LNG深冷調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)強度及閥桿振動分析

王 寧1，王若凡1，馮 浩2，諶傳江2，顏炳良2，蘇君輝2

（1.國家石油天然氣管網(wǎng)集團有限公司 深圳液化天然氣項目經(jīng)理部，深圳 518000；2.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

近年來，中國LNG進口市場持續(xù)擴大，LNG在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將進一步增加。作為工藝管道上末端動作裝置的LNG接收站用深冷調(diào)節(jié)閥，其安全性和可靠性關(guān)系整個接收站的穩(wěn)定運行和控制，一旦閥門發(fā)生外漏，LNG介質(zhì)所具有的低溫、易燃、易爆等特性將會對現(xiàn)場人員和設(shè)備造成不利影響。因此，開展LNG深冷溫調(diào)節(jié)閥承壓件結(jié)構(gòu)強度的分析及其細長閥桿振動情況的研究，對閥門設(shè)計安全性提升意義重大。

劉金梁等[1]建立了核級閥門的數(shù)學(xué)模型，采用有限元法進行閥門強度校核，并與理論計算結(jié)果進行了比較；王雯等[2]針對單座式調(diào)節(jié)閥閥芯閥桿系統(tǒng)，研究了其流固耦合振動問題；張小斌等[3]研究某氣體管道閥門小開度工況下的管路振動問題，采用模態(tài)計算和流場模擬的方法進行了管道振動分析。此外，申永康等[4]對大型攔污柵結(jié)構(gòu)進行了液固耦合流激振動分析研究；李樹勛等[5]對高壓降套筒式蒸汽疏水閥進行了振動特性研究。

本文針對LNG接收站某工位深冷調(diào)節(jié)閥，運用ANSYS軟件，首先根據(jù)其殼體強度試驗工況進行了結(jié)構(gòu)強度分析，對受力作用的部件進行應(yīng)力評定和強度校核，保證閥門結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。同時，鑒于深冷調(diào)節(jié)閥特殊的細長閥桿結(jié)構(gòu)，分析了流體瞬態(tài)沖擊以及閥門帶載振動對細長閥桿的影響，從而對閥桿振動情況進行深入研究。

1 LNG深冷調(diào)節(jié)閥分析模型

1.1 工況參數(shù)

LNG深冷調(diào)節(jié)閥規(guī)格及工況參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計及工況參數(shù)Table 1 Design and working condition parameters

LNG深冷調(diào)節(jié)閥主要部件包括：閥體、伸長上閥蓋、閥內(nèi)套筒、閥塞部件等，根據(jù)《ASME BPVC SECT. Ⅱ Part D, 2015 ED》[6]查詢其主要零部件的材質(zhì)物理參數(shù)見表2。

表2 主要零部件材料物理性能參數(shù)Table 2 Physical performance parameters of main parts and materials

1.2 三維模型

在不影響分析結(jié)果的前提下，對閥門實物的細微特征進行適當簡化，建立其三維幾何模型。由于閥門模型關(guān)于中心面對稱，考慮到分析計算的高效性，采用一半模型進行仿真計算，閥門的三維實體模型如圖1。

圖1 LNG深冷調(diào)節(jié)閥三維實體模型Fig.1 Three dimensional solid model of LNG cryogenic control valve

2 LNG深冷調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)強度分析

2.1 承壓部件網(wǎng)格劃分

將所建立的閥門承壓部件（閥體、上閥蓋）三維實體模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和局部網(wǎng)格控制技術(shù)劃分網(wǎng)格。為選擇最優(yōu)的網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量，以閥體模型為例，進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗見表3。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Table 3 Grid independence verification

為在保證求解精度的基礎(chǔ)上節(jié)約計算成本，閥體選用網(wǎng)格數(shù)為48217的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，具體的閥體和上閥蓋網(wǎng)格模型如圖2。

圖2 閥體和上閥蓋結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格模型Fig.2 Structural analysis grid model of valve body and upper bonnet

