1 前言
    LNG于其高效、優質、清潔等優異性能，已經成為當今世界增長最快的能源。天然氣能源取代煤和石油能源，可減少煤和石油的用量，明顯改善環境問題。目前，天然氣在一次能源結構中，比重已經達到25%。近年來全球LNG的生產和貿易日趨活躍，正在成為世界油氣工業新的熱點。天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應中的比例迅速增加。液化天然氣正以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業之一。加快天然氣的應用成為全球性趨勢，預計到2015年，天然氣產量將超過原油，成為世界第一大能源。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。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LNG超低溫閥門進行了自主研發。
    隨著LNG的迅速發展，低溫閥門的應用越來越廣泛。超低溫閥門的工作溫度極低（77K），因此在設計這類閥門時，為了保證閥門在低溫下安全可靠的運行，設計過程中必須同時考慮機械強度和傳熱學要求。
    為了保證產品質量，低溫閥門必須進行冷態試驗，通常采用將待驗閥門閥體浸沒于冷卻介質中，進行冷態操作和氣密性試驗。其中重要的一點就是要求閥門的結構保證填料處于0℃以上的溫度環境下工作，例如采用長頸閥蓋結構，使填料函離低溫介質盡量遠些，起到保護填料函的功能。
    低溫閥門的熱設計是針對其正常運行工況進行，即冷卻介質在閥內流道中流動，閥桿處于室溫環境；而低溫閥門冷態試驗狀態則通常是閥內為試壓流體而閥體外為冷卻介質，部分閥桿處于冷卻介質的低溫蒸氣之中。由此可見，針對運行狀態的熱設計所確定的閥桿尺寸不一定能保證在冷態試驗過程填料函不出現凍結，而一旦出現填料函凍結，冷態操作等試驗都會受到影響。
    近年來，閥門的虛擬設計與仿真是閥門設計的一種重要的方式，可對產品的性能給出初步的評價，并且比實驗驗證的成本低。本文采用AN-SYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺，針對通徑為DN80的LNG船用超低截止閥低溫試驗狀態進行了動態降溫過程中填料函以及閥門溫度場的模擬與熱力分析，從而判定所設計的閥門閥頸長度是否合理，以及達到穩定狀態時所需要的時間，并且給出一定的建議。
    2 熱力學有限元分析
    2.1 模型分析
    閥蓋通常設計成長頸閥蓋結構，這是因為DN80超低溫截止閥在實際工作中，閥門表面的溫度較低，當表面溫度低于與其接觸的水蒸氣的三相點溫度，空氣中的水蒸氣就會在閥門的表面凝結成霜甚至結冰。填料函與閥桿接觸處結冰，不僅影響閥桿的正常操作，并且有冰存在，在閥桿上下移動時，會使填料函內的填料結構劃傷，引發泄露事故。長頸閥蓋的閥頸長度能滿足填料函底部溫度大于273K的情況，并且還有一定的余量。
    DN80超低溫截止閥在出廠前必須進行低溫試驗。根據相關的試驗標準規定，低溫試驗時，閥體外表面應全部浸泡在盛有77K液氮的試驗槽中，工況比在實際管路中工作時更加惡劣，閥頸長度可能不能滿足低溫試驗的條件。所以需要對所設計的DN80超低溫截止閥其填料函底部到長頸閥蓋最底端距離為332mm進行低溫試驗條件下的模擬計算，以驗證閥頸長度是否滿足要求，必要時再調整閥頸的長度，再進行模擬分析。圖1為進行低溫試驗示意圖。

1.閥體；2.閥桿；3.長頸閥蓋；4.填料函
圖1 低溫試驗示意圖

    2.2 傳熱學理論
    DN80超低溫截止閥在實際工作中的傳熱包含導熱、對流、輻射的傳熱過程。當DN80超低溫截止閥進行瞬態模擬時，初始條件為與液氮接觸的閥門表面設置飽和液氮的沸騰換熱邊界條件，閥門外表面與氮氣接觸的區域設置低溫氮氣自然對流邊界條件，與空氣接觸區域設置空氣自然對流邊界條件，同時設置閥門外表面的輻射換熱邊界條件。
    （1）溫度場滿足微分方程為：

