分析了低溫閥內部介質溫度變化對填料函填料處密封的影響，通過假設對閥蓋模型簡化建模，利用AN-SYS對模型進行傳熱學分析，得出不同長頸閥蓋頸部長度所對應的填料函底部溫度值的對應關系，并對模擬計算的長頸閥蓋頸部長度值與其它標準規范及手冊中所規定的數值進行對比分析，最終總結出影響長頸閥蓋頸部長度數值的主要因素。

1、引言

　　低溫閥門是石油化工、空氣分離、天然氣、制冷和低溫工程上不可缺少的重要設備之一。一般認為，工作溫度低于−29ºС的閥門稱為“低溫閥門”，工作溫度小于−100ºС的閥門，稱為“超低溫閥門”。在設計超低溫閥門時，除了應遵循一般閥門的設計原則外，還有一些特殊的要求。其中極其重要的一點就是要求閥門的結構保證填料函底部在0ºС以上的溫度環境下工作。

　　填料的密封性是低溫閥的關鍵所在。閥門在低溫狀態下，首先是填料產生冷脆，密封性能下降，接著，由于低溫介質滲漏，在填料與閥桿處產生凝露而結冰，造成填料損壞，在閥桿上下移動時填料將閥桿劃傷，引起嚴重泄漏，所以必須保證填料函底部溫度達到0ºС以上，避免在填料處結冰。

　　目前國內外普遍采用長頸閥蓋結構，使填料函離低溫介質盡量遠些，起到保護填料的功能。目前，國內外關于研究低溫閥頸部伸長量的相關文獻較少，已發表的文獻對低溫閥頸部伸長量的探討還存在一定的局限性。

　　本文通過傳熱學理論，借助ANSYS軟件，對工作介質溫度為−196ºС的超低溫閥門閥蓋頸部結構參數進行有限元分析，為低溫閥的產品設計計算提供有意義的參考。本文以DN40−150Lb的低溫球閥為例(下同)對閥蓋頸部長度進行分析。

2、模型建立

　　低溫閥設計時要遵循以下兩個原則：

　　(1)閥門在不應成為低溫系統的一個顯著熱源，這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內部流體急速蒸發，產生異常升壓，造成危險。

　　(2)低溫介質不應對手輪操作、填料密封性能產生有害的影響。

　　針對以上兩個原則要求低溫閥門在使用時要對閥體及填料函以下部分進行保冷處理;閥蓋頸部為加長型設計，以便使填料函底部的溫度高于0ºС。

2.1、問題的提出

　　(1)低溫閥閥蓋頸部長度的規定值差異較大

　　標準規范或手冊中對低溫閥閥蓋頸部長度的定數值不同且相差較大。

　　以DN40−150Lb的低溫球閥為例，標準或手冊中閥蓋頸部長度數值見表1。

表1 標準和手冊中規定的閥蓋頸部長度表

　　(2)有無保冷層對低溫閥閥蓋頸部長度值影響分析

　　根據低溫閥設計準則“閥門在不應成為低溫系統的一個顯著熱源”這條原則，低溫閥設計應考慮保冷情況下的影響。那么有保冷層和無保冷層對填料函底部溫度影響究竟有多大，本文將就此問題進行分析。

　　(3)保冷層的長度對低溫閥閥蓋頸部長度值影響較大。

　　對應非冷箱用的低溫閥以及無滴水盤的低溫閥，保冷層究竟要包到那個部位，現階段仍沒有定論，本文通過舉例來對此問題進行分析。

　　由于本文研究的主要是長頸閥蓋頸部長度對填料函底部溫度的影響，因此對模型進行簡化處理，只分析閥蓋、閥桿及填料部分，再輔以邊界條件來模擬實際的工況，以便確定閥蓋頸部的長度。由于通過公式推導計算較為復雜，且無法較為全面地考慮影響因素，本文通過ANSYS軟件的傳熱學分析功能對模型進行分析，并施加合適的邊界條件，可較方便地求解閥蓋頸部長度的數值。

