液化天然气超低温球阀阀座密封性能分析.pdf

第52 卷第3期2023年0 9 月文章编号：16 7 2-5549(2 0 2 3)0 3-0 17 8-0 6液化天然气超低温球阀阀座密封性能分析何新宇，张子凡，狄九旺，蔡振威，王炜哲1（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海2 0 0 2 40；2.上海沪东造船阀门有限公司，上海2 0 1913）摘要：超低温球阀被广泛应用于液化天然气（LNG）系统中。以LNG球阀为分析对象，通过有限元计算获取球阀工作时的温度、位移、应力和密封情况，重点对比分析了常温与低温下泛塞与密封圈的接触比压及有效密封区域。结果表明，低温工况造成部件急剧冷缩变形，同时内部温度的不均匀分布也会造成接触装配部件间的冷缩量差异较大，进而对应力和接触压力分布造成影响，导致低温下有效密封区域缩小，甚至产生密封失效。研究成果可为超低温球阀的密封设计及性能评估提供参考。关键词：液化天然气；超低温球阀；热力耦合计算；接触密封分析中图分类号：TE832Study on Sealing Performance of Ultra-Low Temperature BallHE Xinyu,ZHANG Zifan,DI Juwang,CAI Zhenweil,WANG Weizhe(1.School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Shanghai Hudong Marine Valve Manufacturing Corporation,Shanghai 201913,China)Abstract:Ultra-low temperature ball valves are widely used in the pipeline systems of liquefied natural gas.Taking the ball valve as analysis objective,the temperature,displacement,stress and sealing were calculated usingfinite element simulation.The specific contact pressure and effective sealing area of the variseals and the sealing ringsat normal temperature and low temperature were emphatically analyzed.The results showed that low temperatureconditions would cause cold shrinkage deformation of components,and the uneven temperature distribution withincomponents would also result in great difference of cold shrinkage between contact components.Therefore,thedistribution of stress and contact pressure would be affected,leading to the reduction of effective sealing area at lowtemperature and even sealing failure.The research results can provide reference for design and performanceassessment of sealing in ultra-low temperature ball valves.Key words:liquefied natural gas;ultra-low temperature ball valve;thermodynamic coupling calculation;contactseal analysis超低温球阀作为管路设备中的主要阀门类型，由于其结构简单、密封性能良好、操作简易，以及通道快速启闭性能优异等特点，被广泛应用在液化天然气（LiquefiedNatural Gas，LNG）系统的管路中1。相比普通阀门,超低温阀门工作环境十分恶劣,这对材料选择、结构设计以及强度及密封性能试验检测等方面都提出了更高的要求2 根据工程实践经验可知，由于介质的特殊性以及工况的复杂性，一旦超低温阀门出现了泄漏，极易收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 5修订日期：2 0 2 3-0 6-2 8作者简介：何新宇（1998 一），男，毕业于上海交通大学，硕士，主要从事流体-固体力学计算及计算模型开发研究。通信作者：蔡振威（1992 一），男，上海交通大学博士后；。