LNG超低溫調(diào)節(jié)閥閥桿流激共振分析

王偉波, 郝嬌山, 劉柏圻, 楊恒虎, 李樹勛

(1.重慶川儀自動化股份有限公司技術(shù)中心調(diào)節(jié)閥研究所,重慶 400707；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707；3.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050)

近年來，隨著國家對清潔能源行業(yè)發(fā)展的大力推進(jìn)，海岸線上LNG接收站項(xiàng)目的建設(shè)加快了進(jìn)程。其中，超低溫調(diào)節(jié)閥作為接收站上的關(guān)鍵控制元件，其運(yùn)行的可靠性極為重要。但由于超低溫介質(zhì)易造成填料損傷，導(dǎo)致填料處泄漏，故此類調(diào)節(jié)閥閥桿設(shè)計(jì)都較長，在有散熱片的情況下一般須保證填料處溫度在0 ℃以上。而對細(xì)長閥桿，閥門小開度時劇烈的流體流動極易誘發(fā)其共振，對工業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。因此開展LNG超低溫調(diào)節(jié)閥閥桿的共振研究意義重大。

徐登偉等[1]研發(fā)了一種LNG超低溫調(diào)節(jié)閥，建立了其數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了低溫性能預(yù)測，通過低溫試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的正確性，試驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)節(jié)閥低溫密封性良好；王雯等[2]針對單座式調(diào)節(jié)閥閥芯閥桿系統(tǒng)的流固耦合振動問題，建立了考慮閥門定位器作用的系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，給出了求解閥芯-閥桿系統(tǒng)響應(yīng)的預(yù)估-校正算法，利用ANSYS軟件對系統(tǒng)在固定開度與變開度情況和流開型與流閉型情況下的振動響應(yīng)進(jìn)行了定性分析；劉麗等[3]以某大型化工廠氣體管道閥門小開度工況下的振動管路為例，采用模態(tài)分析和CFD模擬的方法進(jìn)行了管道振動分析，結(jié)果表明閥后流體脈動是引起管道振動的主要原因，提出了在閥后增設(shè)隔板的減振措施，減振效果明顯；Yu等[4]為了解決閥門的振動問題，基于模態(tài)分析理論，分析了三個典型調(diào)壓閥的活塞及其支撐結(jié)構(gòu)，得到支撐結(jié)構(gòu)比活塞更剛硬，而剛性活塞對閥門的剛度至關(guān)重要；Yonezawa等[5]為闡明由閥門周圍的不穩(wěn)定流動引起的閥芯振動機(jī)制，使用剛性和柔性閥頭支撐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，結(jié)果表明，剛性支撐閥頭周圍的不穩(wěn)定流動導(dǎo)致閥芯表面上的壓力波動具有隨機(jī)和脈沖波形，柔性支撐閥芯在閥芯支撐系統(tǒng)的固有頻率附近振動，且分離噴射的響應(yīng)滯后于閥芯運(yùn)動，橫向流體力對閥芯上的振動增加了負(fù)阻尼。另外申永康等[6]對大型攔污柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了液固耦合流激振動分析研究；沈春穎等[7]對平面直升閘門進(jìn)行了流固耦合振動同步測試模型試驗(yàn)研究；李樹勛等[8]對高壓降套筒式蒸汽疏水閥進(jìn)行了振動特性研究。

以上研究均未涉及LNG超低溫調(diào)節(jié)閥細(xì)長閥桿的流激共振問題，本文將研究流體施加于其閥桿上的激振力頻率，以及閥塞閥桿組件在有流體載荷作用時的固有頻率，從而對閥桿流激共振問題進(jìn)行深入研究。

1 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)模型

本文所研究的LNG超低溫調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)特性為等百分比調(diào)節(jié)特性，額定行程為75 mm，最大流量為1 796 t/h，對應(yīng)的閥門進(jìn)口壓力為0.83 MPa(G)，進(jìn)出口壓差為0.05 MPa。各節(jié)流開度下的三維實(shí)體模型均采用NX軟件建立。為方便分析，在不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對3D實(shí)體模型的鑄字和螺栓孔等進(jìn)行適當(dāng)簡化，另外考慮到模型從介質(zhì)進(jìn)口端至出口端沿中心面對稱，固體域和流體域均采用5%、10%、20%、30%和50%開度下的一半模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其中20%開度3D實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥三維實(shí)體模型