2.2 強度試驗工況應(yīng)力分析

在殼體強度試驗時，閥門進出端均封堵，閥腔內(nèi)介質(zhì)壓力為閥門公稱壓力的1.5倍，是閥門受壓最為嚴苛的工況，故以此工況進行結(jié)構(gòu)強度分析。對閥體兩端法蘭面施加固定約束，施加豎直向下的重力加速度，對所有承壓表面施加壓力16.5MPa，上閥蓋受到的單個螺栓載荷7.2×104N。

承壓件應(yīng)力分析結(jié)果如圖3，閥體所受最大應(yīng)力為370.11MPa，出現(xiàn)在閥體進口流道內(nèi)腔面上；上閥蓋所受最大應(yīng)力為281.86MPa，出現(xiàn)在上閥蓋底面凸臺根部。

圖3 閥體、上閥蓋強度試驗工況等效應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud chart of equivalent forces under strength test conditions of valve body and upper bonnet

根據(jù)等效應(yīng)力分析結(jié)果可知，最大等效應(yīng)力值超出了CF8M材料的許用應(yīng)力值138MPa，按照《ASME BPVC SECT. VIII -II,2017 ED》標準第5篇按分析設(shè)計要求中第5.15節(jié)的相關(guān)判定規(guī)則[7,8]，對局部超應(yīng)力部位進行應(yīng)力強度評定，具體評定結(jié)果見表4、表5。

表4 閥體應(yīng)力強度評定結(jié)果Table 4 Evaluation results of valve body stress intensity

表5 上閥蓋應(yīng)力強度評定結(jié)果Table 5 Evaluation results of stress intensity of upper bonnet

以閥體零件為例，圖4為閥體最大應(yīng)力處的線性化評定圖，對由點1至點2路徑進行應(yīng)力評定，等效線性化評定線如圖5。閥體應(yīng)力評定線的薄膜應(yīng)力沿壁厚方向均勻分布，為183.37MPa；彎曲應(yīng)力中間位置為0MPa，由中間向兩邊逐漸增大，且呈對稱變化，內(nèi)外壁的應(yīng)力最大值為160.2MPa；薄膜加彎曲應(yīng)力由閥體內(nèi)壁到外壁逐漸降低，在內(nèi)壁面出現(xiàn)最大應(yīng)力值，為343.53MPa。根據(jù)閥體和上閥蓋應(yīng)力評定結(jié)果，其結(jié)構(gòu)強度均滿足要求。

圖4 閥體最大應(yīng)力處等效應(yīng)力線性化云圖Fig.4 Linearized cloud chart of equivalent stress at the maximum stress of valve body

圖5 閥體最大應(yīng)力處等效應(yīng)力線性化評定數(shù)據(jù)圖Fig.5 Linearization evaluation data chart of equivalent force at the maximum stress of valve body

3 LNG深冷調(diào)節(jié)閥流場模擬分析

3.1 流道模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)之前建立的閥門三維實體模型，在ANSYS軟件中反向建模，生成閥門正常開度工況下內(nèi)腔所形成的三維流體域模型，模型如圖6。

圖6 LNG深冷調(diào)節(jié)閥三維流體域模型Fig.6 Three dimensional fluid domain model of LNG cryogenic control valve

流體域模型網(wǎng)格劃分主要采用四面體網(wǎng)格，閥內(nèi)件節(jié)流流路區(qū)域局部采用六面體網(wǎng)格控制，以提高計算精度。以穩(wěn)態(tài)流場模擬進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，根據(jù)閥門出口端、進口端的相關(guān)求解結(jié)果值，作為判斷網(wǎng)格適應(yīng)性的依據(jù)，見表6。

表6 流體域網(wǎng)格無關(guān)性檢驗數(shù)據(jù)Table 6 Fluid domain grid independence test data

同樣在保證求解精度的基礎(chǔ)上節(jié)約計算成本，采用611520網(wǎng)格數(shù)的流體域網(wǎng)格模型作為研究閥門的流場仿真模型，具體網(wǎng)格模型如圖7。