178热力透平THERMALTURBINE文献标志码：Adoi:10.13707/ki.31-1922/th.2023.03.003Valve Seat for Liquefied Nature Gas引发爆炸事故3。所以用于LNG管路的超低温球阀的强度及密封性能决定着LNG管路整个系统的稳定性和安全性。国内的研究者们针对超低温阀门的具体设计，包括颈部长度、结构厚度、材料选用及低温结构强度等进行了分析总结。吴若菲等4 运用有限元分析软件研究了小通径尺寸的LNG船用阀门在开启和关闭2 种状态下的稳态热力性能，主要研究了阀盖颈部长度、阀盖与阀杆间隙以及阀盖Vol.52No.3Sep.2023液化天然气超低温球阀阀座密封性能分析厚度对填料函温度的影响。隋浩5 采用理论分析和有限元计算，对超低温球阀的传热过程进行了详细分析，并对部分结构进行了热力耦合分析。罗起飞6 对超低温阀门所选取的材料在实际服役工况下的物性进行了分析研究，对低温下材料结构的不稳定性或易脆性进行了讨论。张文博7 对阀门选用的密封材料的机械性能，如抗拉强度、压缩变形率等进行了测定试验，为超低温阀门密封圈的设计提供了依据，也为研究密封圈在低温下的实际变形情况提供了参考。从国内外对低温阀门的研究现状看，已经有很多企业和学者对低温阀门进行了深入的研究。但随着需求延伸，超低温阀门的设计适用范围在不断改变，而由于实际服役环境的复杂性，对于特定型号的超低温阀门仍需具体问题具体分析。只有在特定的阀门工作环境、结构特点、材料等因素下进行的强度分析和密封性能分析才能有效表征该型号阀门的状态和性能。本文将以通径10 0 mm（D N10 0）的超低温球阀为研究对象，运用有限元方法分析阀门在低温工况下的温度梯度、位移、应力和接触压力分布，对比分析常温与低温环境下泛塞和密封圈的接触及密封状态,揭示影响阀门阀座密封性能的因素，旨在为超低温球阀的密封结构设计及性能评估奠定基础。1娄数值模型及理论评估方法1.1几何模型和网格划分本文研究对象为DN100超低温球阀,在建模时考虑了球阀阀体、球体、阀杆、阀盖、阀座密封结构、各类轴套及垫片以及填料等关键部件，根据球阀对称性,将其简化为1/4对称模型,如图1 所示。为简化计算,螺栓结构使用扭矩进行了替代。模型有限元网格划分如图2 所示，采用四面体温位移耦合网格单元（网格类型为C3D4T），并在密封区域进行了加密。1.2边界条件与材料参数在实际工作环境中，超低温球阀外表面与空气进行对流换热，环境温度为2 98 K。其中，阀盖长颈及以上部分表面的对流传热系数设置为10W/mK8。阀盖中法兰面以下设有保温层,所以将中法兰面及以下部分外表面设为绝热边界条热力透平泛塞密封圈金属阀座图1DN100超低温球阀简化模型与密封结构示意图图2 有限元网格划分件。阀门内壁面采用第3类边界条件，温度设为度110 K，为天然气流体温度。针对计算采用的1/4简化模型,在对称面进行对称约束，阀体下底座处约束底面竖直方向位移和3个方向旋转自由度。超低温球阀的长颈阀盖、阀杆、阀体、球体、填料压盖等部件材料为316L钢。轴套及减磨垫根据设计,采用聚四氟乙烯（PTFE）。填料采用柔性石墨,密封部件采用聚三氟氯乙烯(PCTFE)9-11.3必需比压计算理论由于当前加工技术有限，密封面存在一定粗糙度,所以需要合适的预紧比压来提供密封面与球体之间的有效密封。为了有效评估球阀的密封179第3期性能,引人必需比压的概念。必需比压是满足密封需求的最小单位面积压力，以保证阀座的弹性元件（比如泛塞等）能够消除球体和阀座密封圈之间的微间隙。必需比压是最重要的设计参数之一,以qi表示,其值一般通过试验来确定,其经验公式12 如下I,=m (+P)V式中：m为与流体性质相关的系数,对于超低温球阀试验及工作中采用的氮气、氮气及液化天然气等密封要求高的介质，m选1.8;、c 为与密封面材料有关的系数 ;p为流体工作压力,MPa,根据设计压力取1MPa;b为密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度，b=tcosp,mm,其中t为密封面宽度，$为阀门开度。密封面为PCTFE,通过实测模型接触区域，得到密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度。由于密封圈与竖直方向成一定夹角，所以密封面上半、下半的投影宽度不同，取最窄处进行保守计算。泛塞部分的投影宽度取有限元计算得到的实际接触带宽度。最终计算得到阀座密封圈与球体接触区域的必需比压为3.6 3MPa,泛塞与阀体接触区域的必需比压为2.9 MPa。2结果分析参考在实验室中开展的球阀启闭实验，对比了常温与通液氮（7 7 K)2种条件下的泄漏量数据，发现低温启闭2 0 次时的泄漏量达到7.8 mL/min，而常温下2 0 次启闭后的泄漏量只有6.9mL/min,这证明低温会导致球阀密封性能降低。2.1球阀稳态温度分布图3展示了DN100球阀在服役工况下的稳态温度分布，球阀的散冷主要通过上部长颈完成，中法兰面以下的阀体、阀座密封结构及球体主要部分由于外表面保冷层的存在，其整体温度与流体温度基本一致,为110 K左右。