LNG聯(lián)運罐箱低溫安全閥的熱結(jié)構(gòu)耦合分析及實驗研究

周世豪，李 成，張新奇，余 巍

（中國船舶重工集團公司第725研究所，河南 洛陽 471000）

液化天然氣罐式集裝箱能夠?qū)崿F(xiàn)多式聯(lián)運，可整合各種水陸運輸方式，實現(xiàn)“一罐到底”，到達最終用戶，具有“宜儲易運、運輸方便”的特點。在國內(nèi)，LNG罐箱多式聯(lián)運不僅可以實現(xiàn)低成本和規(guī)?；?，還可到達天然氣管網(wǎng)無法覆蓋的地區(qū)。作為一種對傳統(tǒng)LNG模式的創(chuàng)新，罐箱多式聯(lián)運在實現(xiàn)液化天然氣運輸方面具有靈活性強、效率高、周期短等明顯的優(yōu)點，對未來實現(xiàn)國際能源與國內(nèi)終端客戶的互聯(lián)互通，推動節(jié)能減排，助力實現(xiàn)國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)具有十分重要的意義。目前，LNG集裝箱多式聯(lián)運受到各行業(yè)的廣泛關(guān)注，全國LNG產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的相關(guān)公司已開始著手布局相關(guān)業(yè)務(wù)[1]。

考慮到LNG低溫、易燃易爆的特點，低溫安全閥作為LNG多式聯(lián)運儲罐的重要安全附件，在儲罐增壓時會自動排放內(nèi)部介質(zhì)，當(dāng)壓力釋放時，安全閥自動關(guān)閉，這是確保儲罐安全穩(wěn)定運行的最后一道保障。根據(jù)工藝要求，液化天然氣罐箱需配備至少2臺低溫安全閥，同時在2臺閥門之間設(shè)置互鎖切換裝置，實現(xiàn)安全閥一備一用，以滿足安全閥快速切換、檢修等要求[2]。

在海運或內(nèi)陸運輸過程中，LNG多式聯(lián)運儲罐罐箱中的低溫安全閥經(jīng)常受到復(fù)雜的交替循環(huán)載荷，包括罐箱加注及低溫介質(zhì)氣化等引起的內(nèi)部壓力波動、溫度變化等。低溫安全閥通常要能夠承受短時間內(nèi)的溫度快速下降和頻繁的壓力變化等復(fù)雜交變載荷。儲罐內(nèi)壓力的升高和下降，以及超低溫介質(zhì)溫度的快速波動，會導(dǎo)致閥門承壓零部件內(nèi)部產(chǎn)生較高的耦合熱應(yīng)力。另外，閥門內(nèi)部機械應(yīng)力和溫度應(yīng)力的交變，會導(dǎo)致承壓零部件產(chǎn)生機械疲勞，嚴(yán)重時甚至產(chǎn)生裂紋，從而誘發(fā)安全事故。因此，在設(shè)計LNG罐箱低溫安全閥時，不僅要考慮靜強度校核計算，還需進行熱應(yīng)力校核，以確保低溫安全閥的安全、穩(wěn)定運行[3]。

本文采用有限元分析方法，計算低溫安全閥在設(shè)計工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場和熱結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力場分布，并對計算結(jié)果進行靜力學(xué)分析研究。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合所研制樣機在低溫環(huán)境下實際測得的實驗數(shù)據(jù)，驗證了數(shù)值模擬方法的合理性及有效性，以期為低溫安全閥產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)品開發(fā)提供數(shù)據(jù)參考。

1 LNG聯(lián)運罐箱的低溫安全閥結(jié)構(gòu)

1.1 技術(shù)參數(shù)

公稱通徑：DN25，公稱壓力：4.0MPa，整定壓力：0.64MPa，設(shè)計溫度：-196～+80℃，介質(zhì)：LNG、液氮、液氧等；主體材質(zhì)：CF8、06Cr19Ni10等。

