上装式带隔热板LNG超低温球阀传热分析

韩欣霖，江鑫，王寅

（江苏苏盐阀门机械有限公司，江苏 盐城 224500）

液化天然气（LNG）因其运输方便、清洁高效的特点被广泛地应用于日常生活和工业生产中。液化天然气易燃易爆，常采用超低温储存罐储存及输运。超低温LNG输运设备在工作过程中的密封性能是天然气安全输运的关键。超低温球阀是超低温LNG运输管路上不可缺少的组成部分，主要用于控制LNG输送的通断。超低温球阀及其他超低温工况下运转阀门的温度场是工程实际所关注的热点问题。由于LNG输运过程中的超低温要求，超低温球阀的密封性需要严格把控。超低温球阀的泄漏主要发生于填料函处和长颈阀盖与阀体连接法兰处，在实际工程中填料函处发生的泄漏现象最为常见。填料函处泄漏的主因是阀杆与阀体的温差使填料函处结冰，导致密封性不足。因此，基于球阀输送介质的超低温与外部环境的温差，应用传热学方法模拟LNG超低温球阀传热过程，对上装式带隔热板的LNG超低温球阀的结构优化和失效分析具有重要的工程指导意义。

1 LNG低温球阀模型

本文以上装式带隔温板的LNG超低温球阀为对象，其结构如图1所示。加长阀盖一方面有利于操作和安装，另一方面还可保证填料不会因为温度过低而冻伤，保证阀门的密封性。隔热板则可减少空气与阀门的自然对流换热，保证低温球阀内腔的温度稳定。

图1 上装式带隔热板的LNG超低温球阀

2 LNG低温球阀传热过程

2.1 传热基本方式

传热的基本方式有热对流、热传导和热辐射。对于低温球阀的温度场分析，主要考虑热对流与热传导问题。

热传导是发生在物体内部的微观热量交换。由于存在温差，温度高的区域会向温度低区域进行热量转移。由傅里叶定律可以得出热传导的公式：

式中，Q表示热量，W；λ表示导热系数（热导率），W/(m•K)；A表示热流作用的横截面积，m2。

热对流是发生在流体与物体表面的宏观热量传递。这个过程包括热量向内壁扩散和沿壁面法向方向进行热量交换，流体与固体表面之间的热量交换可以由牛顿冷却公式计算：

式中，Q表示热量，W；h表示表面对流换热系数，W/(m2•K)；A表示热流作用的横截面积，m2；△tm表示换热面积上的平均温差，℃。

2.2 LNG低温球阀传热过程

为保证LNG低温球阀的阀体内外表面的温度相同，避免温差过大导致阀体变形进而出现泄漏，工程中常将阀体放置在-196℃的液氮环境中。加长阀盖颈部的隔热板及以上的部分暴露在空气中。当低温球阀开启时，液化天然气流进球阀内，由于外部环境的温度远高于球阀内腔的温度，暴露在空气中的阀杆顶端、加长阀盖及隔热板等其他部件的表面与空气中的热量发生热对流，热量进入阀体内部出现热传导。隔热板增加了空气与加长阀盖对流换热的横截面积，将冷热交换转移到隔热板处，有利于提高填料函底部的温度，降低泄漏的风险，也有助于降低阀杆与加长阀杆的高度。

3 LNG低温球阀有限元模型

3.1 模型的建立

本文采用三维建模软件建立装配体模型，考虑到球阀在几何条件、载荷条件及边界条件均满足对称性，为减少计算量，在有限元软件中建立1/2模型用于后续LNG超低温球阀温度场模拟，如图2所示。

图2 网格划分

3.2 网格划分

因为温度场有限元分析结果受网格精度的影响较小，采用四面体网格可以满足分析条件，设置单元网格尺寸为20mm。完成网格划分后的网格模型单元数为35059，节点数为93442。