圖7 LNG深冷調(diào)節(jié)閥流體域網(wǎng)格模型Fig.7 Fluid domain grid model of LNG cryogenic control valve

3.2 流場瞬態(tài)分析

非定常流場的研究大多應(yīng)用在泵和水輪機上[9,10]，本文針對細長閥桿在流體作用下的易受損害和擾動的情況，對LNG深冷調(diào)節(jié)閥設(shè)計的常用工況，即閥塞處于52%開度時的閥門內(nèi)部流場進行瞬態(tài)分析。

入口設(shè)置總壓0.9316MPa，出口為靜壓0.8733MPa；壁面邊界采用標準壁面函數(shù)；介質(zhì)為-162℃LNG，粘度為0.000133Pa.s，介質(zhì)密度為453.3kg/m3；時間步長設(shè)置為5×10-4s，時間步數(shù)量為1×103步。

LNG深冷調(diào)節(jié)閥52%開度0.5s時刻流場云圖，研究閥門正常開度時流體流動特性，如圖8。

圖8 LNG深冷調(diào)節(jié)閥52%開度0.5s時刻云圖分布Fig.8 Cloud chart distribution at 52% opening 0.5s of LNG cryogenic control valve

由圖8可知：介質(zhì)流經(jīng)閥門內(nèi)腔時，進口端至套筒節(jié)流之前的區(qū)域壓力最大，節(jié)流后介質(zhì)壓力逐漸減小，且壓力減小朝出口端方向逐漸趨于平緩；流速最大區(qū)域位于套筒窗口節(jié)流處，流速最小區(qū)域位于上閥蓋頸部與閥桿之間的空隙處；最小湍動能也分布在閥門節(jié)流前區(qū)域、上閥蓋頸部與閥桿之間的空隙處。因此，在閥塞和上閥蓋之間區(qū)域形成數(shù)量較多的小型旋渦，在下套筒內(nèi)部至閥門出口形成有少量較大型的旋渦。根據(jù)流速最小和湍動能最小的情況可判斷，上閥蓋頸部與閥桿之間的縫隙處流體流動非常緩慢。可知，閥桿周圍的流體幾乎處于靜止狀態(tài)，介質(zhì)對細長閥桿上端并無擾動作用。

4 LNG深冷調(diào)節(jié)閥模態(tài)分析

目前，對閥門固有頻率的研究大多是基于固體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，即干模態(tài)的方法[11-14]，并沒有考慮流固耦合[17]作用對閥門模態(tài)的影響，而介質(zhì)流動作用下閥門的濕模態(tài)和空載狀態(tài)的干模態(tài)是明顯有所區(qū)別的。因此，針對LNG深冷調(diào)節(jié)閥細長閥桿振動問題，開展閥門整體的流固耦合分析，再在耦合基礎(chǔ)上進行閥塞、閥桿組件部件的模態(tài)分析。

4.1 流固耦合模態(tài)分析流程

1）根據(jù)閥門實體模型反向建模生成內(nèi)部流域模型，建立固體耦合面和流體耦合面。為確保流場求解信息向固體結(jié)構(gòu)傳遞的準確性，兩個耦合面必須完全對應(yīng)，進而完成流固耦合模態(tài)分析前的邊界條件加載，各耦合面如圖9。

圖9 LNG深冷調(diào)節(jié)閥流固耦合面Fig.9 Fluid solid coupling surface of LNG cryogenic control valve

2）根據(jù)建立的閥腔內(nèi)部流域模型，進行其網(wǎng)格劃分，邊界條件、求解方式設(shè)置，首先進行介質(zhì)穩(wěn)態(tài)流場的分析求解。

3）對建立的閥門實體模型進行材料屬性、網(wǎng)格劃分、約束條件設(shè)置，并將流場求解得到的流體壓力值作為邊界條件加載到靜力場，進行流固耦合的靜力場求解。

4）將流固耦合的靜力場分析結(jié)果信息導(dǎo)入到模態(tài)分析模塊，針對調(diào)節(jié)閥閥塞和閥桿部分模型，進行濕模態(tài)分析。