2 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥流場模擬分析

2.1 流道模型建立及網(wǎng)格劃分

將所建立的LNG超低溫調(diào)節(jié)閥各開度下的三維實(shí)體模型存為.x-t格式，導(dǎo)入ANSYS Fluent軟件中，反向建模生成三維流體域模型，流體域和固體域偶合面完全對應(yīng)，其中20%開度模型，如圖2所示。

圖2 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥三維流體域模型

流道模型網(wǎng)格由ANSYS Meshing劃分生成，整體采用四面體/混合網(wǎng)格控制，尺寸較小的局部區(qū)域采用六面體網(wǎng)格控制。以20%開度流體域模型為例進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)說明，將穩(wěn)態(tài)模擬得到的調(diào)節(jié)閥出口流量值及出口流體平均流速作為評判依據(jù)，具體網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 流體域網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知：網(wǎng)格數(shù)從502 279增大到711 620時，流量從8.890 46 kg/s變?yōu)?.865 54 kg/s，減小0.28%，速度從1.531 28 m/s變?yōu)?.542 75 m/s，增大0.75%。網(wǎng)格數(shù)從711 620增大到907 157時，流量從8.865 54 kg/s變?yōu)?.862 36 kg/s，減小0.036%，速度從1.542 75 m/s變?yōu)?.543 94 m/s，增大0.077%。相比較而言，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到711 620以上時，流量及速度的變化量可以忽略不計(jì)。同時考慮模擬計(jì)算精度、時間成本和工作量，以網(wǎng)格數(shù)為711 620的流道網(wǎng)格模型作為LNG低溫調(diào)節(jié)閥20%開度時的最終流場仿真模型，具體網(wǎng)格模型，如圖3所示。

圖3 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥20%開度流體域網(wǎng)格模型

2.2 流場模擬計(jì)算理論

基于連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，LNG超低溫調(diào)節(jié)閥流場計(jì)算采用RNGk-ε湍流雙方程構(gòu)成封閉方程組，其理論方程如下[9]。

(1)湍動能k方程：

(1)

(2)湍流耗散率ε方程：

(2)

式中:Gk為平均速度梯度引起的湍動能生成項(xiàng)，ρ為介質(zhì)密度，μ為介質(zhì)黏度，其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Cμ=0.084 5，C2ε=1.68；αk=αε=1.39

(8)

2.3 不同開度流場瞬態(tài)分析

非定常流場及壓力脈動的研究大多應(yīng)用在泵和水輪機(jī)上[10-12]，本文針對LNG超低溫調(diào)節(jié)閥閥桿流激共振問題，對各開度模型進(jìn)行流場瞬態(tài)分析。

入口設(shè)置總壓0.931 325 MPa，出口為靜壓0.881 325 MPa；壁面邊界采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；介質(zhì)為-162 ℃ LNG，黏度為0.000 133 Pa·s，密度為453.3 kg/m3；Time Step Size設(shè)置為0.000 5 s，Number of Time Steps為1 000。

以LNG超低溫調(diào)節(jié)閥5%、20%和50%開度0.5 s時刻流場云圖為例，研究閥門從5%到50%開度過程中的流體流動特性，分別如圖4～6所示。

(a)橫截面壓力分布云圖

(a)橫截面壓力分布云圖

(a)橫截面壓力分布云圖

由圖4～6可知：調(diào)節(jié)閥開度從5%～50%增大的過程中，在閥塞與閥蓋及上套筒之間逐漸形成較小的旋渦，且隨開度的增加旋渦逐漸增多,在下套筒內(nèi)部至閥門出口，始終都形成有較大的旋渦；最大流速均分布在節(jié)流區(qū)域，最小流速均分布在閥塞與閥桿之間的縫隙處；最大湍動能從節(jié)流區(qū)域逐漸過渡到閥塞壓力平衡孔處，最小湍動能均分布在閥門節(jié)流前區(qū)域、閥桿與閥蓋間隙處；最大壓力始終位于閥門進(jìn)口至下套筒節(jié)流之前區(qū)域，節(jié)流前后壓力變化逐漸趨于平緩。另外由最小流速和最小湍動能位置可判斷，閥塞與閥桿之間的縫隙處流體流動非常緩慢，幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。

