基于ANSYS的低温阀填料函温度场分析

张纾琳，陈晨铭，段化银，余晓明

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

我国近年来大力推动清洁能源的发展，对天然气的需求不断增加。2018 年，我国天然气的消费量已经超过了2 800 亿立方米，进口液化天然气5 300多万吨[1]。并且随着我国对天然气需求的持续增长，我国的天然气基础设施也在不断完善，用以提高液化天然气的接收能力[2]。低温阀门主要用于石油化工、液化天然气及液氮液氧等装置。由于液化天然气的主要成分为烷烃，一旦发生泄漏，会增加火灾和爆炸等事故发生的几率[3-4]，所以低温阀门对密封性、安全性的要求非常高。

低温阀门一般都有长颈阀盖，可以使其在温度很低的工况下安全稳定地运行[5]。长颈阀盖结构的目的在于保护填料函，通过抬高填料函的位置，提高填料函处的温度分布，防止填料表面结露结冰，即高于低温阀门所在环境的露点温度。一旦填料结冰，就会降低填料的密封性能，容易导致低温介质的渗漏。当阀杆上下移动时，结的冰也会划伤填料，造成更加严重的泄漏[6-7]。另外，低温阀门在夏季运行时，需要包裹一层保冷材料来减少冷量的损失，而长颈阀盖的结构有利于添加更厚的保冷层，加强保冷性能。

1 低温阀门模型

BS 6364 规定了低温阀门中长颈阀盖加长部分的最短长度，本文采用的低温阀门为DN 50 低温球阀，为非冷箱用，阀芯的工作转角为90°，要求阀盖最短长度为250 mm[8]，故设计阀盖的初始长度为251 mm。

1.1 建立物理模型

采用ProE 建立阀门的装配体模型，由于模型存在对称结构，为了提高效率，可将模型简化处理为实体模型的1/2，如图1 所示。

图1 低温球阀模型Fig.1 Model of cryogenic ball valve

1.2 物性参数及边界条件设置

（1）定义材料的物性参数：低温球阀的主要部件采用F316 不锈钢，轴承、支架等采用F304 不锈钢，填料采用两种不同的材料，聚四氟乙烯（PTFE）和柔性石墨。低温阀门各部件的导热系数见表1。

表1 低温球阀各部件导热系数 [9]Table 1 Thermal conductivity of each component of cryogenic ball valve

（2）施加载荷与约束：由于模拟的是阀门在稳态后的温度分布，而液化天然气处于大气压时的温度为-162 ℃，因此设置阀体的内表面温度为-162 ℃，包括阀体内壁、阀座、阀瓣等。

低温阀门外表面与空气进行对流换热，空气的对流换热系数设为12 W/ （m2·K），与环境进行辐射换热，Stenfan-Bolzman 常数为5.67×10-8[10]，设置不锈钢的辐射率为0.048，对称面设置为绝热边界条件。设置低温球阀的开度处于全开状态。

2 填料函温度分布

低温阀门处于稳态时，阀体内表面与低温介质的温度相同，即-162 ℃。由于冷量从阀门的下部往上部传递，故阀门中相对较长的阀杆和阀盖都存在一定的温度梯度；支架等部件远离低温介质，而且和环境的接触面比较多，所以其温度都基本保持在0 ℃以 上。

在环境温度在-30 ℃～10 ℃时，低温球阀填料函的最低温度与环境温度呈线性关系，即环境温度决定着低温球阀填料函的最低温度，如图2 所示，而环境温度与相对湿度决定了环境的露点温度。当填料函的最低温度低于露点温度时，就会发生结露现象，如果此时填料函的最低温度低于0℃就会结冰。如图3、4 所示为环境温度分别为-30 ℃和10 ℃时相对湿度5% ～ 70%的露点温度与填料函最低温度的关系。

3 环境工况对阀盖长度的影响

为避免低温球阀的填料函部位发生结露结冰现象，可以通过增加阀盖加长部分的长度来提高填料函的温度。通过对比环境的露点温度和填料函的最低温度，可以得到阀盖最短长度。低温球阀模型的阀盖最短长度取为251 mm，在阀盖最短长度的基础上，每组增加10 mm，直到371 mm，一共进行13 组模拟实验。