    
    其中：
        （2）
    （2）第一類邊界條件：T=Tw  （3）
    （3）對流邊界條件為：
        （4）
    （4）輻射邊界條件為：
       （5）
    （5）初始條件為：T=T0    （6）
    2.3 熱力學分析有限元法
    將式（2）帶入式（1），轉換為等效的積分形式即：
        （7）
    將區域分解劃分單元，DN80超低溫截止閥的模型是3-D模型，假設單元內溫度變化可以用多項式表示，多項式的假設保證了溫度在單元內部和單元邊界上都是連續的。
    以單元節點溫度為未知數的多項式為：      
        （8）
    其中：{N}T：單元形函數；{Te}：單元節點溫度矢量。
    由單元節點溫度得到每個單元的溫度梯度和熱流：
        （9）
    其中：{a}：熱梯度矢量。
        （10）
    熱流量由下式計算：
        （11）    
    其中：［D］：材料的熱傳導屬性矩陣。
    將假設的溫度變化帶入積分方程（2-7），可得：
      （12）
    將上式寫成矩陣形式為：                （13）

   
    集成總方程的矩陣形式如下：其中：

    
    其中：N：單元總數；{Q0}：施加在節點上的熱流率。
    3 模型建立
    3.1 幾何建模
    對于DN80超低溫截止閥，填料函底部到長頸閥蓋最底端距離為332mm，為了使其在ANSYS有限元模擬軟件中便于網格劃分和模擬分析，對實際模型進行了一定的簡化，且做的這些簡化對模擬結果影響不大。所以做了如下的簡化：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，并用ANSYS11的建模功能進行幾何建模，閥門具有面對稱的特性，因此只需要對取其一半的對稱體進行建模和分析，見圖2。

圖2 DN80超低溫截止閥幾何模型

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    3.2 有限元模型建模
    （1）熱分析單元采用的是Thermalsolid，10node87單元，主體材料為316L不銹鋼，閥桿材料為17-4PH不銹鋼，填料材料為石墨，介質為氮。
    （2）定義材料的性能參數，設計的超低溫閥門為DN80超低溫截止閥。超低溫球閥所用的主體材料為316L奧氏體不銹鋼（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），低溫介質為1MPa的液氮，表1為氮的物性參數隨溫度的變化。

表1 氮的物性參數（1MPa）

    （3）網格劃分，由于模型不規則，采用自由網格對模型進行網格劃分，劃分完網格后再對自由網格進行了一定的修改，如圖3所示。

圖3 DN80超低溫截止閥劃分網格

    （4）定義邊界條件
    （a）分析類型為瞬態模型（transient）；
    （b）閥門對稱截面設置絕熱邊界條件；閥門浸入試驗槽前，初始溫度為環境溫度T=298K；當閥門浸入試驗槽后，根據標準JB/T7749-95規定，閥門在進行冷態試驗時，試驗槽內液氮的液位水平面要蓋過閥體與閥蓋連接處，因此在閥蓋以下閥門的內外表面施加溫度對流換熱邊界條件，介質溫度為T=77K，對流換熱系數與閥體表面溫度有關，見圖4；試驗槽內，閥門閥蓋以上到試驗槽端蓋以下部分充滿了T=77K的氮氣，模擬施加的對流換熱系數h=10W/m2.K，試驗槽內周邊的溫度為T=77K；試驗槽端蓋以上的閥門部分施加對流換熱系數h=10W/m2.K，環境溫度為298K。閥門表面施加輻射邊界條件，Stenfan-Bolzman常數為5.67E-8。