1.2 結(jié)構(gòu)特點

LNG聯(lián)運罐箱低溫安全閥主要由進口接管、閥座、閥體、緊定螺釘、閥頂、閥桿、彈簧、調(diào)節(jié)螺桿、鎖緊螺母、蓋帽、出口接管等部件組成（圖1）。安全閥采用常見的彈簧直接載荷式結(jié)構(gòu)，利用壓縮彈簧使安全閥保持關(guān)閉狀態(tài)并在超壓時起跳、泄壓，具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高等優(yōu)點，同時安裝靈活，對振動的敏感性小，適合應(yīng)用于移動式的壓力容器。另外，為防止安全閥調(diào)節(jié)彈簧壓縮量的機構(gòu)松動或隨意改變已調(diào)整好的壓力值，該閥設(shè)有防松裝置并加以鉛封。

圖1 低溫安全閥的結(jié)構(gòu)示意圖

2 建模及網(wǎng)格劃分

采用建模軟件對安全閥進行三維建模。建模時要對安全閥的結(jié)構(gòu)進行合理簡化，忽略對應(yīng)力應(yīng)變的影響很小的區(qū)域，如小孔、倒角、圓角、尖細(xì)面等部位，以便進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格劃分采用四面體/混合網(wǎng)格進行，為更準(zhǔn)確地進行計算，對結(jié)構(gòu)不連續(xù)處進行網(wǎng)格加密處理。具體劃分網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 低溫安全閥的網(wǎng)格圖

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，網(wǎng)格單元數(shù)從11.6萬增加到14萬，最大應(yīng)力值從283.18MPa增加到285.69MPa，最大應(yīng)力值增加了1.2%；網(wǎng)格單元數(shù)從14萬增加到15.8萬，最大應(yīng)力值從285.69MPa增加到286.56MPa，最大應(yīng)力值增加了0.3%。綜合考慮到計算成本和計算精度，最終確定的網(wǎng)格單元數(shù)為14萬。

表1 網(wǎng)格的無關(guān)性檢驗

3 數(shù)值模擬計算及分析

低溫安全閥閥體的材質(zhì)為CF8，閥座、閥頂、彈簧等的材質(zhì)為06Cr19Ni10，閥頂密封圈為PTFE，查詢后將安全閥主要材質(zhì)的物性參數(shù)在分析軟件中進行設(shè)置[4]。在熱固耦合計算中，需同時考慮溫度應(yīng)力和機械應(yīng)力，具體包含穩(wěn)態(tài)溫度場的計算和耦合應(yīng)力場的計算。

進行溫度場的模擬計算時，要根據(jù)溫度的變化范圍，設(shè)置材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等溫度特性參數(shù)，通過數(shù)值模擬，得到安全閥在超低溫工況下的穩(wěn)態(tài)溫度場分布。隨后根據(jù)順序耦合的分析方法，將溫度場的計算結(jié)果作為體載荷邊界條件，導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析模型中。耦合分析時采用相同的網(wǎng)格模型，另外需施加介質(zhì)壓力、密封力等機械載荷，計算安全閥在低溫工況下由熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力組成的耦合應(yīng)力。

3.1 邊界條件

根據(jù)安全閥的設(shè)計參數(shù)和使用要求，在溫度場的模擬計算中，在低溫安全閥進口與低溫介質(zhì)接觸的內(nèi)表面處，施加邊界溫度-196℃，閥門外表面與大氣環(huán)境的接觸部位，設(shè)置成對流換熱，與空氣的對流傳熱系數(shù)設(shè)置為10W·m-2·K-1，大氣環(huán)境溫度及安全閥的初始溫度均取22℃[5]。

首先對低溫安全閥的穩(wěn)態(tài)溫度場進行數(shù)值模擬計算，隨后將穩(wěn)態(tài)溫度場的模擬結(jié)果作為載荷邊界條件，導(dǎo)入安全閥的結(jié)構(gòu)模型中，同時在閥門的進口端及閥座內(nèi)表面接觸介質(zhì)處，施加密封實驗壓力0.58MPa，通過等效法，將彈簧的預(yù)緊力均勻加載到閥瓣密封面上。

