密封面結(jié)構(gòu)參數(shù)對LNG浮動球閥密封性能的研究

戴 明，徐小兵，張紅瑞

(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434000)

0 引言

液化天然氣(LNG)的運輸存儲溫度低于-162 ℃，所以對于液化天然氣的存儲以及運輸有著較高的要求。在運輸過程中，作為管線咽喉的閥門就起到了關(guān)鍵作用，對其要求也更高。球閥具有密封性能好、摩擦小、啟閉迅速、精準度高以及可安裝不同的執(zhí)行器等特點，在石油化工、管線運輸、城市水道以及家庭生活等行業(yè)中被廣泛使用。

國內(nèi)外學(xué)者對超低溫球閥的相關(guān)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的研究不計其數(shù)，如Dskim，Mskin[1]等對其溫度場分布以及熱應(yīng)力應(yīng)變進行了總體的研究分析，描述了低溫球閥的溫度傳遞過程以及在低溫環(huán)境下的應(yīng)力集中點和大應(yīng)變位置。Mathieu[2]等研究了冷沖擊對超低溫閥門法蘭密封處的影響，解決了模型選擇的問題，更好地描述了零件的受冷行為。Sang-Kyu Bae，Dong-Soo Kim，Hyun-Sub Kim[5]等人對LNG用高壓下的低溫球閥進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析。Kim Dong Su[6]等人利用CAE和CFD數(shù)值計算方法對高壓低溫球閥的內(nèi)流場和熱物質(zhì)進行了分析。韓傳軍[3]等人對天然氣管道用的軟密封高壓球閥進行了數(shù)值模擬研究，說明了應(yīng)力和載荷分布情況，從而預(yù)先確定了潛在的問題，使得閥門的密封和強度能夠滿足要求，為球閥的可靠性和安全性作出了指導(dǎo)性的建議。蘭州理工大學(xué)高揚[12]等人對于常規(guī)使用下的浮動球閥在受到不同的介質(zhì)壓力時的密封比壓的變化做了研究分析，得出在密封面上其密封比壓的分布呈對稱分布，兩端應(yīng)力值大，中部應(yīng)力值小，隨著介質(zhì)壓力變大，其密封比壓也隨之增大。楊剛[13]等人對超低溫固定式球閥密封副上的密封比壓在不同的壓力角下的變化做了相應(yīng)的研究分析，隨著壓力角的增大，密封比壓值增大，有效密封寬度卻在減小。

目前國內(nèi)外針對固定球閥的研究比較全面，但對于浮動球閥的研究還需要進一步開展。浮動球閥在石油化工行業(yè)中，尤其是在LNG的傳輸中其應(yīng)用得最為廣泛，而由于LNG對于密封要求比較高，所以對于LNG超低溫浮動球閥的密封比壓的分析則顯得尤為重要。密封面的位置(由壓力角大小決定)和面積大小(由密封面寬度決定)又影響著密封比壓的大小和密封的性能，所以對于這兩大因素的分析在密封設(shè)計過程中有著舉足輕重的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

圖1 浮動球閥三維模型圖

由于浮動球閥是一個對稱結(jié)構(gòu)，本文采用Solidworks軟件和Workbench軟件相結(jié)合建立DN50浮動球閥的二分之一模型，并根據(jù)實際的工作情況選取合適的邊界條件，將超低溫介質(zhì)的溫度傳遞耦合到球閥受到介質(zhì)壓力的靜應(yīng)力場中。結(jié)合理論設(shè)計計算中的壓力角和介質(zhì)壓力對密封壓力的影響因素，本文以壓力角43°和設(shè)計介質(zhì)壓力6.4 MPa為基準上下調(diào)整壓力角和密封面寬度對密封性能進行分析，圖1為長閥桿結(jié)構(gòu)的超低溫浮動球閥三維模型，模型中包含了加長閥桿結(jié)構(gòu)、除靜電結(jié)構(gòu)、防火結(jié)構(gòu)和防吹出結(jié)構(gòu)四種特殊結(jié)構(gòu)。圖2為浮動球閥球體與出口閥座的密封示意圖，球體在介質(zhì)壓力作用下壓在出口閥座上。