图2 不同环境温度下填料函的最低温度Fig.2 Minimum temperature of the stuffing box at different ambient temperatures

图3 环境温度为-30 ℃时露点温度与填料函最低温度的关系Fig.3 Relationship between dew point temperature and lowest temperature of stuffing box when ambient temperature is -30 ℃

图4 环境温度为10 ℃时露点温度与填料函最低温度 的关系Fig.4 Relationship between dew point temperature and lowest temperature of stuffing box when ambient temperature is 10 ℃

3.1 湿球温度对阀盖长度的影响

干球温度不变，对比不同相对湿度时露点温度与低温球阀填料函处的最低温度，确定不同相对湿度时所需的最短阀盖长度，如图5 所示。相对湿度在30%以下时，长颈阀盖取最短长度251 mm 即可；在相对湿度为30%以上时，随着相对湿度的增加，所需阀盖长度增加；在相对湿度达到70%时，长颈阀盖长度至少需要371 mm。

图5 最短阀盖长度随相对湿度变化曲线Fig.5 Variation curve of minimum length of bonnets with relative humidity

3.2 环境温度对阀盖长度的影响

在环境的相对湿度为65%的情况下，长颈阀盖所需的最短长度与干球温度的关系如图6 所示。环境温度在0 ℃以下时，阀盖的最短长度为351 mm 时才能满足填料函不结冰的要求；环境温度在0 ℃以上时，随着温度的升高，阀盖所需的最短长度减小。当环境温度与填料函温度都处于0 ℃以上时，即使填料函处的温度比环境的露点温度低，出现结露的情况，但因为没有低于冰点温度，所以不会结冰。故环境温度在0 ℃以上时，干球温度对阀盖所需的最短长度的影响比较明显。

3.3 不同地区阀盖所需的最短长度

模拟环境温度-30 ～10 ℃，相对湿度20%～ 70%时，长颈阀盖所需的最短长度如表2 所示。由表2可见，相对湿度越高，长颈阀盖所需的设计长度越大，对于填料函部位出现结冰现象的影响比环境温度更 大。

根据全国不同地区的气象数据，结合表2，得出不同地区低温球阀长颈阀盖所需的最短长度，如表3所示。

图6 最短阀盖长度随环境温度变化曲线Fig.6 Variation curve of minimum length of bonnets with ambient temperature

表2 不同环境温度、相对湿度下的阀盖所需的最短长度Table 2 Minimum length required for bonnets at different ambient temperatures and relative humidity mm

表3 阀盖最短长度的适用地区Table 3 Applicable areas for the shortest length of bonnets

由表2 和表3 可以看出，在邻近地区，低温球阀可以适用的阀盖长度基本相同，但由于气候条件的复杂性和多变性，个别地区的气候条件与邻近区域有明显差异，需要分别进行分析。区域分布最集中的阀盖长度标准为371 mm 最高标准，东北大部分地区，比如黑龙江和吉林，部分西北地区，以及贵州、湖南、江苏、福建、云南等都只有在此长度才能避免结冰，其原因各不相同，华东和华中地区是由于气候潮湿，容易结露，导致结冰；而东北地区是由于气候寒冷、冬季漫长，但空气并非十分干燥。除了东北地区以外，其他地区是由于气候潮湿，容易结露，由于结冰持续时间短，对实际生产的影响可以忽略不计。为了降低成本，这些地区的阀盖长度可以根据实际情况适当取短一些。

4 滴水盘对填料函温度分布的影响

4.1 滴水盘直径对填料函温度分布的影响

在低温阀门上增设滴水盘，可以提高填料函的温度分布。设置环境温度为2 ℃，长颈阀盖长度为251 mm，滴水盘直径为76 mm，滴水盘到法兰盘的距离为120 mm，如图7 所示。从图9 中提取2 至1的填料函温度分布绘制成图10，即低温球阀填料函各位置在不同滴水盘直径时的温度分布。增加滴水盘的直径，每次增加10 mm，并且建立相应的几何模型，导入ANSYS 中进行模拟。