2.4 流體激振頻率分析

對調(diào)節(jié)閥各開度閥塞和閥桿流固耦合面壓力脈動時域信息進(jìn)行監(jiān)測，20%開度監(jiān)測面，如圖7所示。

圖7 調(diào)節(jié)閥20%開度閥塞和閥桿流固耦合監(jiān)測面

在0～0.5 s時間段內(nèi)，對閥塞和閥桿流固耦合面上的壓力脈動時域信息進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，并通過Tecplot軟件對閥門5%、10%、20%、30%和50%開度閥塞和閥桿流固耦合面上的壓力脈動時域信息進(jìn)行傅里葉變換，得到流體作用于閥桿上的壓力脈動頻譜圖，如圖8所示，其中壓力脈動峰值頻率即為流體激振力頻率。

圖8 各開度流固耦合監(jiān)測面壓力脈動頻譜圖

由圖8可知：調(diào)節(jié)閥開度從5%～50%增大的過程中，閥塞和閥桿組件上的壓力脈動波動幅值逐漸降低。各開度下的壓力脈動峰值頻率均在60 Hz以內(nèi)，其中5%開度時，壓力脈動峰值頻率為32.032 Hz；10%開度時，壓力脈動峰值頻率為10.01 Hz、18.018 Hz、52.052 Hz；20%開度時，壓力脈動峰值頻率為16.016 Hz；30%開度時，壓力脈動峰值頻率為18.018 Hz；50%開度時，壓力脈動峰值頻率為14.014 Hz、20.02 Hz、26.026 Hz。

3 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥模態(tài)分析

目前對閥門固有頻率的研究大都是基于干模態(tài)的方法[13-16]，并未考慮流固耦合[17]作用對閥門模態(tài)的影響。對LNG超低溫調(diào)節(jié)閥，在現(xiàn)場使用中需進(jìn)行保溫處理，故本文對其開展流固耦合分析，再在耦合基礎(chǔ)上進(jìn)行閥塞閥桿組件的模態(tài)分析。

3.1 流固耦合模態(tài)分析模型建立

(1)在ANSYS Workbench軟件中聯(lián)用流場、靜力場與模態(tài)分析模塊，并將各開度的實(shí)體模型導(dǎo)入Fluent中，反向建模生成內(nèi)部流道模型，對其進(jìn)行前處理及網(wǎng)格劃分，設(shè)置模型邊界條件、流體屬性以及求解方式，進(jìn)行流場的求解。

(2)將流場的求解信息導(dǎo)入到靜力場，在靜力場進(jìn)行材料設(shè)置、實(shí)體模型網(wǎng)格劃分、約束條件設(shè)置以及流場信息的加載，得到流固耦合邊界壓力信息，進(jìn)行靜力場求解。

(3)將靜力場中求解的信息導(dǎo)入到模態(tài)分析模塊，進(jìn)行模態(tài)階數(shù)的求解設(shè)置，完成調(diào)節(jié)閥模態(tài)分析模擬計(jì)算。

3.2 流固耦合模態(tài)分析計(jì)算理論

LNG超低溫調(diào)節(jié)閥流固耦合模態(tài)分析計(jì)算理論方程如下[18]。

(1)流體誘發(fā)固體振動和位移的控制方程：

(9)

(2)耦合控制方程：

(10)

(3)有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)方程：

(11)

式中：Ms為結(jié)構(gòu)體質(zhì)量矩陣，Cs為結(jié)構(gòu)體阻尼矩陣，Ks為結(jié)構(gòu)體剛度矩陣，rs和rf分別為流固耦合面固體位移和流體位移，τs和τf分別為流固耦合面固體應(yīng)力和流體作用力，ωi為結(jié)構(gòu)體第i階固有頻率，{φi}為結(jié)構(gòu)體第i階陣型向量。

