超低温球阀流热固耦合仿真分析.pdf

作者简介:苏荆攀()男浙江温州人正高级工程师从事阀门研发工作文章编号:()超低温球阀流热固耦合仿真分析苏荆攀李永喜王 丽李华贵黄美林项光武孙希望章苗苗黄家巧(.浙江石化阀门有限公司浙江 温州.浙江理工大学浙江 杭州)摘要 超低温球阀广泛应用在 输送等低温工程领域 本文对 领域的超低温球阀进行了流热固耦合仿真试验对超低温球阀的温度和应力进行分析 结果发现:超低温球阀从阀盖底部法兰往下温度都非常低阀体、阀盖、阀杆、球体、阀座上结构发生突变的位置容易产生应力集中阀体、球体、阀座等内表面上的等效应力要大于外表面关键词 超低温球阀流热固耦合温度场应力场中图分类号:文献标志码:(.):.:概述液化天然气(简称)因其安全可靠、清洁环保、经济高效、输送灵活等特点被广泛地应用于人们日常生活和各种工业生产中 而超低温球阀是 运输管路系统中不可缺少的组成部分主要用于控制 介质在管道中的通断 一个大型 项目中使用的低温阀门数量能够达到上万台占阀门总数的 左右 在天然气输送过程中阀门的工作温度通常在 以下由于金属材料在超低温环境下易发生低温冷脆现象影响阀门的性能和安全当阀门零部件的综合力学性能、强度达不到使用要求时会造成壳体及密封面的外漏或内漏 因此研究超低温球阀在低温环境下的温度场和应力场是十分必要的 对应用在 输送领域中的超低温球阀进行流热固耦合计算、失效分析和结构优化对工程具有重要的指导意义 物理模型和数值模拟方法 超低温球阀物理模型计算所采用的超低温球阀三维结构如图 所示 超低温球阀主要由支架、阀杆、加长阀盖、球体、阀体、前后阀座以及连接件、密封件等构成 在超低温球阀承压部件选材时多采用奥氏体不锈钢材料其低温环境下变形小没有明显的低温冷脆临界温阀 门 年第 期度即使是在 以下仍能保持较高的韧性常见材料如、等图 超低温球阀三维结构示意图 计算设置考虑输送管道为普通绝热管超低温球阀以及输送管道外表面均被绝热结构覆盖表面的冷量损失非常小 针对 流量 /的情况对超低温球阀进行流热固耦合设计将 流场计算得到的温度、压力结果作为温度、压力载荷施加到超低温球阀的内表面对其进行结构温度场计算和应力场计算 结果讨论图 为超低温球阀的温度场分布 在 输送过程中输送管道和球阀阀体以及阀盖底部法兰以下的部位均被隔热层覆盖与外界空气几乎没有热量交换所以超低温球阀从阀盖底部法兰往下温度较低始终保持在 左右 阀盖的底部法兰往上的部位直接暴露在环境中从阀盖的加长部位开始越往上超低温球阀的温度越高 阀杆填料位置的温度大约在 之间低温密封材料应该具有良好的低温回弹性能因此填料可以采用不锈钢带填充石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨等材料其中以柔性石墨与不锈钢绕制而成的缠绕式垫片的低温密封效果最好图 超低温球阀整体温度云图图 为超低温球阀阀体结构的等效应力云图阀体的上下游管道内的 介质对内表面施加了压应力因此阀体上下游管道内表面的等效应力较高 由于整个阀体都包裹在保温隔热层中阀体外表面的冷量损失不大阀体内外表面的温差较小说明阀体上的热应力贡献不明显 阀体表面的最大等效应力为 出现在阀体内表面与后阀座配合的直角阶梯位置一方面是由于 介质流动时会对浮动球阀、后阀座施加比较大的推力另一方面此处由于结构突变引起了应力集中但不会影响阀体整体的结构静强度图 阀体等效应力云图图 中阀体上的路径 和图 中阀体路径 上的最大应力数据如表 所示 路径 上的最大“薄膜应力 弯曲应力”仅有 远非图 中的 图 线性化路径 示意图表 阀体线性化路径 和 上的最大应力数据最大应力路径 路径 薄膜应力/弯曲应力/薄膜应力 弯曲应力/图 为超低温球阀阀盖内外表面等效应力云图 阀盖与阀杆、填料等相互配合的直角阶梯位置由于结构发生了尖锐突变出现了几处应力集中现象阀盖上的最大等效应力也出现在了发生应力集中的位置 由于阀盖的加长部分与底部法兰连接位置的温差比较大此处产生了比较大的热应力 阀盖厚度方向上的最大应力数据如表 所示在两条路径上阀盖厚度方向上的最大“薄膜应力 弯曲应力”分别为 和 图 为超低温球阀阀杆的等效应力分布云图阀杆的最大等效应力出现在靠近底部的直角阶梯 年第 期阀 门处最大等效应力为 此处最大等效应力出现的原因是因为温度变化过于剧烈和直角阶梯产生应力集中 除了应力集中位置加长阀杆其余地方的等效应力几乎都在 以下图 阀盖等效应力云图表 阀体线性化路径 和 上的最大应力数据最大应力路径 路径 薄膜应力/弯曲应力/薄膜应力 弯曲应力/图 阀杆等效应力分布图 为超低温球阀球体的等效应力分布云图球体内表面的等效应力明显要比外表面的等效应力大一些 从仰视视角中发现球体的最大等效应力出现在球体底部与下阀杆轴配合的表面上 图 和图 分别为超低温球阀前阀座和后阀座的等效应力云图 前阀座和后阀座内表面上的等效应力大于外表面的等效应力 前阀座上的最大等效应力为 后阀座上的最大等效应力为 后阀座的等效应力更大原因主要是 介质流动时依次对浮动球阀、后阀座叠加一定的推力力的叠加使得后阀座右侧较薄弱的地方出现了较大的应力 结语本文对应用在 领域的超低温球阀进行了流热固耦合仿真计算得到了超低温球阀的温度场和应力场 结果表明:超低温球阀从阀盖底部法兰图 球体等效应力云图图 前阀座等效应力云图图 后阀座等效应力云图往下温度都非常低保持在 左右阀杆填料位置的温度大约在 之间阀体、球体、阀座等内表面上的等效应力大于外表面阀体、阀盖、阀杆、球体、阀座上结构发生突变的位置容易产生应力集中现象阀盖和阀杆上温度变化较大的地方更容易产生较大的等效应力参 考 文 献 韩欣霖江鑫王寅.上装式带隔热板 超低温球阀传热分析.中国设备工程():.黄启钺侯勇俊孙德林等.楔顶式超低温球阀阀座热力耦合分析.石油化工设备():.朱子龙.超低温固定软密封球阀阀座设计.科学技术创新():.梁光川郑云萍李又绿等.液化天然气()长距离管道输送技术.天然气与石油():.吴堂荣唐勇.低温阀门密封性能的研究与分析.阀门():.(收稿日期:)阀 门 年第 期