4.2 固體域網(wǎng)格劃分

穩(wěn)態(tài)流場計算求解后，將耦合面上的流體壓力結(jié)果導(dǎo)入靜力場中，在流固耦合的結(jié)構(gòu)計算中同樣根據(jù)表2進行材料屬性參數(shù)設(shè)置，整個調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)具體的網(wǎng)格模型如圖10。

圖10 LNG深冷調(diào)節(jié)閥固體域網(wǎng)格模型Fig.10 Grid model of LNG cryogenic control valve solid area

4.3 流固耦合邊界設(shè)置

根據(jù)LNG深冷調(diào)節(jié)閥的裝配關(guān)系進行各零部件之間的接觸設(shè)置，整體結(jié)構(gòu)均施加豎直向下的重力加速度，閥體兩法蘭端面施加位移約束，導(dǎo)入流場計算得到的作用在閥內(nèi)腔表面各處的流體壓力，流固耦合邊界如圖11。

圖11 LNG深冷調(diào)節(jié)閥流固耦合邊界Fig.11 Fluid solid coupling boundary of LNG cryogenic control valve

4.4 模態(tài)分析

針對LNG深冷調(diào)節(jié)閥的閥塞、閥桿部件，考慮閥門正常開度工況下流固耦合作用（流體壓力）影響的濕模態(tài)頻率分析。由于閥門在正常工作環(huán)境，以及各個工況下均不會受到高頻振動的激勵，故只需進行閥塞、閥桿部件前6階結(jié)構(gòu)模態(tài)的仿真分析。

LNG深冷調(diào)節(jié)閥的閥塞、閥桿部件第一、二階模態(tài)振型云圖如圖12。

由圖12可知：閥桿一、二階模態(tài)振型的最大變形位置均在閥桿頂部，其余各階振動頻率隨階數(shù)增大而增大，LNG深冷調(diào)節(jié)閥的前6階模態(tài)頻率，見表7。

表7 LNG深冷調(diào)節(jié)閥閥塞和閥桿組件模態(tài)頻率（Hz）Table 7 Modal frequency of valve plug and stem assembly of LNG cryogenic control valve (Hz)

圖12 調(diào)節(jié)閥52%開度閥塞部件模態(tài)振型Fig.12 Modal mode of 52% opening valve plug of regulating valve

由表7可知：調(diào)節(jié)閥閥塞和閥桿的固有頻率隨著模態(tài)階數(shù)的增大，調(diào)節(jié)閥模態(tài)頻率均呈遞增趨勢；前六階模態(tài)頻率均大于33Hz，在工作中受到其它環(huán)境激勵時，不易發(fā)生共振。

5 結(jié)論

本文針對LNG接收站DN250 Class600深冷調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)強度和細長閥桿的振動問題，建立了閥門結(jié)構(gòu)實體和閥內(nèi)腔流體域的三維模型，基于強度試驗工況下的應(yīng)力應(yīng)變計算、閥門正常開度瞬態(tài)流場數(shù)值模擬和流固耦合模態(tài)分析，對其可靠性和振動特性進行了深入研究，得出以下結(jié)論：

1）對DN250 Class600深冷調(diào)節(jié)閥承壓元件進行強度分析，計算得到閥體最大應(yīng)力為370.11MPa，上閥蓋最大應(yīng)力281.86MPa。根據(jù)相關(guān)標準對承壓邊界部件進行應(yīng)力評定和強度校核，閥體、閥蓋均滿足強度要求。

2）調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場流速最小和湍動能最小區(qū)域均分布在上閥蓋頸部與閥桿之間的空隙處，細長閥桿上端附近的流體流動非常緩慢，幾乎處于靜止狀態(tài)，閥桿不會受其擾動發(fā)生振動。

3）通過考慮流固耦合作用的濕模態(tài)分析，閥塞、閥桿部件一階固有頻率為127.9Hz，各階振動頻率依次增大。由于各階模態(tài)頻率均大于33Hz，不易在工作中發(fā)生共振。