可將其視作絕熱邊界。然后設(shè)定載荷子步，完成時(shí)間為1450s，載荷步為60s，然后運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)低溫流體進(jìn)入閥內(nèi)導(dǎo)致球閥溫度及應(yīng)力穩(wěn)定的變化過程進(jìn)行計(jì)算分析。

結(jié)果顯示，超低溫球閥整體溫度達(dá)到穩(wěn)定所需要大約1000秒鐘左右的時(shí)間，并且其填料函底部的溫度始終0℃以上，滿足低溫工況下的傳熱要求。而閥芯中間部位、兩端流道內(nèi)部以及閥體底部的應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律為：前60秒內(nèi)因?yàn)闇夭畲?，?huì)產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，但隨閥體內(nèi)外溫差的逐漸減小，約1000秒鐘左右時(shí)其應(yīng)力分布會(huì)逐漸趨向于穩(wěn)定的狀態(tài)。從整體應(yīng)力變化的情況中可以看出，閥壁厚度變化的地方，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力，并且容易出現(xiàn)疲勞裂紋。而閥壁較厚且分布均勻的地方熱應(yīng)力會(huì)比較小。

2 液化天然氣超低溫球閥密封研究

2.1 球閥的密封原理研究

球閥的密封原理是通過不同的途徑來阻止介質(zhì)的滲漏。金屬軟密封是目前廣泛采用超低溫閥門密封方式，該方式是將金屬與非金屬材料通過復(fù)雜的工藝復(fù)合到一起。這種密封形式的優(yōu)點(diǎn)在于能避免閥門開閉時(shí)閥座與球體之間的硬性擦傷，減小密封副之間的摩擦力，提高了密封面的耐磨性和使用壽命，同時(shí)也能保證其密封效果。軟密封球具有價(jià)格偏宜、泄漏率低等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是只能適用于小口徑的低壓工作環(huán)境。

2.2 密封材料研究

LNG閥門正常的工作溫度在-163℃左右，在這樣的超低溫工作環(huán)境下，一般的材料其強(qiáng)度和硬度都會(huì)有所升高，塑性和韌性都會(huì)大幅度下降，這將會(huì)嚴(yán)重影響到閥門使用的安全性，超低溫環(huán)境下保證閥門安全的材料便會(huì)因此而成為閥門領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)像。現(xiàn)今低溫填料主要有聚四氟乙烯、石棉、浸漬聚四氟乙烯石以及棉繩等。石棉容易出現(xiàn)滲透泄露，聚四氟乙冷脆冷流較為明顯，相比之下，聚三氟乙烯（PCTFE）脆裂現(xiàn)象發(fā)生少，無滲透情況，不助燃，PCTFE能耐受-196℃的超低溫。伴隨著溫度的降低，分子鏈的排列會(huì)更加緊密，其體積會(huì)相應(yīng)變小，空隙率會(huì)逐漸降低，分子鏈之間的作用會(huì)逐漸增強(qiáng)，其硬度、彎曲度以及抗拉強(qiáng)度也會(huì)有相應(yīng)的提高，在液化氦、液化氧以及液化天然氣中不容易發(fā)生脆裂，也不會(huì)發(fā)生蠕變。PCTFE材料在超低溫下的抗拉強(qiáng)度及彈性模量與PTFE等材料要好很多，是較佳的密封聚合物，在目前密封材料選擇和應(yīng)用中較為廣泛。隨著門閥材料研究，柔性石墨也逐漸被應(yīng)用，柔性石墨耐低溫、抗腐蝕，具有極佳的密封性能。另外在設(shè)計(jì)低溫門閥的時(shí)候，通常溫度不高于負(fù)70攝氏度時(shí)不再采用非金屬密封材料。

3 討論

近年來國(guó)際石油價(jià)格不斷上漲，而石油和煤炭的大量使用對(duì)地球生態(tài)環(huán)境的破壞性也不斷增強(qiáng)[2]。天然氣的開發(fā)和使用可以大大減少煤炭和石油的使用量，進(jìn)而可改善環(huán)境污染的問題。液化天然氣是我國(guó)的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，對(duì)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展及環(huán)境友好型社會(huì)起著至關(guān)重要的作用。而LNG超低溫閥門是保證液化天然氣裝置安全運(yùn)行的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，根據(jù)相關(guān)報(bào)告顯示，閥門雖然占LNG產(chǎn)業(yè)總投資的比率不高，但其維修費(fèi)用約為總維修費(fèi)用的一半以上。LNG超低溫閥門被廣泛應(yīng)用于液化天然氣生產(chǎn)工廠、接收站、運(yùn)輸裝置以及氣化站等地方。由于LNG具有易燃易爆并且容易氣化等特點(diǎn)，因此LNG超低溫閥門必須具有自動(dòng)泄壓、防靜電、防火等結(jié)構(gòu)，并需要采用多重密封保證長(zhǎng)頸閥蓋處填料函的密封性能。 在超低溫的環(huán)節(jié)中，液化天然氣閥門閥座泄露等問題時(shí)有發(fā)生，溫度分布的情況、低溫?zé)釕?yīng)力和密封性能的好壞對(duì)門閥是否能夠安全運(yùn)行有著直接影響。

[1]那麗,呂赟.超低溫球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及安裝要求[J].煤化工,2013,41(02):65-67.

[2]李連翠.大口徑LNG超低溫球閥瞬態(tài)傳熱及密封研究[D].蘭州理工大學(xué),2014.