密封面结构参数对LNG浮动球阀密封性能的研究

戴 明，徐小兵，张红瑞

(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434000)

0 引言

液化天然气(LNG)的运输存储温度低于-162 ℃，所以对于液化天然气的存储以及运输有着较高的要求。在运输过程中，作为管线咽喉的阀门就起到了关键作用，对其要求也更高。球阀具有密封性能好、摩擦小、启闭迅速、精准度高以及可安装不同的执行器等特点，在石油化工、管线运输、城市水道以及家庭生活等行业中被广泛使用。

国内外学者对超低温球阀的相关结构和应用的研究不计其数，如Dskim，Mskin[1]等对其温度场分布以及热应力应变进行了总体的研究分析，描述了低温球阀的温度传递过程以及在低温环境下的应力集中点和大应变位置。Mathieu[2]等研究了冷冲击对超低温阀门法兰密封处的影响，解决了模型选择的问题，更好地描述了零件的受冷行为。Sang-Kyu Bae，Dong-Soo Kim，Hyun-Sub Kim[5]等人对LNG用高压下的低温球阀进行了结构设计的分析。Kim Dong Su[6]等人利用CAE和CFD数值计算方法对高压低温球阀的内流场和热物质进行了分析。韩传军[3]等人对天然气管道用的软密封高压球阀进行了数值模拟研究，说明了应力和载荷分布情况，从而预先确定了潜在的问题，使得阀门的密封和强度能够满足要求，为球阀的可靠性和安全性作出了指导性的建议。兰州理工大学高扬[12]等人对于常规使用下的浮动球阀在受到不同的介质压力时的密封比压的变化做了研究分析，得出在密封面上其密封比压的分布呈对称分布，两端应力值大，中部应力值小，随着介质压力变大，其密封比压也随之增大。杨刚[13]等人对超低温固定式球阀密封副上的密封比压在不同的压力角下的变化做了相应的研究分析，随着压力角的增大，密封比压值增大，有效密封宽度却在减小。

目前国内外针对固定球阀的研究比较全面，但对于浮动球阀的研究还需要进一步开展。浮动球阀在石油化工行业中，尤其是在LNG的传输中其应用得最为广泛，而由于LNG对于密封要求比较高，所以对于LNG超低温浮动球阀的密封比压的分析则显得尤为重要。密封面的位置(由压力角大小决定)和面积大小(由密封面宽度决定)又影响着密封比压的大小和密封的性能，所以对于这两大因素的分析在密封设计过程中有着举足轻重的影响。

1 模型建立

1.1 物理模型

图1 浮动球阀三维模型图

由于浮动球阀是一个对称结构，本文采用Solidworks软件和Workbench软件相结合建立DN50浮动球阀的二分之一模型，并根据实际的工作情况选取合适的边界条件，将超低温介质的温度传递耦合到球阀受到介质压力的静应力场中。结合理论设计计算中的压力角和介质压力对密封压力的影响因素，本文以压力角43°和设计介质压力6.4 MPa为基准上下调整压力角和密封面宽度对密封性能进行分析，图1为长阀杆结构的超低温浮动球阀三维模型，模型中包含了加长阀杆结构、除静电结构、防火结构和防吹出结构四种特殊结构。图2为浮动球阀球体与出口阀座的密封示意图，球体在介质压力作用下压在出口阀座上。

图2 密封示意图

本文所研究的LNG超低温浮动球阀，主体部分采用316不锈钢(Cr18Ni12Mo2Ti)，具体材料性能参数如表1所示，填料部分采用柔性石墨，阀体密封圈和止推垫部分采用聚四氟乙烯(PTFE)，在模型材料设置中采用其平均参数，如表2所示。

表1 316不锈钢(Cr18Ni12Mo2Ti)的性能参数

表2 聚四氟乙烯(PTFE)的性能参数

1.2 数学模型

1.2.1 必需比压qb

必需比压qb是为保证密封，在密封面单位面积上所需要的最小压力。在阀门的设计过程中，必需比压为：

(1)

式中：m为流体介质的性能参数，对于LNG密封要求较高的介质，我们选取m=1.8；a，c为密封面相关的材料系数，对于本文中采用的硬质合金的密封结构，选取a=3.5，c=1；P为流体的工作压力，b为密封面在垂直于流动方向上的投影(b=tcosφ，t为密封面宽度)。

1.2.2 许用比压[q]

