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超低温贝博在LGN的使用说明,超低温贝博的低温试验瞬态特性分析
发布时间:2015-12-01   点击次数:1961次

应用有限元分析软件ANSYS,对通径为DN80LNG船用超低温贝博低温试验状态进行了瞬态降温过程中温度的模拟与热力分析。分别对填料函温度以及贝博其他部分温度进行详细的研究分析,从而判定所设计的贝博阀颈长度是否合理,以及达到稳定状态时所需要的时间,并提出了一些建议。为超低温贝博的结构设计提供了理论指导。

一、LNG的概述和超低温贝博LNG的用途

LNG于其高效、优质、清洁等优异性能,已经成为当今世界增长最快的能源。天然气能源取代煤和石油能源,可减少煤和石油的用量,明显改善环境问题。目前,天然气在一次能源结构中,比重已经达到25%。近年来全球LNG的生产和贸易日趋活跃,正在成为世界油气工业新的热点。天然气作为清洁能源越来越受到青睐,很多国家都将LNG列为首选燃料,天然气在能源供应中的比例迅速增加。液化天然气正以每年约12%的高速增长,成为全球增长最迅猛的能源行业之一。加快天然气的应用成为全球性趋势,预计到2015年,天然气产量将超过原油,成为世界第一大能源。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。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LNG超低温贝博进行了自主研发。

随着LNG的迅速发展,低温贝博的应用越来越广泛。超低温贝博的工作温度极低(77K),因此在设计这类贝博时,为了保证贝博在低温下安全可靠的运行,设计过程中必须同时考虑机械强度和传热学要求。

为了保证产品质量,低温贝博必须进行冷态试验,通常采用将待验贝博阀体浸没于冷却介质中,进行冷态操作和气密性试验。其中重要的一点就是要求贝博的结构保证填料处于0℃以上的温度环境下工作,例如采用长颈阀盖结构,使填料函离低温介质尽量远些,起到保护填料函的功能。

低温贝博的热设计是针对其正常运行工况进行,即冷却介质在阀内流道中流动,阀杆处于室温环境;而低温贝博冷态试验状态则通常是阀内为试压流体而阀体外为冷却介质,部分阀杆处于冷却介质的低温蒸气之中。由此可见,针对运行状态的热设计所确定的阀杆尺寸不一定能保证在冷态试验过程填料函不出现冻结,而一旦出现填料函冻结,冷态操作等试验都会受到影响。

近年来,贝博的虚拟设计与仿真是贝博设计的一种重要的方式,可对产品的性能给出初步的评价,并且比实验验证的成本低。本文采用AN-SYS有限元分析软件作为建模和分析平台,针对通径为DN80LNG船用超低贝博低温试验状态进行了动态降温过程中填料函以及贝博温度场的模拟与热力分析,从而判定所设计的贝博阀颈长度是否合理,以及达到稳定状态时所需要的时间,并且给出一定的建议。

二、超低温贝博的热力学有限元分析

1.超低温贝博的模型分析

阀盖通常设计成长颈阀盖结构,这是因为DN80超低温贝博在实际工作中,贝博表面的温度较低,当表面温度低于与其接触的水蒸气的三相点温度,空气中的水蒸气就会在贝博的表面凝结成霜甚至结冰。填料函与阀杆接触处结冰,不仅影响阀杆的正常操作,并且有冰存在,在阀杆上下移动时,会使填料函内的填料结构划伤,引发泄露事故。长颈阀盖的阀颈长度能满足填料函底部温度大于273K的情况,并且还有一定的余量。

DN80超低温贝博在出厂前必须进行低温试验。根据相关的试验标准规定,低温试验时,阀体外表面应全部浸泡在盛有77K液氮的试验槽中,工况比在实际管路中工作时更加恶劣,阀颈长度可能不能满足低温试验的条件。所以需要对所设计的DN80超低温贝博其填料函底部到长颈阀盖最底端距离为332mm进行低温试验条件下的模拟计算,以验证阀颈长度是否满足要求,必要时再调整阀颈的长度,再进行模拟分析。图1为进行低温试验示意图。