3.3 流固耦合模態(tài)分析模型前處理

流固耦合分析需定義流體耦合面和固體耦合面，且為確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，流體耦合面和固體耦合面完全對應(yīng)，完成流體壓力信息向結(jié)構(gòu)體的傳遞，進(jìn)而完成流固耦合模態(tài)分析，20%開度耦合面，如圖9所示。

(a)流體耦合面

3.4 材料參數(shù)

LNG超低溫調(diào)節(jié)閥閥體、閥蓋、套筒、閥塞和閥桿等組件均需在液氮中進(jìn)行深冷處理，其性能參數(shù)根據(jù)《ASME BPVC SECT.Ⅱ Part D, 2015 ED》[19]查詢得到，主要零部件材料性能參數(shù)，如表2所示。

3.5 固體域網(wǎng)格劃分

穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算完成后，將其壓力信息導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場中，在結(jié)構(gòu)場中根據(jù)表2進(jìn)行材料性能參數(shù)設(shè)置，并采用ANSYS Meshing軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)對固體域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，20%開度網(wǎng)格模型，如圖10所示。

表2 主要零部件材料物理性能參數(shù)

圖10 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥固體域網(wǎng)格模型

3.6 流固耦合邊界分析

根據(jù)LNG超低溫調(diào)節(jié)閥各零部件的實(shí)際安裝方式進(jìn)行接觸設(shè)置，施加重力載荷，閥體兩端面施加位移約束，內(nèi)腔壓力由流場傳遞，20%開度流固耦合邊界如圖11所示。

圖11 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥流固耦合邊界

由圖11可知，流體作用于固體域的最大壓力為0.931 129 MPa，主要位于閥體、閥蓋和閥塞內(nèi)腔面，最小壓力為0.321 837 MPa，主要位于下套筒節(jié)流部位、閥塞平衡孔處和閥蓋下端面處。

3.7 流固耦合應(yīng)力變形分析

為方便研究LNG超低溫調(diào)節(jié)閥從5%～50%開度過程中流體流動對其應(yīng)力變形的影響，取5%、20%及50%開度結(jié)構(gòu)場應(yīng)力變形云圖進(jìn)行分析說明，分別如圖12～14所示。

(a)應(yīng)力云圖

(a)應(yīng)力云圖

由圖12～14可知：調(diào)節(jié)閥開度從5%～50%增大的過程中，調(diào)節(jié)閥整體最大流固耦合應(yīng)力均在15.3 MPa左右，均位于介質(zhì)進(jìn)口側(cè)閥體法蘭端結(jié)構(gòu)突變處；調(diào)節(jié)閥整體最大流固耦合變形量均在0.045 mm左右，均位于填料最底端區(qū)域；5%開度時閥桿擠壓填料左側(cè)程度大于右側(cè)，導(dǎo)致填料底端左側(cè)變形量較大；20%和50%開度時，閥桿擠壓填料右側(cè)程度大于左側(cè)，導(dǎo)致填料底端右側(cè)變形量較大。

3.8 模態(tài)分析

(1)模態(tài)振型分析

對LNG超低溫調(diào)節(jié)閥進(jìn)行有預(yù)應(yīng)力(介質(zhì)壓力)的結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率求解，由于高階模態(tài)頻率和振型可以看作若干個低階模態(tài)和振型的組合，故在調(diào)節(jié)閥5%、10%、20%、30%和50%開度時，分別對閥塞和閥桿組件進(jìn)行前6階結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)，獲得各開度下其前6階固有頻率。

為方便研究LNG超低溫調(diào)節(jié)閥從5%～50%開度過程中流體流動對其振型的影響，取5%、20%及50%開度閥塞和閥桿組件的第一、二階模態(tài)振型云圖進(jìn)行分析說明，分別如圖15～17所示。