许用比压[q]是指密封面单位面积上允许承受的最大压力。本文研究的浮动球阀，由于浮动球阀的使用环境是一个中低压环境，所采用的是316奥氏体不锈钢，球体与阀座之间有转动摩擦，其许用比压为[q]=40 MPa。

1.2.3 设计比压q

设计比压q是指设计时确定的密封面单位面积上实际承受的压力。

(2)

S=πtp(D1+b)

(3)

(4)

对于硬密封的浮动球阀，其阀座受到的预紧力相比较于流动介质所产生的压力要小得多，所以在设计计算中可将其忽略不计，因此可以用流体介质产生的压力来计算密封面上的总作用力Q。

(5)

式中：D1为阀座密封面外径；D2为阀座密封面内径。

1.3 传热模型

一般将传热过程分为热传导、对流换热以及热辐射三种方式。根据这三种传热方式的原理结合分析模型，在超低温浮动球阀中所出现的传热过程分为阀门内部分热传导以及阀门表面和空气产生的对流换热。

1)热传导：在稳态热传导下，假定为内热。

(6)

式中，ρ为密度；cp为固体的定压比热；k为导热系数；t为温度。

2)对流换热

(7)

式中，ts为固体表面温度；tf为外界空气温度；h为对流换热系数；n表示与表面垂直的方向。

1.4 数值模型

1.4.1 网格划分

图3 阀座细化网格

将1.1中建立的几何模型，通过SW和AW的接口导入进AW的分析模块中，对浮动球阀模型我们采用workbench Mesh中六面体网格的数学方法将自动网格划分为六面体，并且对球体与出口阀座接触面处进行相应的网格细分，使得结果运算更加精确。划分后得到的数值模拟网格模型如图3所示。

1.4.2 边界条件和载荷条件

(1)第一边界条件

对于LNG用的超低温浮动球阀，如1.3节中所述球阀外表面与空气的换热方式为对流换热，设置当时的环境温度为293.15 K，由于其为单一对流换热，所以换热系数定为h=10 W·(m2·K)-1。

(2)第二边界条件

在稳定工作状态下，球阀内部与超低温介质LNG(111.15 K)相接触，因此球阀内表面的温度与LNG温度一致，内表面设置温度为111.15 K。

(3)载荷条件

球阀模型是对称的，在对称面上添加热对称载荷约束(即为绝热约束)，设定内部压力载荷为6.4 MPa，介于浮动球阀的密封原理，其进口端保留一定的在流速方向上的自由移动状态，因此设置进口端Y、Z方向上全约束，X方向上自由，而出口端进行固定全约束，在对称面上添加对称约束(即为无摩擦约束)。

2 数值模拟分析

浮动球阀的球心受到介质压力时，会向出口端阀座移动，并与阀座挤压贴合以达到密封的要求。在浮动球阀关闭受压情况下，对于出口端的密封要求性能较高，在超低温环境中影响密封比压的因素有温度、压力角、密封接触面宽度和压力等。本节主要研究的是压力角和密封接触面宽度的变化对超低温浮动球阀密封比压的影响，进而分析其密封性能的优劣。

2.1 压力角对密封比压的影响

在设计过程中，对41°/42°/43°/44°/45°五种不同的压力角进行数值模拟分析。考虑到其他阀座结构参数会对密封比压和性能产生影响，因此在计算过程中固定密封面宽度为6 mm和阀座厚度为10.5 mm，由于浮动球阀自身结构的原因，只使用于中低压(公称压力≤6.4 MPa)环境，因此选定介质压力为6.4 MPa。

图4为41°压力角的阀座温度分布云图。从温度分布图中可以看出，阀座下端与环境温差大于上端。

图4 压力角为41°温度分布云图

图5和图6为热-固耦合应力分布云图和接触面应力分布图。从图中看出，在密封面的内径处其密封比压值比外径处要大。这是由于当上端开口与阀杆完全贴合时，球体上端会由阀杆固定，而随着压力的持续性作用和增大(增大至6.4 MPa后保持不变)，此时球体将会有一个翻转的趋势，如图7所示。这时在密封接触面的中间部位会有一个倾斜的接触使得中间部位的温度以及应力的分布不均匀，应力值也相对较小。通过上述分析，得到在超低温浮动球阀的密封面上其密封比压的分布呈不均匀状态，在上中下三个部位的应力变化明显且不与固定式球阀有着类似的对称分布，所以在阀座密封面的上中下三个部位设置应力提取路径，如图8所示，对三条路径上的比压变化进行分析。