圖2 密封示意圖

本文所研究的LNG超低溫浮動球閥，主體部分采用316不銹鋼(Cr18Ni12Mo2Ti)，具體材料性能參數(shù)如表1所示，填料部分采用柔性石墨，閥體密封圈和止推墊部分采用聚四氟乙烯(PTFE)，在模型材料設(shè)置中采用其平均參數(shù)，如表2所示。

表1 316不銹鋼(Cr18Ni12Mo2Ti)的性能參數(shù)

表2 聚四氟乙烯(PTFE)的性能參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 必需比壓qb

必需比壓qb是為保證密封，在密封面單位面積上所需要的最小壓力。在閥門的設(shè)計過程中，必需比壓為：

(1)

式中：m為流體介質(zhì)的性能參數(shù)，對于LNG密封要求較高的介質(zhì)，我們選取m=1.8；a，c為密封面相關(guān)的材料系數(shù)，對于本文中采用的硬質(zhì)合金的密封結(jié)構(gòu)，選取a=3.5，c=1；P為流體的工作壓力，b為密封面在垂直于流動方向上的投影(b=tcosφ，t為密封面寬度)。

1.2.2 許用比壓[q]

許用比壓[q]是指密封面單位面積上允許承受的最大壓力。本文研究的浮動球閥，由于浮動球閥的使用環(huán)境是一個中低壓環(huán)境，所采用的是316奧氏體不銹鋼，球體與閥座之間有轉(zhuǎn)動摩擦，其許用比壓為[q]=40 MPa。

1.2.3 設(shè)計比壓q

設(shè)計比壓q是指設(shè)計時確定的密封面單位面積上實際承受的壓力。

(2)

S=πtp(D1+b)

(3)

(4)

對于硬密封的浮動球閥，其閥座受到的預(yù)緊力相比較于流動介質(zhì)所產(chǎn)生的壓力要小得多，所以在設(shè)計計算中可將其忽略不計，因此可以用流體介質(zhì)產(chǎn)生的壓力來計算密封面上的總作用力Q。

(5)

式中：D1為閥座密封面外徑；D2為閥座密封面內(nèi)徑。

1.3 傳熱模型

一般將傳熱過程分為熱傳導(dǎo)、對流換熱以及熱輻射三種方式。根據(jù)這三種傳熱方式的原理結(jié)合分析模型，在超低溫浮動球閥中所出現(xiàn)的傳熱過程分為閥門內(nèi)部分熱傳導(dǎo)以及閥門表面和空氣產(chǎn)生的對流換熱。

1)熱傳導(dǎo)：在穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)下，假定為內(nèi)熱。

(6)

式中，ρ為密度；cp為固體的定壓比熱；k為導(dǎo)熱系數(shù)；t為溫度。

2)對流換熱

(7)

式中，ts為固體表面溫度；tf為外界空氣溫度；h為對流換熱系數(shù)；n表示與表面垂直的方向。

1.4 數(shù)值模型

1.4.1 網(wǎng)格劃分

圖3 閥座細化網(wǎng)格

將1.1中建立的幾何模型，通過SW和AW的接口導(dǎo)入進AW的分析模塊中，對浮動球閥模型我們采用workbench Mesh中六面體網(wǎng)格的數(shù)學(xué)方法將自動網(wǎng)格劃分為六面體，并且對球體與出口閥座接觸面處進行相應(yīng)的網(wǎng)格細分，使得結(jié)果運算更加精確。劃分后得到的數(shù)值模擬網(wǎng)格模型如圖3所示。

1.4.2 邊界條件和載荷條件

(1)第一邊界條件

對于LNG用的超低溫浮動球閥，如1.3節(jié)中所述球閥外表面與空氣的換熱方式為對流換熱，設(shè)置當時的環(huán)境溫度為293.15 K，由于其為單一對流換熱，所以換熱系數(shù)定為h=10 W·(m2·K)-1。

(2)第二邊界條件

在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，球閥內(nèi)部與超低溫介質(zhì)LNG(111.15 K)相接觸，因此球閥內(nèi)表面的溫度與LNG溫度一致，內(nèi)表面設(shè)置溫度為111.15 K。