(a)一階模態(tài)振型

(a)一階模態(tài)振型

(a)一階模態(tài)振型

由圖15～17可知：調(diào)節(jié)閥開度從5%～50%增大的過程中，閥塞和閥桿組件最大一、二階流固耦合模態(tài)變形量均呈增大趨勢；調(diào)節(jié)閥各開度下，二階模態(tài)最大變形量均大于一階模態(tài)最大變形量；調(diào)節(jié)閥5%開度時，閥塞和閥桿組件一階最大流固耦合模態(tài)變形位置在閥桿端部左側(cè)部位，二階在閥桿端部右側(cè)部位；調(diào)節(jié)閥20%和50%開度時，閥塞和閥桿組件一階最大流固耦合模態(tài)變形位置在閥桿端部右側(cè)部位，二階在閥桿端部左側(cè)部位；一階流固耦合模態(tài)振型均以閥塞和閥桿連接處為支點(diǎn)，閥桿沿垂直于流體流動方向的中心面左右搖擺；二階流固耦合模態(tài)振型均以閥塞和閥桿連接處及閥桿與填料接觸處為支點(diǎn)，閥桿沿垂直于流體流動方向的中心面左右彎曲。

(2)模態(tài)頻率分析

LNG超低溫調(diào)節(jié)閥5%、10%、20%、30%和50%開度時的模態(tài)頻率,如表3所示。

表3 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥各開度下閥塞和閥桿組件模態(tài)頻率

由表3可知：調(diào)節(jié)閥開度從5%到50%增大的過程中，前五階模態(tài)頻率相差較小，第六階模態(tài)頻率相差較大，且呈現(xiàn)遞減趨勢；隨著模態(tài)階數(shù)的增大，調(diào)節(jié)閥各開度下模態(tài)頻率均呈遞增趨勢；前六階模態(tài)頻率均大于120 Hz。

4 LNG超低溫調(diào)節(jié)閥閥桿共振分析

LNG超低溫調(diào)節(jié)閥介質(zhì)壓力脈動作用在閥塞和閥桿組件上，相當(dāng)于給閥桿施加了一個激振力，當(dāng)閥桿的某階固有頻率恰好等于或接近壓力脈動的峰值頻率時，就容易引起閥桿的共振，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥噪聲增大，損害工作人員健康，甚至造成閥桿的損毀失效，對工業(yè)生產(chǎn)帶來不可預(yù)計(jì)的損失。

根據(jù)上述分析，調(diào)節(jié)閥在5%、10%、20%、30%及50%開度，閥塞和閥桿組件上的壓力脈動峰值頻率均在60 Hz以內(nèi)，其前六階模態(tài)頻率均大于120 Hz，兩種頻率值沒有相等和接近，因此閥桿不會發(fā)生流激共振。

5 結(jié) 論

本文針對LNG接收站超低溫調(diào)節(jié)閥細(xì)長閥桿的流激共振問題，對固體域鑄字和螺栓孔等進(jìn)行了適當(dāng)簡化，且考慮LNG介質(zhì)對閥體、閥蓋、套筒、閥塞和閥桿等組件線膨脹系數(shù)和彈性模量等性能參數(shù)的影響，基于瞬態(tài)流場數(shù)值模擬和流固耦合模態(tài)分析，對其5%、10%、20%、30%及50%開度模型進(jìn)行了深入研究，得出以下結(jié)論：

(1)調(diào)節(jié)閥從5%～50%開度，閥塞與閥蓋及上套筒之間形成的小渦逐漸增多，閥桿與閥蓋間隙處流體流動非常緩慢，幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，節(jié)流區(qū)域流速最大，壓力變化劇烈，閥塞和閥桿組件上的壓力脈動波動幅值逐漸降低，各開度下的壓力脈動峰值頻率均在60 Hz以內(nèi)。

(2)調(diào)節(jié)閥開度從5%～50%，介質(zhì)進(jìn)口側(cè)閥體法蘭端結(jié)構(gòu)突變處出現(xiàn)由應(yīng)力集中導(dǎo)致的最大流固耦合應(yīng)力，填料底端出現(xiàn)最大變形。

(3)一階流固耦合模態(tài)振型中閥桿呈搖擺運(yùn)動，二階流固耦合模態(tài)振型中閥桿呈彎曲運(yùn)動。閥塞和閥桿組件上各階模態(tài)頻率均大于120 Hz。

(4)調(diào)節(jié)閥各開度下，閥塞和閥桿組件上的壓力脈動峰值頻率均避開了其固有頻率，閥桿不會發(fā)生流激共振。