低温贝博试验示意图

 

1.阀体;2.阀杆;3.长颈阀盖;4.填料函

1 低温贝博试验示意图

2.超低温贝博的传热学理论

DN80超低温贝博在实际工作中的传热包含导热、对流、辐射的传热过程。当DN80超低温贝博进行瞬态模拟时,初始条件为与液氮接触的贝博表面设置饱和液氮的沸腾换热边界条件,贝博外表面与氮气接触的区域设置低温氮气自然对流边界条件,与空气接触区域设置空气自然对流边界条件,同时设置贝博外表面的辐射换热边界条件。

1)温度场满足微分方程为:

温度场满足微分方程

其中:

温度场满足微分方程简化

2)第一类边界条件:T=Tw (3)

3)对流边界条件为:

对流边界条件

4)辐射边界条件为:

辐射边界条件

5)初始条件为:T=T0 (6)

3.超低温贝博的热力学分析有限元法

将式(2)带入式(1),转换为等效的积分形式即:

等效的积分形式

将区域分解划分单元,DN80超低温贝博的模型是3-D模型,假设单元内温度变化可以用多项式表示,多项式的假设保证了温度在单元内部和单元边界上都是连续的。

以单元节点温度为未知数的多项式为:

未知数的多项式

其中:{N}T:单元形函数;{Te}:单元节点温度矢量。

由单元节点温度得到每个单元的温度梯度和热流:

单元节点温度得到每个单元的温度梯度和热流

其中:{a}:热梯度矢量。

热梯度矢量

热流量由下式计算:

热流量计算方式

其中:[D]:材料的热传导属性矩阵。

将假设的温度变化带入积分方程(2-7),可得:

方程化简

将上式写成矩阵形式为:

矩形方程再简化

集成总方程的矩阵形式如下:其中:

矩阵形式结局

矩阵形式结果

其中:N:单元总数;{Q0}:施加在节点上的热流率。

三、超低温贝博的模型建立

1.几何建模

对于DN80超低温贝博,填料函底部到长颈阀盖最底端距离为332mm,为了使其在ANSYS有限元模拟软件中便于网格划分和模拟分析,对实际模型进行了一定的简化,且做的这些简化对模拟结果影响不大。所以做了如下的简化: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,并用ANSYS11的建模功能进行几何建模,贝博具有面对称的特性,因此只需要对取其一半的对称体进行建模和分析,见图2

DN80超低温贝博几何模型

2 DN80超低温贝博几何模型

2.有限元模型建模

1)热分析单元采用的是Thermalsolid10node87单元,主体材料为316L网页版,阀杆材料为17-4PH网页版,填料材料为石墨,介质为氮。

2)定义材料的性能参数,设计的超低温贝博为DN80超低温贝博。超低温贝博所用的主体材料为316L奥氏体网页版(由于主体材料为316L网页版,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),低温介质为1MPa的液氮,表1为氮的物性参数随温度的变化。

氮的物性参数

1 氮的物性参数(1MPa)

3)网格划分,由于模型不规则,采用自由网格对模型进行网格划分,划分完网格后再对自由网格进行了一定的修改,如图3所示。

DN80超低温贝博划分网格

3 DN80超低温贝博划分网格

4)定义边界条件

a.分析类型为瞬态模型(transient);

b.贝博对称截面设置绝热边界条件;贝博浸入试验槽前,初始温度为环境温度T=298K;当贝博浸入试验槽后,根据标准JB/T7749-95规定,贝博在进行冷态试验时,试验槽内液氮的液位水平面要盖过阀体与阀盖连接处,因此在阀盖以下贝博的内外表面施加温度对流换热边界条件,介质温度为T=77K,对流换热系数与阀体表面温度有关,见图4;试验槽内,贝博阀盖以上到试验槽端盖以下部分充满了T=77K的氮气,模拟施加的对流换热系数h=10W/m2.K,试验槽内周边的温度为T=77K;