圖4 不銹鋼在液氮中沸騰對流換熱系數隨不銹鋼表面溫度與液氮溫度差值的關系

    （c）設定載荷子步，設定最后一個子步的完成時間為20000s，設定載荷子步為1000，最大載荷步為1200，設定階躍為Stepped。
    （d）為了增強求解的收斂，在非線性選項中，選定子步迭代次數為50次，線性搜索功能打開。
    （e）模型求解，通過POST1后處理讀出閥門在不同時刻的結果，用POST26后處理讀出填料函底部某一節點在整個瞬態過程中的結果，繪制溫度隨時間變化曲線。
    （5）進行求解。
    4 模擬結果及分析    

 
圖5 低溫試驗時溫度分布圖（20s）

圖6 低溫試驗時溫度分布圖（1000s）

圖7 低溫試驗時溫度分布圖（5000s）

圖8 低溫試驗時溫度分布圖（10000s）

圖9 低溫試驗時溫度分布圖（20000s）

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    超低溫閥門在使用過程中，閥門通道內處于冷端溫度下（77K），閥體外表面與環境空氣進行自然對流換熱，冷量一部分從徑向傳遞到外部環境中，一部分軸向傳遞到閥桿的頂部。當常溫的DN80超低溫截止閥放入低溫試驗槽時，閥體各個點的溫度需要一段時間才能達到穩定平衡狀態，以下是該過程中不同時間點DN80超低溫截止閥在低溫試驗時溫度分布圖，從圖5-圖9中可以明確的看出隨著時間的變化閥體溫度的變化情況。
    4.1 閥門填料函底部溫度變化分析
    根據不同時間點的填料函節點溫度得到如圖10的填料函節點溫度隨時間變化的曲線圖。
    從圖10，DN80超低溫截止閥低溫試驗瞬態模擬的結果可以看出，在8000s以后降溫速率慢慢減小，慢慢趨于穩定，且16000s之后，閥門填料函底部溫度基本不變，最終溫度穩定后的閥門填料函底部的節點溫度為（曲線1）273.5K，填料函頂部的節點溫度（曲線2）為278K。

（曲線1：填料函底部溫度；曲線2：填料函頂部溫度）
圖10 填料函節點溫度隨時間變化的值

    4.2 閥門其他點的溫度變化分析
    根據JB/T7749-1995標準，將閥門浸泡液氮中，保證閥門冷卻到最低工況時，才能開始進行試驗。在閥體內、外表面及閥瓣上各取一點，觀察這些點的溫度穩定情況。

（曲線1：閥門外表面；曲線2：閥門內表面；曲線3：閥瓣上）
圖11 DN80超低溫閥門各點溫度隨時間變化的值

    從圖11可以看出，三個點從常溫冷卻到77K的時間t紫＜t藍＜t紅，即閥門外表面最先被冷卻下來，其次是內表面和閥瓣。閥門內外表面的穩定時間為大約600s，閥瓣的穩定時間大約為1200s。
    5 結論
    本文運用有限元分析軟件ANSYS，對DN80船用LNG超低截止閥進行進行低溫試驗時的建模和有限元分析，得出了隨時間變化填料函及閥體不同點的溫度變化情況和改進建議。
    （1）DN80超低溫截止閥低溫試驗時，當填料函底部到長頸閥蓋最底端距離為332mm時，填料函底部的溫度為273.5K，保證了填料函的溫度在0℃以上，防止填料函結冰。即低溫試驗下，可以不需要對閥頸長度進行調整。但是如果為了達到更好的效果，可以在此基礎上，適當的增加填料函底部到長頸閥蓋最底端距離。
    （2）DN80超低溫閥門在低溫試驗時，閥門內外表面的穩定時間為大約600s，閥瓣的穩定時間大約為1200s，而填料函的穩定時間大約需要16000s。因為在保證填料函溫度的同時，當閥瓣的溫度達到穩定時就可以進行低溫試驗，不會對其試驗造成影響，所以超低溫閥門低溫試驗時可以開始試驗的時間至少為低溫閥門浸泡在液氮內的部分的最長穩定時間即為閥瓣的穩定時間，大約為1200s。因此進行該閥門的低溫試驗時，要先把閥門浸泡在液氮里足夠長的時間，等到閥體溫度穩定，才能保證低溫試驗時閥門測試的準確性。