图7 滴水盘焊接位置Fig.7 Welding position of the drip tray

图8 低温球阀温度分布Fig.8 Temperature distribution of cryogenic ball valve

图9 低温球阀填料函温度分布Fig.9 Temperature distribution of fillers in cryogenic ball valve

图10、11 为低温球阀填料函的温度与滴水盘直径的关系。由图10 可知，在滴水盘直径为76 mm 的情况下，填料函的温度分布比没有设置滴水盘时明显提高。

图10 填料函的温度与滴水盘直径的关系Fig.10 Relationship between the temperature of the filling letter and the diameter of the drip tray

随着滴水盘直径的增加，低温球阀填料函的温度分布逐步增加，然而增加的幅度则越来越小。低温球阀与环境的热交换量随着滴水盘直径的增加而增加，导致阀体经导热向低温球阀上部传递的冷量随之减小，填料函的温度得以提高，然而当滴水盘直径达到某个数值后，随着滴水盘直径的增加，低温球阀的滴水盘与环境之间的换热量的增加量逐渐减小。这是由于随着滴水盘直径的增加，滴水盘径向表面的温度逐步趋近于环境温度，与环境之间的温差逐渐减小，即对流换热量的增量逐渐变小，故低温球阀填料函的最低温度将会趋于某一个数值。

4.2 滴水盘焊接位置对填料函温度场分布的影响

图11 填料函的最低温度与滴水盘直径的关系Fig.11 Relationship between minimum temperature of filling letter and diameter of drip tray

由低温球阀滴水盘直径的模拟结果可知，当滴水盘的直径在216 mm 左右时，滴水盘直径继续增加后，填料函处的温度场变化不明显。所以在模拟球阀滴水盘不同焊接位置的低温阀温度场时，设置滴水盘的直径为216 mm。改变滴水盘与法兰盘的距离，得出滴水盘在阀杆的不同位置时填料函的温度分布。

图12 所示为低温球阀阀盖外轴线的温度场分布图，从2 至1 点处提取阀盖外轴线的温度，如图13所示，图中拐点处就是滴水盘的位置。从图13 可以看出，阀盖与空气的对流换热效果随着滴水盘到法兰盘距离的提高而增加。

图12 阀盖外轴线温度场Fig.12 Temperature field of outer axis of valve cover

从图14 可见，随着滴水盘与法兰盘距离的增大，填料函的最低温度先升高后降低，当滴水盘的位置距离法兰盘为120 mm 左右时，阀门与空气的对流换热效果最强。当滴水盘距离法兰盘30 mm 时，随着滴水盘距离的增加，填料函的最低温度随之升高，当滴水盘距离增加至120 mm 左右时，填料函的最低温度最高，当滴水盘距离继续增加时，填料函的最低温度开始降低。

6 结论

图13 阀盖外轴线的温度随滴水盘位置变化曲线Fig.13 Temperature of the outer axis of the bonnet versus the position of the drip tray

图14 填料函最低温度随滴水盘位置变化曲线Fig.14 Variation of minimum temperature of filling function with position of drip tray

本文采用DN 50 低温球阀， 模拟环境温度-30 ～10 ℃，相对湿度20%～70%，不同长颈阀盖长度的阀门温度分布。分析不同环境工况下，满足填料函不结冰要求的长颈阀盖所需的长度。相对湿度越高，长颈阀盖所需的长度越大；环境温度在0 ℃以上时，干球温度对阀盖所需的最短长度的影响比较明显。结合全国不同地区的气象条件，分析各地DN 50低温球阀的长颈阀盖的合理长度，可以为不同地区阀盖长度的选择范围提供参考。由于模拟的各组长颈阀盖长度相差10 mm，所以计算结果与实际所需长度存在一定的误差。

在低温阀门的阀盖中间设置滴水盘可以提高填料函处的温度场分布，阀杆轴线的温度随着滴水盘直径的增加而逐渐升高，但是温度升高的幅度越来越小。随着滴水盘位置的提高，填料函处的温度场分布先升高后降低。从经济方面考虑，本文研究的低温球阀DN 50 可以在阀盖外表面上焊接一个直径为216 mm 的滴水盘，位于法兰盘上方120 mm 左右，用以提高低温球阀填料函的温度场。