这种温度场的不均匀分布会导致阀门内各个部件受冷收缩的程度不一致,进而导致部件局部应力集中和接触密封状态的改变。其中,球阀球体与阀座的接触状态直接影响阀门的流通性能,因而需要进一步开展冷缩变形分析。180液化天然气超低温球阀阀座密封性能分析温度/K292.96277.72262.47247.22231.97216.72201.47186.23170.98155.73140.48125.23109.98(1)LXY图3DN100球阀稳态温度分布2.2球阀冷缩变形分析图4展示了DN100型球阀在实际服役工况下X方向的位移云图。从图中可以看出X方向收缩量基本与该方向的厚度呈正相关，阀体左右法兰面是X方向收缩最显著的地方，最大收缩量达到0.7 4mm。由于球体的流道开口面并不与流动方向垂直，这也就意味着球体上下部分在X方向的厚度不一致，导致收缩量不一致。收缩量/mm0.740.670.610.540.480.410.350.280.220.150.090.020.04YX图4DN100球阀低温稳态X方向位移云图为进一步分析阀座密封区域的收缩情况，提取了沿阀体和球体靠近阀座的流道边缘自下而上的2 条路径,以冷却前后的X方向位移量的差作为实际X方向的收缩量。阀体和球体沿路径收缩量如图5所示。可以看出阀体的X方向收缩量自下而上呈现先增大后减小的趋势，而球体的X方向收缩量沿路径自下而上逐步增大，增速逐步变缓。同高度对应位置的阀体收缩量大于球体收缩量，这导致阀座区域上下两半在冷缩变形后的空间减小，相对而言下半空间减小较多，上半空间减小较少。同时阀体与球体的最大相对收缩量为0.026mm，小于阀座厚度的收缩量0.0 32 mm,这意味着冷却后阀座密封性能降低。加上阀座和球体收缩的不均匀性，压强分布情况会更为复杂。液化天然气超低温球阀阀座密封性能分析0.2300.2250.220wu/鲁斯X0.2150.2100.2050.2000.1950.0图5阀体和球体沿路径收缩量2.3球阀热应力分析DN100球阀及其阀座Mises应力云图如图6所示。图6(a)和图6(b)展示了DN100球阀整场的Mises应力云图，可以看出阀门整体Mises应力低于30 0 MPa，远低于低温下的材料屈服强度6 0 0MPa,整体处于弹性变形阶段。图6(c)和图6(d)展示了DN100阀门阀座Mises应力云图，从图中可以看出密封圈一侧的Mises 应力较小,泛塞一侧的Mises应力较大，最大值为48.31MPa。收缩不均匀使泛塞结构对阀座形成挤压，泛塞侧的Mises应力分布不均匀，内沿在中段有较大应力集Mises应力/MPa275.8691.67100.0083.3475.0166.6858.3450.0141.6833.3525.0216.698.360.03Mises应力/MPa48.3145.2642.2039.1536.1033.0529.9926.9423.8920.8417.7814.7311.68图6 DN100球阀及其阀座Mises应力云图热力透平中,外沿在上下两端有一定应力集中。同时由于泛塞的挤压,在泛塞槽内也有一条应力集中带。2.4球阀阀座密封性能分析图7 展示了泛塞封以及阀座密封圈在常温以及110 K时的压强分布情况。从图7（a)可以看出，常温时泛塞封的最大压强达到2 2.45MPa，出阀体现在泛塞内部与金属圈配合的上部。这是由于泛一球体塞左右两侧受到阀体与阀座的挤压，金属圈因此0.20.4沿路径归一化距离(b)主视部面图(a)正等轴视图(c)密封圈侧0.60.8(d)泛塞侧1.0左右收缩上下扩展，挤压作用于泛塞封上部。而110 K时,冷缩变形使得泛塞与其中的金属圈产生了更严重的挤压，泛塞封最大压强升高至2 5.6MPa。常温时泛塞封与阀体接触面的应力为12MPa左右，低温下更是由于冷缩变形降低至7MPa左右,有效接触面积较窄，仅为1 mm左右。常温时密封圈最大压强为12 MPa，大部分区域的压强在48 MPa之间,在密封面上的压强分布也并不十分均匀。而110 K时密封圈最大压强仅为6.47MPa,中间区域存在很大的低压强区域,整体接触性能下降明显。压强/MPa22.4520.5818.7116.8414.9713.1011.239.367.485.613.741.870.00（a）常温时泛塞压强/MPa25.6023.4721.3319.2017.0714.9312.8010.678.536.404.272.130.00(c)110 K时泛塞图7 常温与110 K时密封面压强分布为了进一步分析阀座密封圈与球体接触的密封面上的压强分布情况，提取了密封面中段沿内径向外径和外沿自下而上的2 条路径上的数据，具体如图8 所示。可以看出径向压强整体呈现两端大中间小的分布。常温时接触面内沿的压强最大,而110 K时外沿要大于内沿。接触面中间压181压强/MPa12.0111.0110.019.018.017.016.015.014.003.002.001.000.00（b）常温时密封圈压强/MPa6.475.935.394.854.313.773.232.702.161.621.080.540.00(d)110 K时密封圈第3期强常温下为3MPa左右，低温下仅为1.2 MPa左右。