3.3 材料参数及边界条件

根据ASME BPVC第II分册要求，并结合球阀的工况与经济性，阀体选用奥氏体不锈钢ASTM F316，材料的性能参数如表1所示。

表1 材料参数

阀门开启时，隔热板以上部件暴露在空气中，阀体的工作温度为-196℃，环境温度为22℃。因此模拟分析过程中将超低温球阀的内壁和表面的温度设置为-196℃，顶端部分阀杆、隔热板、加长阀盖颈部等其他部件与空气对流换热，热对流系数设置为12W/(m2·K)，环境温度设为22℃；因为采用1/2简化模型，设置对称面为理想绝热边界。

4 结果与分析

对温度场进行模拟求解，得到超低温球阀温度场云图，如图3。填料函外壁和阀杆中心线处的温度变化如图4及图5所示。

图3 超低温球阀温度场云图

从图3可以看出，因球阀内腔与外部环境的温差而发生的热对流和热传导，使得阀盖上部区域的温度明显高于球阀内腔。从图4中可看出填料函最低温度为6.2956℃，高于0℃不会因为其结冰而导致阀体泄漏，上装式带隔温板的LNG超低温球阀满足密封要求。

图4 填料函外壁温度分布云图和曲线

由图5可知，阀门开启时，阀杆底部和加长阀盖与超低温液化天然气接触，其温度与液化天然气温度相同，阀杆上部、隔热板、加长阀盖颈部等其他部件表面与空气对流换热，热量从表面向内部扩散，最后进入阀杆内部到达填料函。从阀杆底部温度相对较低，与阀盖底部发生热传导。隔热板增加了热流和冷流的作用面积，降低了空气与阀盖颈部进行自然对流换热传递的热量，同时也分散了部分从底部向上进行热传递的冷量，最终在隔热板抵消。

图5 阀杆中心线温度分布云图和曲线

5 LNG低温球阀温度场影响因素分析

LNG低温球阀的温度传递主要通过热传导与热对流，空气与阀盖等部件进行对流换热，将热量传到填料函。液化天然气的超低温从阀体传递给阀杆，最终到达填料函。通过热传导公式（1）和热对流公式（2）可知，材料的导热系数和表面对流换热系数对分析低温阀门的温度场起着重要的作用。

5.1 材料导热系数对LNG低温球阀温度场的影响

通过改变低温球阀材料的导热系数模拟低温球阀的温度场分布，得到导热系数与填料函底部温度的关系。将材料导热系数扩大或缩小0.2倍，得到填料函底部最低温度趋势图，如图6所示。

图6 材料导热系数对填料函底部温度的影响

由图6可知，随着导热系数增大，填料函底部温度呈线性减小。结合热传导公式（1），在其他因素不变的情况下，导热系数的增加，热量减少，由阀体通过导热传递给阀杆的冷量增加，使得传递给填料函的热量减小。所以在选择低温阀门材料时，应尽量选择导热系数低的材料，有助于提高低温球阀的密封性。

5.2 表面对流换热系数对LNG低温球阀温度场的影响

通过改变表面对流系数来模拟低温球阀的温度场分布，分析温度系数与填料函底部温度的关系。将表面对流换热系数扩大或缩小0.2倍，得到填料函底部最低温度的趋势图，如图7所示。

图7 表面对流换热系数对填料函底部温度的影响

图7表明：表面换热系数的增加有利于提高填料函底部温度。所以在低温阀门工作时，可以改变空气的流动形式，提高表面对流换热系数，从而提高低温球阀的密封性。

6 结语

本文结合传热学基本规律和有限元分析方法分析了上装式带隔热板的LNG超低温球阀，得到低温球阀工作时的温度场分布。

（1）上装式带隔热板的LNG超低温球阀在阀门开启时，填料函底部最低温度大于零，满足密封条件。

（2）对于上装式带隔热板的LNG超低温球阀，减小材料导热系数或增大表面对流换热系数能提高填料函底部温度和密封性。

（3）在设计和选用上装式带隔热板的LNG超低温球阀时，应该选用导热系数低的材料，并相应提高表面对流换热系数，从而提高低温球阀填料函底部的温度。