(3)載荷條件

球閥模型是對稱的，在對稱面上添加熱對稱載荷約束(即為絕熱約束)，設(shè)定內(nèi)部壓力載荷為6.4 MPa，介于浮動球閥的密封原理，其進口端保留一定的在流速方向上的自由移動狀態(tài)，因此設(shè)置進口端Y、Z方向上全約束，X方向上自由，而出口端進行固定全約束，在對稱面上添加對稱約束(即為無摩擦約束)。

2 數(shù)值模擬分析

浮動球閥的球心受到介質(zhì)壓力時，會向出口端閥座移動，并與閥座擠壓貼合以達到密封的要求。在浮動球閥關(guān)閉受壓情況下，對于出口端的密封要求性能較高，在超低溫環(huán)境中影響密封比壓的因素有溫度、壓力角、密封接觸面寬度和壓力等。本節(jié)主要研究的是壓力角和密封接觸面寬度的變化對超低溫浮動球閥密封比壓的影響，進而分析其密封性能的優(yōu)劣。

2.1 壓力角對密封比壓的影響

在設(shè)計過程中，對41°/42°/43°/44°/45°五種不同的壓力角進行數(shù)值模擬分析?？紤]到其他閥座結(jié)構(gòu)參數(shù)會對密封比壓和性能產(chǎn)生影響，因此在計算過程中固定密封面寬度為6 mm和閥座厚度為10.5 mm，由于浮動球閥自身結(jié)構(gòu)的原因，只使用于中低壓(公稱壓力≤6.4 MPa)環(huán)境，因此選定介質(zhì)壓力為6.4 MPa。

圖4為41°壓力角的閥座溫度分布云圖。從溫度分布圖中可以看出，閥座下端與環(huán)境溫差大于上端。

圖4 壓力角為41°溫度分布云圖

圖5和圖6為熱-固耦合應(yīng)力分布云圖和接觸面應(yīng)力分布圖。從圖中看出，在密封面的內(nèi)徑處其密封比壓值比外徑處要大。這是由于當上端開口與閥桿完全貼合時，球體上端會由閥桿固定，而隨著壓力的持續(xù)性作用和增大(增大至6.4 MPa后保持不變)，此時球體將會有一個翻轉(zhuǎn)的趨勢，如圖7所示。這時在密封接觸面的中間部位會有一個傾斜的接觸使得中間部位的溫度以及應(yīng)力的分布不均勻，應(yīng)力值也相對較小。通過上述分析，得到在超低溫浮動球閥的密封面上其密封比壓的分布呈不均勻狀態(tài)，在上中下三個部位的應(yīng)力變化明顯且不與固定式球閥有著類似的對稱分布，所以在閥座密封面的上中下三個部位設(shè)置應(yīng)力提取路徑，如圖8所示，對三條路徑上的比壓變化進行分析。

圖5 閥座應(yīng)力分布云圖(Φ=41°)

圖6 閥座接觸密封面應(yīng)力分布圖(Φ=41°)

圖7 球體翻轉(zhuǎn)趨勢示意圖

圖8 三個位置路徑圖

提取三個路徑上的應(yīng)力數(shù)值繪制密封比壓在密封接觸面上的變化曲線，如圖9所示。上端和下端其密封比壓的變化趨勢相近，都呈現(xiàn)類似于“W”的變化趨勢，且都在密封面的內(nèi)徑處比壓值最大。下路徑的應(yīng)力變化趨勢呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。由公式(1)算出41°壓力角下的許用比壓為8.37 MPa，所以在該壓力角下的密封比壓的取值范圍為8.37～40 MPa，由公式(2)計算得出41°壓力角時密封面的平均密封比壓為20.11 MPa。由此可得出在上下兩端處均能滿足密封比壓要求，而在中路徑處其只有2.5 mm密封寬度滿足密封比壓要求，其有效密封率為42%。對此改變密封面壓力角的大小分析隨著壓力角的變化其密封比壓的變化。