整体密封面压强大于3.6 MPa的有效密封宽度在常温下略小于2 mm,低温下小于1 mm,且内沿处的密封已经失效，外沿仅靠5.2 MPa的压强和小于1mm的接触宽度,也很难保证密封性能。从图8(b)和图8(d)中可以看出密封面外沿径向各处的接触并不均匀，常温时压强在7.5 9.5MPa1098/7654320.00.51.01.52.022.53.0沿路径距离/mm（a）常温时压强径向分布10.09.59.08.58.07.57.006543210.00.51.01.52.02.53.0沿路径距离/mm（c）110 K 时压强径向分布6.66.46.26.15.85.65.45.25.04.80（d）110 K 时压强周向分布图8阀座密封圈压强沿路径分布182液化天然气超低温球阀阀座密封性能分析之间波动,110 K时在5 6.5MPa之间波动。最大值均出现在密封圈中段偏上部位，最小值出现在密封圈中段偏下部位。虽然低温使得密封圈外沿周向各处压强降低，但外沿处的压强均大于密封的必需比压，所以密封面外沿区域能保证一定的密封性。为了进一步分析常温与110 K时泛塞封与阀体接触的密封面上的压强分布情况，提取了接触面中段沿内径向外径以及压强最大的区域自下而上2 条路径上的数据，如图9所示。可以看出径向接触宽度大约在2 mm左右,在泛塞接触面的中上段。常温下最大值为14MPa,在最大值两侧约0.5mm宽度处压强减小至2.6 MPa左右，略小于无滑动摩擦密封面的必需比压2.9MPa,所以有效密封宽度小于1 mm。而降温后,有效接触宽度仅为0.5mm左右，无法达到必需比压要求的接触面宽度。1614121086450100沿路径距离/mm（b）常温时压强周向分布50100沿路径距离/mm15020015020020201沿路径距离/mm（a）常温时压强径向分布1514/1312111090（b）常温时压强周向分布876/54321001沿路径距离/mm（c）110 K 时压强径向分布2345650100沿路径距离/mm23451502006液化天然气超低温球阀阀座密封性能分析7.5T7.0+6.55.05.55.00（d）110 K 时压强周向分布图9泛塞封压强沿路径分布周向压强分布情况较为复杂。如图9（b）和图9(d)所示，下半部分的压强变化较为平缓，而上半段同阀座密封圈的压强分布相似,存在较大波动。常温时泛塞的下半部分压强保持在1112MPa,沿路径向上6 0 mm处有一个压强的极小值，而110 K下此处产生了一个极大值,且整体压强分布也降至5.5 7 MPa。无论常温还是低温下，密封面下段远离端点处是密封相对薄弱的区域。泛塞上段的压强分布在10 13.5MPa,最小值下探到10 MPa以下,在上端点附近产生。这可能是由于阀门结构自下而上有倾斜,导致下部接触均匀，而上部受到重力和压力等多重因素作用，接触不均匀性加大。不过泛塞接触面压强整体大于密封面的压强，这可以较好地保证常温下的密封特性。110 K下泛塞上段的压强分布在5.2 6.8MPa,平均压强降低十分明显，从之前的10MPa以上降至6 MPa左右。从实际服役工况（110 K）下泛塞径向及周向的压强分布可以看出，降温后有效接触区域减小，低温密封性能无法得到足够的保证。同时周向压强分布不均,这会进一步导致摩擦不均匀,影响多次启闭后的密封性能。3结 论本文以DN100 型球阀为研究对象,通过有限元仿真方法，计算得到了实际服役工况下的温度场、收缩变形情况、应力场分布，并通过分析常温及低温下该型阀门阀座密封区域的压强状况，评热力透平估了该型阀门阀座密封性能,得到结论如下：1）实际工况下中法兰面以下部分与流体温度保持接近，长颈部分承担主要散冷功能；2)低温下各部件会发生冷缩变形，阀座和球体上下部分收缩变形存在不均匀性，这会使得压强分布情况更加复杂；3）阀门整体Mises应力均小于材料屈服强50100沿路径距离/mm150200度,部件处于弹性变形阶段,泛塞侧的内沿及外沿应力分布不均匀，在内沿中段、外沿上下两端和泛塞槽内有应力集中；4)常温下目前的结构能保证阀座密封圈密封面内沿和外沿压强超过必需比压，泛塞密封面的压强也能满足必需比压要求，在低温下，有效密封区域缩小，阀座密封圈和泛塞的压强减小。参考文献：1那丽，吕赞超低温球阀的结构设计特点及安装要求J.煤化工，2 0 13，41(2)：6 5-6 7.2 张周卫，汪雅红，张小卫，等LNG球阀：2 0 1410 0 6 0 7 46.1P.2014-05-14.3黄洋，张晓东，唐浩轩严格标准规范强化质量监管一为自主建设精品LNG工程提供可靠保证J化学工程与装备，2 0 18(4)：2 93-2 95.4吴若菲，柳建华，吴堂荣，等基于ANSYS的LNG船用超低温阀门的数值模拟分析J：低温工程，2 0 10（1）：43-47.5隋浩.LNG超低温球阀传热过程及热力耦合分析D.兰州：兰州理工大学,2 0 16.6】罗起飞.LNG超低温阀门的设计及材料低温物性的研究J山东工业技术，2 0 15（11)：57.【7 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