3.2 溫度場的計算結(jié)果

低溫安全閥的穩(wěn)態(tài)溫度場計算結(jié)果如圖3所示，要特別關(guān)注閥體、閥座、閥桿等主要部件的溫度分布情況。首先，從安全閥進口沿垂直方向向上，溫度的變化顯著，從底部-196℃升到頂部約-10.1℃，溫度差約為185.9℃，閥門進口處內(nèi)壁在穩(wěn)態(tài)時與低溫介質(zhì)的溫度保持一致。其次，對于安全閥承壓部件，在熱傳導(dǎo)與熱對流作用的影響下，閥體及閥座沿壁厚方向的溫度由內(nèi)向外逐漸升高。閥體從內(nèi)壁表面溫度-104.1℃逐漸升高到外壁表面的18.2℃，溫度差約為121.3℃，內(nèi)外壁之間存在較大的徑向溫度差。閥體在垂直方向也存在較大的溫度變化，最大溫度差約為105.1℃；閥座從內(nèi)壁表面溫度-196℃升高到外壁表面7.2℃，內(nèi)外壁徑向的最大溫度差約為203.2℃，溫度變化范圍最大。

圖3 安全閥溫度場的分布云圖

對于閥桿，在閥桿前后的對稱面上，從端部沿頭部方向取一條路徑1→2。閥桿溫度場的分析路徑及云圖如圖4所示。從閥桿端部到頭部方向，溫度逐漸升高，從底部溫度-24.4℃升到頂部約13.25℃，溫度差約為37.65℃，軸向溫度變化明顯。關(guān)閉狀態(tài)下，由于閥桿與介質(zhì)之間被閥頂及密封圈隔離開，穩(wěn)定狀態(tài)下閥桿的整體溫度相對偏高。閥桿沿路徑方向的溫度變化規(guī)律如圖5所示。閥桿端部由于直接與閥頂接觸，曲線初始段（0～14mm）呈快速上升趨勢，受安全閥頂端溫度的影響較大；14～108mm段，溫度基本趨于穩(wěn)定，因為此段閥桿在閥體中主要通過熱對流方式與空氣發(fā)生換熱，且此段受閥體及閥桿結(jié)構(gòu)尺寸的均勻影響，閥桿溫度趨于穩(wěn)定。

圖4 閥桿溫度場分析路徑及云圖

圖5 沿閥桿長度方向溫度的變化曲線

3.3 應(yīng)力場的計算結(jié)果

圖6為安全閥在低溫工況下的總應(yīng)力分布云圖。在溫度和介質(zhì)力的共同作用下，耦合熱應(yīng)力集中分布在進口接管內(nèi)壁及閥座內(nèi)壁區(qū)域。閥門受力較大區(qū)域的耦合熱應(yīng)力值約為58～148MPa，小于閥體材料的屈服強度205MPa，滿足強度要求。閥門最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥座外壁六角棱邊位置，最大應(yīng)力值為285.69MPa。該區(qū)域?qū)儆诮Y(jié)構(gòu)突變引起的局部熱應(yīng)力集中，屬于正常情況，不會影響結(jié)構(gòu)靜強度。另外，為防止低溫工況下局部集中應(yīng)力過大，在設(shè)計時應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)中存在尖角、凹槽等不連續(xù)過渡區(qū)域。

圖6 安全閥耦合應(yīng)力場的分布云圖

從以上分析可知，低溫安全閥閥體、閥座等主要零部件沿壁厚方向，存在明顯的溫度梯度變化，會引起一定的總體熱應(yīng)力，但從耦合應(yīng)力的模擬計算結(jié)果可知，其總應(yīng)力水平均較低，滿足安全閥對承壓部件的使用要求。對由溫度梯度引起二次熱應(yīng)力的其它主要部件，其應(yīng)力值雖然數(shù)值較大，但均符合PL+Pb+Q＜3Sm的規(guī)定，滿足安全閥的靜強度要求。