图5 阀座应力分布云图(Φ=41°)

图6 阀座接触密封面应力分布图(Φ=41°)

图7 球体翻转趋势示意图

图8 三个位置路径图

提取三个路径上的应力数值绘制密封比压在密封接触面上的变化曲线，如图9所示。上端和下端其密封比压的变化趋势相近，都呈现类似于“W”的变化趋势，且都在密封面的内径处比压值最大。下路径的应力变化趋势呈现出先减小后增大的趋势。由公式(1)算出41°压力角下的许用比压为8.37 MPa，所以在该压力角下的密封比压的取值范围为8.37～40 MPa，由公式(2)计算得出41°压力角时密封面的平均密封比压为20.11 MPa。由此可得出在上下两端处均能满足密封比压要求，而在中路径处其只有2.5 mm密封宽度满足密封比压要求，其有效密封率为42%。对此改变密封面压力角的大小分析随着压力角的变化其密封比压的变化。

图9 41°三路径应力变化图

对此改变压力角的大小，对42°、43°、44°、45°下的密封面的密封比压分布情况进行分析，并与41°的数值进行比较。图10图11为五种不同压力角的上下端的密封比压变化曲线。从图中可以看出，随着压力角的增大，上下端的密封比压也在增大，且都呈类“W”的变化趋势。结合表3中的理论计算，可知在不同压力角下上下两端均能满足密封比压的要求。

图10 不同压力角上端密封比压变化曲线

图11 不同压力角下端密封比压变化曲线

表3 理论计算比压数值

图12为中端五种不同压力角下中端密封比压变化曲线图。从图中发现，它们的密封比压变化趋势是相同的，都呈“勺”型分布。但是从图中发现，在3～4 mm之间曲线发生了交叉，将整个曲线分成了两部分。在0～3 mm内，密封比压随着压力角的增大而变小；在4～6 mm内，密封比压随着压力角的增大而增大。结合表3中的计算数值，在中端密封面上其密封比压值很明显不能全部满足密封比压要求。从图12中可以得出各个压力角下满足密封比压要求的有效密封宽度，如表4所示。

图12 不同压力角中端密封比压变化曲线

表4 不同角度下的有效密封宽度

综合表4中的有效密封宽度的数据，我们可以得出当压力角为42°时，在密封面的三个部位上，密封比压值能最大限度地满足密封比压的要求，且在满足密封比压的同时，可以提供最大的密封宽度，提高密封面的密封性能，但是在密封面的利用率上还是比较低的。

2.2 接触面宽度对密封比压的影响

图13 不同接触半宽示意图

为了研究密封接触面宽度对密封比压的影响，获得更高的密封面利用率。保持其他参数不变，选定压力角为42°，改变接触面宽度(初始宽度为6 mm)，分别为5.5 mm、5 mm、4.5 mm、4 mm。网格模型如图13所示。

图14为4 mm密封面应力分布图，由于密封面的许用比压值为40 MPa，因此其并不能符合使用要求。

图14 4 mm密封面应力分布云图

图15、图16、图17为4.5 mm、5 mm和5.5 mm密封面三条路径上的应力变化曲线。结合上文中6 mm的变化趋势，随着密封面宽度的减小，密封面的应力值在增大，在宽度减小到4.5 mm时，其内外径的应力值趋于一致。

图15 4.5 mm密封比压变化图

图16 5 mm密封比压变化图

图17 5.5 mm密封比压变化图

由式(1)可得出在不同密封面宽度下的必需比压值，由此比较得出不同密封面宽度下的有效宽度和有效利用率，结果如表5所示。

表5 不同密封面宽度下的有效宽度

综合2.1和2.2节的分析数据，得出在密封面压力角为42°，接触面宽度为5 mm时，其密封面的压力值更合理，超低温浮动球阀的密封性能更优，接触面的密封利用率更高。

3 结论

通过对超低温浮动球阀的密封面结构的热-固耦合分析，得出如下主要结论：

1)当压力角增大时，密封比压值在密封面的三个路径上也不断增大，但有效密封面宽度先增大后减小，在42°时有效密封面宽度最大，密封性能最好。

2)在接触面宽度减小时，密封比压值在密封面的三个路径上却不断增加，有效密封面宽度先增大后减小，在5 mm时有效密封面宽度最大，接触面利用率也最高，密封性能最好。

3)在压力角为42°，接触面宽度为5 mm时，有效密封面宽度最宽，接触面的利用率最好且密封比压值也满足使用要求，密封性能最优。