李 康 蒲 亮 王國平 侯文輝 何 昆

(1西安交通大學能源與動力工程學院 西安 710049)

(2中國科學院高能物理研究所東莞分部 東莞 523803)

(3西安廣核閥門有限公司 西安 710021)

1 引言

隨著現代技術的發(fā)展，液氫、液氧以及液化天然氣等得到廣泛的應用。低溫液體的液化分餾、運輸和貯存都需要用到大量的低溫閥門，因此低溫閥門的用途越來越廣泛。低溫閥門工作介質的溫度在120 K以下，為了保證閥門在的安全運行，設計過程中必須考慮機械強度和傳熱的要求。

數值模擬是超低溫閥門研究和設計的一種手段，通過模擬可以對閥門的設計提出改進意見，從而減小設計和試驗的成本。利用ANSYS有限元分析軟件，金滔［1］等對所設計低溫閥門的動態(tài)傳熱過程進行模擬和分析，丁小東［2］等對所設計低溫閥門的穩(wěn)態(tài)傳熱過程了模擬和分析，都提出在閥桿部分增加絕熱層可以解決冷態(tài)試驗時填料函降至零度以下的問題。吳若菲［3］利用ANSYS軟件對通徑DN15的 LNG船用超低溫閥門進行穩(wěn)態(tài)模擬，研究了閥頸厚度、閥頸與閥桿之間間隙對填料函溫度的影響。朱立偉［4］利用ANSYS軟件對通徑為DN15的LNG超低溫球閥在低溫下的應力分布進行了模擬分析，根據應力集中情況對閥門的設計提出了改進意見。

本論文針對中國散裂中子源科研平臺系統中某通徑為DN25的液氫低溫截止閥，通過ANSYS有限元分析進行穩(wěn)態(tài)的數值模擬，計算閥門在低溫下的傳熱以及應力分布，為閥門結構優(yōu)化設計提供技術支撐。

2 模型描述

2.1 幾何模型

液氫低溫閥門為通徑DN=25 mm的低溫截止閥，閥門簡圖如圖1所示。

圖1 低溫閥門結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of cryogenic valve

2.2 模型簡化

對閥門進行有限元分析，首先需要對閥門模型進行簡化:(1)去掉手輪、防扭轉裝置和波紋管，手輪、防扭轉裝置和波紋管對閥門傳熱和應力分布的影響很小。(2)進、出口接管薄壁段加厚為管道壁厚。將焊接用的薄壁段加厚為管道厚度，閥體的模擬更加接近其工作狀態(tài)。閥門簡化后的物理計算模型見圖2。

圖2 閥門簡化后的物理計算模型Fig.2 Physical simulation model of cryogenic valve

2.3 數學模型

2.3.1 傳熱計算數學模型

閥門熱分析屬于非線性熱分析，三維穩(wěn)態(tài)導熱方程為:

自然對流:

式中:n為壁面外法線方向，h為對流傳熱系數，Tw為固體壁面溫度，Tf為周圍流體溫度。

輻射:

式中:ε為實際物體表面發(fā)射率，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，Tw為輻射面的熱力學溫度，Te為外部空間的熱力學溫度。

2.3.2 應力計算數學模型

本文的應力分析為靜應力分析，微元體的靜力平衡方程為:

式中:σ為正應力，τ為切應力，X、Y、Z分別為對應方向上的體積力。熱應力在方程中可以作為體積力。熱應力只能引起線性應變而不能產生切向應變。對于各項同性的彈性物體，熱應變如下:

式中:ε為正應變，γ為切應變，α為彈性物體線脹系數，Δt為物體溫度變化。

物體的總應變由熱應變和機械應變構成，總應變如下:

式中:E為彈性模量，μ為泊松比，ε0為熱應變［4-5］。

2.4 有限元分析建模

2.4.1 定義材料

閥門主體材料選用316不銹鋼，其物理性質見表1［3，6］。波紋管材料為 316L，填料為聚四氟乙烯。由于閥門主體為316，其它材料對閥門整體的溫度分布和應力分布影響不大，所以材料定義為單一材料。

表1 不銹鋼物性表Table 1 Physical property of stainless steel

2.4.2 邊界條件設置

(1)法蘭以下部分安放在真空罐中，表面設置為第三類邊界條件，輻射換熱，輻射發(fā)射率 ε=0.4［7］;

(2)法蘭以上部分的外表面設置為第三類邊界條件，自然對流換熱，對流傳熱系數h=10 W/(m2˙K);

(3)閥體內壁和閥瓣外壁與液氫接觸，定義為第一類邊界條件，溫度T=19.15 K，載荷P=2.5 MPa;

(4)環(huán)境溫度設為298 K。

2.4.3 接觸設置

根據閥門的安裝、焊接及工作狀態(tài)，運動部件(閥桿、閥瓣等)與靜止部件(閥體、法蘭、支架等)之間接觸的部分設為無摩擦接觸，靜止部件之間設置為固連配合，閥體進出口接管處以及法蘭上表面由于要進行焊接定位，設為固定約束。

2.4.4 網格劃分

網格劃分如圖3所示。在沒有考慮密封壓比的情況下，閥門打開工況下的應力場與閥門關閉工況下應力場區(qū)別不大，全開工況下填料函處溫度更低［3］，因此選擇閥門全開情況進行模擬。

