LNG船用超低温球阀的低温应力分析及数值模拟

    1 前言
    LNG作为一种清洁、高效的能源，其在能源供应中的比例，以每年约12%的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃，LNG已成为稀缺清洁资源，正在成为世界油气工业新的热点。在中国，尽管还没有形成规模，但是LNG的特点决定LNG发展非常迅速。可以预见，在未来10～20年的时间内，LNG将成为中国天然气市场的主力军。2007年中国进口291万吨LNG，2007年进口量是2006年进口量的3倍多。2008年1）11月中国液化天然气进口总量为3，141，475吨，比2007年同期增长18.14%。2008年4月3日，由中船集团公司所属沪东中华造船集团有限公司自主建造的我国第一艘LNG船成功交付，标志着我国基本掌握了世界造船尖端技术，打破了国外在该领域的垄断局面。随着LNG工业的发展以及我国自主研发LNG船的成功，我国开始对船用作LNG超低温阀门进行了自主研发。
    超低温阀门在使用过程中，阀门通道内处于冷端温度（约77K），因此相对于常温阀门来说，由于相互接触的不同结构体或同一结构体的不同部分之间的热膨胀系数不匹配，在冷却或加热时彼此的收缩或膨胀程度不一致，从而导致热应力的产生。超低温阀门的阀体温度比较低，阀盖以上部分的温度比较高，同时不锈钢线性膨胀系数在高温和低温下的差异性，对阀门内热应力的影响比较明显。
    本文采用ANSYS有限元分析软件作为建模和分析平台对通径为DN15的LNG船用超低温球阀进行低温下结构应力分析，从而判定所设计的阀门结构是否合理。
    2 热力学原理
    众所周知，物体的变形不仅仅是由于外力引起的，也可能由温度的变化引起。对不均质物体来说，当物体由具有不同膨胀系数的材料构成时，物体被加热或冷却时，物体内部受到约束会产生热应力。

图1 作用于物体内某点上的应力

    图1为受力微元六面体，当温度发生变化时，微元体发生变化，产生热应力。其应变为两部分组成，一部分是由于温度变化所引起的，另一部分是由应力引起的。从材料力学可知，微元体在三向应力状态下的虎克定律的形式如下：

    
    物体受到热胀冷缩与受拉、压作用下的弹性伸缩极其相似，在弹性极限内，当作用力消失时物体能恢复原状而无残余变形以及物体的变形与受力大小成正比，这种现象在热变形过程中也同样存在，在一定条件下，热变形也存在线性的关系。本文进行的热应力分析属于静态热应力分析，设X，Y，Z为体积力分量时，微元体的静力平衡方程为：

    
    上述的微分方程组是求解平面问题静态热应力（包括机械应力）的基础。
    3 应力分析模型
    3.1 几何建模
    首先对模型进行了简化，将阀瓣去掉，对连座阀体、右阀体、长颈阀盖、阀杆、填料函部件之间进行建模和装配，由于填料函为柔性石墨，填料函与长颈阀盖之间应力较小，进行粘合处理，不考虑这些部件之间的接触问题，见图2。

1.阀体；2.连座阀体；3.长颈阀盖；4.阀杆；5.填料函
图2 DN15超低温球阀装配图

图3 DN15超低温球阀几何模型

♂ 
    3.2 有限元模型建模
    （1）分析采用ansys的耦合单元，整个热分析模型由三种材料构成，主体材料为316L不锈钢，阀杆材料为17-4PH不锈钢，填料材料石墨。
    （2）定义材料的性能参数（由于主体材料为316L不锈钢，其余材料对分析不产生影响，故只需设置单一材料性能参数），材料参数见表1。

表1 316L不锈钢低温物性表

    （3）网格划分，由于模型不规则，采用自由网格和手动网格结合的方式对模型进行网格划分，如下图4所示。

图4 DN15超低温球阀划分网格

    （4）建立接触单元，连座阀体和右阀体建立接触对，长颈阀盖与连座阀体以及右阀体建立接触对，阀杆与填料函建立接触对。
    （5）定义边界条件和载荷条件，选择稳态求解，设置参考温度为298K。流道内表面施加77K的温度为第一类边界条件。阀门外表面设置环境温度为298K的自然对流换热为第二类边界条件，换热系数为h=10W/m2.K。由于所建模型为1/2的对称模型，在对称面上施加绝热条件。设置阀门的对称面为对称位移约束，在阀门两端面上的Y方向和Z方向上设置位移为0的约束，X方向上不设置约束，阀门流道内设置压力为1MPa的介质压力。
    （6）进行求解。
    4 应力分析
    4.1 阀门整体应力

图5 DN15超低温球阀温度分布图

    图5所示的是计算后的阀门温度分布，低温区域主要集中在和低温液体接触的内部阀体部分，由阀体到阀杆向上，温度梯度明显，同时也会产生温度应力集中的区域。

图6 DN15超低温球阀综合应力分布图

    图6所示的是阀门的综合应力，低温阀门处于低温下时，会产生变形位移，图7的位移图可以看出最大的位移量为0.137毫米，而在两端面设置了位移约束，则必然会产生应力集中，超出了材料的屈服强度（即灰色区域）。所以建议对于低温阀门的两端设置较长的缓冲管路，以减少由于温度梯度而产生的应力集中，破坏阀门材料。

图7 DN15超低温球阀应力X方向位移

♂ 
    4.2 阀门关键部件应力

图8 长颈阀盖米泽斯综合应力分布图

图9 阀杆米泽斯综合应力分布图

    热载荷和机械载荷同时作用时，阀门的主体均在正常应力范围之内，不会超过材料的屈服强度（210MPa），当逐个分析阀门部件时，观察发现局部应力虽然不会超过材料许可应力的范围，但也可能产生材料的疲劳强度破坏，如图8和图9所示的阀盖和阀杆应力，在图上标出的部分，产生了应力集中现象，最大处达到了712MPa。需要指出的是，由于阀杆和阀颈是温度分布梯度最大的部件，而且阀杆的不停开关也容易产生疲劳破坏，故需要在应力集中处进行加强措施，最为通常的做法是在应力集中处圆角或倒角，从而避免因温度而造成的材料破坏。
    5 结论
    本文运用有限元分析软件ANSYS对DN15船用LNG超低温球阀进行了低温下的建模和有限元分析，得出了相应的应力分布和改进建议。
    （1）设计的DN15船用超低温球阀在日常使用中，阀体内的低温液体由下至上产生明显的温度梯度，从而在阀体，阀杆，阀杆上产生应力。
    （2）低温下的阀体部件会产生应力集中，其中在阀门进出口的管路会产生位移引起的应力，在实际使用过程中，需要增加缓冲管路，以消除应力和位移的影响。
    （3）在低温下，对于阀门内部，也会产生应力集中，特别是阀杆和阀盖上，故需要进行必要的圆角或倒角处理，以减小热应力对材料的破坏。