LNG船用超低溫球閥的低溫應力分析及數值模擬

2013-07-08 朱立偉上海理工大學制冷技術研究所

　　應用有限元分析軟件分別對通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥在超低溫條件下的應力進行分析。研究了球閥的閥桿、閥頸、閥蓋等部件的應力在低溫下的數值。研究結果顯示出了球閥在低溫下的應力集中部位，并提出了改進措施。為超低溫球閥的結構設計提供了理論指導。

1、前言

　　LNG作為一種清潔、高效的能源，其在能源供應中的比例，以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業之一。近年來全球LNG的生產和貿易日趨活躍，LNG已成為稀缺清潔資源，正在成為世界油氣工業新的熱點。在中國，盡管還沒有形成規模，但是LNG的特點決定LNG發展非常迅速。可以預見，在未來10～20年的時間內，LNG將成為中國天然氣市場的主力軍。2007年中國進口291萬噸LNG，2007年進口量是2006年進口量的3倍多。2008年1)11月中國液化天然氣進口總量為3,141,475噸，比2007年同期增長18.14%。2008年4月3日，由中船集團公司所屬滬東中華造船集團有限公司自主建造的我國第一艘LNG船成功交付，標志著我國基本掌握了世界造船尖端技術，打破了國外在該領域的壟斷局面。隨著LNG工業的發展以及我國自主研發LNG船的成功，我國開始對船用作LNG超低溫閥門進行了自主研發。

　　超低溫閥門在使用過程中，閥門通道內處于冷端溫度(約77K)，因此相對于常溫閥門來說，由于相互接觸的不同結構體或同一結構體的不同部分之間的熱膨脹系數不匹配，在冷卻或加熱時彼此的收縮或膨脹程度不一致，從而導致熱應力的產生。超低溫閥門的閥體溫度比較低，閥蓋以上部分的溫度比較高，同時不銹鋼線性膨脹系數在高溫和低溫下的差異性，對閥門內熱應力的影響比較明顯。

　　本文采用ANSYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺對通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥進行低溫下結構應力分析，從而判定所設計的閥門結構是否合理。

2、熱力學原理

　　眾所周知，物體的變形不僅僅是由于外力引起的，也可能由溫度的變化引起。對不均質物體來說，當物體由具有不同膨脹系數的材料構成時，物體被加熱或冷卻時，物體內部受到約束會產生熱應力。

圖1 作用于物體內某點上的應力

　　圖1為受力微元六面體，當溫度發生變化時，微元體發生變化，產生熱應力。其應變為兩部分組成，一部分是由于溫度變化所引起的，另一部分是由應力引起的。從材料力學可知，微元體在三向應力狀態下的虎克定律的形式如下：

　　物體受到熱脹冷縮與受拉、壓作用下的彈性伸縮極其相似，在彈性極限內，當作用力消失時物體能恢復原狀而無殘余變形以及物體的變形與受力大小成正比，這種現象在熱變形過程中也同樣存在，在一定條件下，熱變形也存在線性的關系。本文進行的熱應力分析屬于靜態熱應力分析，設X，Y，Z為體積力分量時，微元體的靜力平衡方程為：

　　上述的微分方程組是求解平面問題靜態熱應力(包括機械應力)的基礎。

3、應力分析模型

3.1、幾何建模

　　首先對模型進行了簡化，將閥瓣去掉，對連座閥體、右閥體、長頸閥蓋、閥桿、填料函部件之間進行建模和裝配，由于填料函為柔性石墨，填料函與長頸閥蓋之間應力較小，進行粘合處理，不考慮這些部件之間的接觸問題，見圖2。

1.閥體; 2.連座閥體; 3.長頸閥蓋; 4.閥桿; 5.填料函

圖2 DN15超低溫球閥裝配圖

圖3 DN15超低溫球閥幾何模型

3.2、有限元模型建模

　　(1)分析采用ansys的耦合單元，整個熱分析模型由三種材料構成，主體材料為316L不銹鋼，閥桿材料為17-4PH不銹鋼，填料材料石墨。

　　(2)定義材料的性能參數(由于主體材料為316L不銹鋼，其余材料對分析不產生影響，故只需設置單一材料性能參數)，材料參數見表1。

表1 316L不銹鋼低溫物性表

　　(3)網格劃分，由于模型不規則，采用自由網格和手動網格結合的方式對模型進行網格劃分，如下圖4所示。

圖4 DN15超低溫球閥劃分網格

　　(4)建立接觸單元，連座閥體和右閥體建立接觸對，長頸閥蓋與連座閥體以及右閥體建立接觸對，閥桿與填料函建立接觸對。

　　(5)定義邊界條件和載荷條件，選擇穩態求解，設置參考溫度為298K。流道內表面施加77K的溫度為第一類邊界條件。閥門外表面設置環境溫度為298K的自然對流換熱為第二類邊界條件，換熱系數為h=10W/m2.K。由于所建模型為1/2的對稱模型，在對稱面上施加絕熱條件。設置閥門的對稱面為對稱位移約束，在閥門兩端面上的Y方向和Z方向上設置位移為0的約束，X方向上不設置約束，閥門流道內設置壓力為1MPa的介質壓力。

　　(6)進行求解。

4、應力分析

4.1、閥門整體應力

圖5 DN15超低溫球閥溫度分布圖

　　圖5所示的是計算后的閥門溫度分布，低溫區域主要集中在和低溫液體接觸的內部閥體部分，由閥體到閥桿向上，溫度梯度明顯，同時也會產生溫度應力集中的區域。

圖6 DN15超低溫球閥綜合應力分布圖

　　圖6所示的是閥門的綜合應力，低溫閥門處于低溫下時，會產生變形位移，圖7的位移圖可以看出最大的位移量為0.137毫米，而在兩端面設置了位移約束，則必然會產生應力集中，超出了材料的屈服強度(即灰色區域)。所以建議對于低溫閥門的兩端設置較長的緩沖管路，以減少由于溫度梯度而產生的應力集中，破壞閥門材料。

圖7 DN15超低溫球閥應力X方向位移

4.2、閥門關鍵部件應力

圖8 長頸閥蓋米澤斯綜合應力分布圖

圖9 閥桿米澤斯綜合應力分布圖

　　熱載荷和機械載荷同時作用時，閥門的主體均在正常應力范圍之內，不會超過材料的屈服強度(210MPa)，當逐個分析閥門部件時，觀察發現局部應力雖然不會超過材料許可應力的范圍，但也可能產生材料的疲勞強度破壞，如圖8和圖9所示的閥蓋和閥桿應力，在圖上標出的部分，產生了應力集中現象，最大處達到了712MPa。需要指出的是，由于閥桿和閥頸是溫度分布梯度最大的部件，而且閥桿的不停開關也容易產生疲勞破壞，故需要在應力集中處進行加強措施，最為通常的做法是在應力集中處圓角或倒角，從而避免因溫度而造成的材料破壞。