圖9 41°三路徑應(yīng)力變化圖

對此改變壓力角的大小，對42°、43°、44°、45°下的密封面的密封比壓分布情況進行分析，并與41°的數(shù)值進行比較。圖10圖11為五種不同壓力角的上下端的密封比壓變化曲線。從圖中可以看出，隨著壓力角的增大，上下端的密封比壓也在增大，且都呈類“W”的變化趨勢。結(jié)合表3中的理論計算，可知在不同壓力角下上下兩端均能滿足密封比壓的要求。

圖10 不同壓力角上端密封比壓變化曲線

圖11 不同壓力角下端密封比壓變化曲線

表3 理論計算比壓數(shù)值

圖12為中端五種不同壓力角下中端密封比壓變化曲線圖。從圖中發(fā)現(xiàn)，它們的密封比壓變化趨勢是相同的，都呈“勺”型分布。但是從圖中發(fā)現(xiàn)，在3～4 mm之間曲線發(fā)生了交叉，將整個曲線分成了兩部分。在0～3 mm內(nèi)，密封比壓隨著壓力角的增大而變小；在4～6 mm內(nèi)，密封比壓隨著壓力角的增大而增大。結(jié)合表3中的計算數(shù)值，在中端密封面上其密封比壓值很明顯不能全部滿足密封比壓要求。從圖12中可以得出各個壓力角下滿足密封比壓要求的有效密封寬度，如表4所示。

圖12 不同壓力角中端密封比壓變化曲線

表4 不同角度下的有效密封寬度

綜合表4中的有效密封寬度的數(shù)據(jù)，我們可以得出當壓力角為42°時，在密封面的三個部位上，密封比壓值能最大限度地滿足密封比壓的要求，且在滿足密封比壓的同時，可以提供最大的密封寬度，提高密封面的密封性能，但是在密封面的利用率上還是比較低的。

2.2 接觸面寬度對密封比壓的影響

圖13 不同接觸半寬示意圖

為了研究密封接觸面寬度對密封比壓的影響，獲得更高的密封面利用率。保持其他參數(shù)不變，選定壓力角為42°，改變接觸面寬度(初始寬度為6 mm)，分別為5.5 mm、5 mm、4.5 mm、4 mm。網(wǎng)格模型如圖13所示。

圖14為4 mm密封面應(yīng)力分布圖，由于密封面的許用比壓值為40 MPa，因此其并不能符合使用要求。

圖14 4 mm密封面應(yīng)力分布云圖

圖15、圖16、圖17為4.5 mm、5 mm和5.5 mm密封面三條路徑上的應(yīng)力變化曲線。結(jié)合上文中6 mm的變化趨勢，隨著密封面寬度的減小，密封面的應(yīng)力值在增大，在寬度減小到4.5 mm時，其內(nèi)外徑的應(yīng)力值趨于一致。

圖15 4.5 mm密封比壓變化圖

圖16 5 mm密封比壓變化圖

圖17 5.5 mm密封比壓變化圖

由式(1)可得出在不同密封面寬度下的必需比壓值，由此比較得出不同密封面寬度下的有效寬度和有效利用率，結(jié)果如表5所示。

表5 不同密封面寬度下的有效寬度

綜合2.1和2.2節(jié)的分析數(shù)據(jù)，得出在密封面壓力角為42°，接觸面寬度為5 mm時，其密封面的壓力值更合理，超低溫浮動球閥的密封性能更優(yōu)，接觸面的密封利用率更高。

3 結(jié)論

通過對超低溫浮動球閥的密封面結(jié)構(gòu)的熱-固耦合分析，得出如下主要結(jié)論：

1)當壓力角增大時，密封比壓值在密封面的三個路徑上也不斷增大，但有效密封面寬度先增大后減小，在42°時有效密封面寬度最大，密封性能最好。

2)在接觸面寬度減小時，密封比壓值在密封面的三個路徑上卻不斷增加，有效密封面寬度先增大后減小，在5 mm時有效密封面寬度最大，接觸面利用率也最高，密封性能最好。

3)在壓力角為42°，接觸面寬度為5 mm時，有效密封面寬度最寬，接觸面的利用率最好且密封比壓值也滿足使用要求，密封性能最優(yōu)。