2.2、基本假設

　　本文通過對長頸閥蓋采用保冷處理和不保冷處理兩種假設進行對比分析，以便分析出保冷處理對閥蓋長度的影響。

　　為便于數值計算，本文假設見表2：

表2 基本假設

2.3、模型建立

　　簡化后的閥蓋、閥桿組件模型如圖1、圖2所示。

圖1 帶保冷的閥蓋、閥桿模型

圖2 不帶保冷的閥蓋、閥桿模型

2.4、邊界條件施加

　　熱量的傳遞主要是通過傳導、對流和輻射三種方式來進行的。模型的邊界條件見表3。

表3 邊界條件

3、模擬結果及分析

3.1、傳熱學分析

　　利用ANSYS軟件對模型進行網格劃分，然后進行穩態熱分析計算。對帶保冷和不帶保冷兩種模型取不同的L值進行熱分析，得出填料函底部溫度值，并對計算結果進行對比分析。其主要計算參數設置見表4。

表4 熱分析計算參數表

　　計算結果如圖3、圖4(以L=250mm為例)所示，分析結果見表5。

圖3 不帶保冷，L=250mm

圖4 帶保冷，L=250mm

表5 填料底部溫度計算結果

3.2、結果分析

　　從計算結果可以看出，對于不保冷的情況閥蓋頸部長度為200mm時填料底部的溫度已經滿足大于0ºС的條件，而有保冷的情況在閥蓋頸部長度為250mm時為0.0014ºС已滿足填料函底部的溫度大于0ºС的條件。因此長頸閥蓋有保冷和沒有保冷的情況下填料底部溫度相差較大。

　　由于建模時假設保冷層到填料底部，由于保冷材料的導熱系數較小，因此溫度沿閥桿軸向變化較慢，為了使溫度沿閥桿軸向變化相對快一些，可適當減小保冷長度。以L=250mm為例來分析不同保冷長度的情況下填料函底部溫度值，以便來探討最適合的保冷長度。圖5為保冷長度為L2/3時填料函底部的溫度計算結果，具體計算數據見表6。

圖5 保冷長度L2/3

表6 不同保冷長度下對應填料函底部溫度

　　保冷長度與填料函底部溫度變化關系見圖6。

圖6 保冷長度與填料函底部溫度關系曲線

　　材料的導熱系數與材料特性和溫度有關，如果溫差較大，同種材料的導熱系數變化也較大。本文中所分析的不銹鋼零件取20ºС時的導熱系數15.2W/(m·ºС)進行計算，而在−196ºС時不銹鋼零件的導熱系數為7.9W/(m·ºС)，因此本文模擬出來的閥蓋長度是偏長的，在這種情況下殼牌規范MESCSPE77/200和英國標準BS6364−1998填料函底部溫度已經大于0ºС，考慮到導熱系數選取偏安全的原因，可以判斷標準中規定的L值是足夠安全的。在這種情況下，手冊中規定的L值不能滿足填料底部溫度大于0ºС的要求。

　　下面取−196ºС時的導熱系數為7.9W/(m·ºС)，L=160mm為例進行建模分析在導熱系數最小的情況下手冊中規定的L值是否能滿足填料函底部溫度大于0ºС的要求。分析的結果見圖7，填料底部的溫度為−4.091ºС。

圖7 帶保冷，L=160mm

　　因此通過上面兩種情況下的分析結果可以看出：在取最大和最小導熱系數的情況下，手冊中所給L值都不能滿足填料函底部溫度大于0ºС的要求，因此手冊中規定的閥蓋頸部長度L值是不夠的。

4、結論

　　(1)對于本文分析的DN40−150Lb超低溫球閥，殼牌規范MESCSPE77/200和英國標準BS6364−1998中規定的閥蓋頸部長度是較安全的;實用閥門設計手冊和閥門設計手冊中規定的閥蓋頸部長度有待進一步考證。

　　其它型號規格的閥門在長頸閥蓋設計時，可參考本文的方法來進行驗證。

　　(2)帶保冷結構比不帶保冷的結構填料底部的溫度相差較大。

　　對于長期在低溫環境下工作的低溫閥門長頸閥蓋部分不做保冷處理的情況，是應該禁止的，因此在低溫閥尤其是超低溫閥門設計時，應充分考慮保冷對閥桿頸部長度所帶來的影響。

　　(3)選擇適當的保冷層長度即可保證閥門在不應成為低溫系統的一個顯著熱源，沿閥桿方向溫度變化梯度不宜過大的設計原則，又可以保證填料函底部溫度大于0ºС的條件。另外，需要指出的是，在閥蓋頸部有保冷層的情況下，成為顯著散熱部位的為露出保冷層部分的零件，包括閥桿直徑、閥桿露出填料部分的長度以及閥蓋接盤的大小。因此，這些零部件的尺寸也是影響閥蓋頸部長度不可忽略的因素。