4 安全閥的低溫實驗

按照GB/T 29026-2012標(biāo)準(zhǔn)中的低溫實驗程序[6]，對研制的閥門樣機進行了低溫整定壓力和密封性能實驗，具體實驗裝置如圖7所示。在實驗容器的法蘭盤上安裝被測安全閥樣機，在實驗系統(tǒng)內(nèi)不斷充入液氮，系統(tǒng)內(nèi)的低溫液氮自然氣化，容器內(nèi)的壓力不斷升高并促使被測安全閥起跳。低溫安全閥經(jīng)過多次啟閉后，利用實驗前布置的各組熱電偶，監(jiān)測容器內(nèi)及閥門進口等部位的溫度。待安全閥進口處的溫度穩(wěn)定且與容器內(nèi)流體的溫度差小于30℃時，觀察并記錄安全閥的整定壓力。另外，在被測安全閥初始開啟時，暫不進行整定判定，同時被測安全閥的整定壓力實驗不得少于3次。安全閥起跳后，打開被測安全閥前端的低溫截止閥，當(dāng)實驗容器內(nèi)的壓力降到整定壓力的70%時，關(guān)閉該低溫截止閥，然后通過液氮氣閥，使實驗系統(tǒng)容器內(nèi)的壓力維持在安全閥整定壓力的90%，觀察安全閥出口的泄漏情況。具體實驗結(jié)果如表2所示，實驗過程如圖8所示。

圖7 低溫安全閥實驗裝置組成

圖8 低溫安全閥實驗過程

表2 低溫安全閥實驗結(jié)果

整個實驗過程中，安全閥的動作穩(wěn)定，無頻跳、無振顫、無卡阻等。觀察閥門進口的熱電偶，低溫實驗時閥門進口溫度約為-176.5℃，達到了整定壓力下的氮氣臨界溫度，滿足低溫實驗標(biāo)準(zhǔn)要求。對比仿真計算結(jié)果和實際的低溫實驗結(jié)果后可知，安全閥的低溫實驗溫度較仿真結(jié)果偏高。由于液氮自蒸發(fā)增壓實驗方法的局限性以及實驗現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的單一性[7]，且系統(tǒng)造價高、配套工裝復(fù)雜、實驗周期長等，因此引入仿真計算后，可以宏觀模擬閥門的低溫實驗工況或服役工況時的溫度場、結(jié)構(gòu)場等，研究其分布及傳遞規(guī)律，從而提高研發(fā)效率。

5 結(jié)論

本文運用有限元軟件，對罐箱的低溫安全閥進行溫度場和熱結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力場計算，并結(jié)合研制樣機的實際低溫實驗測試數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結(jié)論：

1）采用數(shù)值模擬方法，對閥門在設(shè)計工況下的溫度場和熱應(yīng)力場進行耦合計算，可了解溫度和熱應(yīng)力的分布情況并獲取具體的數(shù)據(jù)。通過本次有限元的模擬計算，對安全閥的溫度場和應(yīng)力場有了比較精確的了解，可為設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要的實驗數(shù)據(jù)。

2）根據(jù)有限元分析結(jié)果，對低溫安全閥進行了應(yīng)力分析及靜強度校核，結(jié)果表明，閥門的溫度應(yīng)力和機械應(yīng)力組成的耦合應(yīng)力滿足靜強度要求。

3）對安全閥樣機進行低溫實驗，結(jié)果表明在低溫狀態(tài)下，樣機的整定、密封及動作等技術(shù)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。有限元分析結(jié)果表明，引入仿真實驗，可以直觀分析低溫安全閥的溫度場、耦合應(yīng)力場的分布規(guī)律，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高研發(fā)效率。