圖3 DN25低溫閥門網格劃分(網格數量為44萬Nodes)Fig.3 Mesh of simulation valve

3 模擬結果及分析

3.1 閥門低溫下溫度場計算

從圖4和圖5可知，閥門的低溫區(qū)主要集中在與液氫接觸的閥體部分，長頸管與閥桿管存在明顯的溫度梯度，形成了很好的軸向隔熱效果。填料函下表面溫度為296 K，閥門整體漏熱量為9.210 W，其中軸向漏熱0.584 W，閥體輻射漏熱4.291 W，長頸管輻射漏熱4.335 W。

圖4 閥門低溫下的溫度分布圖(單位:K)Fig 4 Temperature distribution of cryogenic valve

圖5 長頸管(A-A’)和閥桿管(B-B’)沿軸向的溫度變化曲線Fig.5 Temperature curve of long nick pipe and stem tube with axial direction

閥門漏熱主要來源于閥體及長頸管的輻射漏熱，因此減小輻射漏熱是減小閥門整體漏熱的關鍵?？梢酝ㄟ^表面處理降低閥門表面的發(fā)射率，也可以通過包覆隔熱層的方法減少輻射漏熱，隔熱層需要對閥體及長頸管同時進行包覆。發(fā)射率降低到ε=0.08［6］，閥門整體漏熱量可減小到3.5 W，填料處溫度降低為293.75 K。

3.2 閥門低溫下的應力計算

圖6、圖7、圖8分別為只加機械載荷和只加熱載荷時閥門的位移圖和應力圖。熱載荷引起的位移量和應力值都遠大于機械載荷引起的位移量和應力值。閥門的溫度梯度沿X方向，因此閥門的熱位移主要集中在X方向。機械應力主要集中在閥桿管部分，平均為34.5 MPa，抽氣孔處存在應力集中，最大應力為82.899 MPa。熱應力主要集中在長頸管部分，平均為102 MPa，兩端存在熱應力集中，C端最大應力達151.39 MPa，D端的最大應力為112 MPa。為了保證閥門具有足夠的強度和良好的密封性，應對長頸管兩端進行結構強化，如提高焊接工藝，增加厚度等。

圖6 只加2.5 MPa機械載荷的閥門總變形圖和應力圖Fig.6 Total deformation and stress of cryogenic valve under 2.5 MPa

閥體在進出口接管部分由于受到固定約束而產生較大的應力集中，最大應力為153.61 MPa，發(fā)生在入口接管E處。閥體表面在管道變形處也出現明顯的應力集中，見圖9。

綜上分析，約束和表面變形對熱應力影響較大，且易產生熱應力集中。閥門加工和安裝時，應盡量減少表面變形和對閥門的約束。閥門安裝可在進出口接管處連接較長的緩沖段來減小閥體的約束。在有表面形狀改變的地方可以通過加工倒角或圓角的方法減小應力集中。

圖7 只加溫度載荷的閥門變形圖Fig.7 Total deformation of cryogenic valve under temperature load

圖8 只加溫度載荷的閥門應力圖(單位:MPa)Fig.8 Stress of cryogenic valve under temperature load

圖9 閥體部分熱應力圖(單位MPa)Fig.9 Thermal stress distribution of valve body

圖10為同時加機械載荷和熱載荷時閥門的總位移圖和應力圖，最大應力為153.19 MPa，小于材料的屈服強230 MPa。由于熱載荷引起的熱應力和熱位移遠大于機械載荷引起的應力和位移，因此閥門的應力和位移量主要取決于熱載荷。

圖10 同時加機械載荷和熱載荷的閥門總變形圖和應力圖Fig.10 Total deformation and stress of cryogenic valve under both mechanical load and temperature load

4 結論

本論文基于ANSYS有限元分析軟件對DN25液氫低溫截止閥進行了低溫下的有限元分析，得到了閥門的溫度和應力分布，主要結論如下。

(1)DN25液氫低溫閥門的結構設計合理。低溫下長頸管和閥桿管自下而上存在明顯的溫度梯度，填料函處溫度達到設計要求，閥門最大應力小于材料許用應力。

(2)閥門漏熱主要來自閥體和長頸管的輻射漏熱。通過降低閥體表面的發(fā)射率可大大降低漏熱量。

(3)閥門所受應力主要來自低溫下的熱應力。長頸管應力較大，且兩端存在明顯的應力集中。閥桿管主要受到沿軸向的機械應力，且在抽氣孔處產生應力集中。閥體進出口接管處由于受到約束也存在應力集中。

(4)表面形狀變化和約束會產生熱應力集中。閥門安裝可在進出口接管處連接較長的緩沖段，盡量減小對閥體的約束。在有表面形狀改變的地方可以通過加工倒角或圓角的方法減小應力集中。

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3 吳若菲，柳建華，吳堂榮，等.基于ANSYS的LNG船用超低溫閥門的數值模擬分析［J］.低溫工程，2010(1):43-47.Wu Ruofei，Liu Jianhua，Wu Tangrong，et al.Numerical simulation of cryogenic valve used in LNG carrier［J］.Cryogenics，2010(1):43-47.

4 朱立偉，柳建華，張良，等.LNG船用超低溫球閥的低溫應力分析及數值模擬［J］.低溫與超導，2010(5):11-14.Zhu Liwei，Liu Jianhua，Zhang Liang，et al.Numerical simulation of stress and tightness of cryogenic valve used in LNG carrier［J］.Cryogenics and Superconduction，2010(5):11-14.

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6 閻守勝，陸果.低溫物理實驗的原理與方法［M］.北京:科學出版社，1985.Yan Shousheng，Lu Guo.Experimental Principle and Techniques in Low-Temperature Physics［M］.Beijing:Science Press，1985.

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