應(yīng)用有限元分析軟件分別對通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥在超低溫條件下的應(yīng)力進行分析。研究了球閥的閥桿、閥頸、閥蓋等部件的應(yīng)力在低溫下的數(shù)值。研究結(jié)果顯示出了球閥在低溫下的應(yīng)力集中部位，并提出了改進措施。為超低溫球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

1、前言

　　LNG作為一種清潔、高效的能源，其在能源供應(yīng)中的比例，以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業(yè)之一。近年來全球LNG的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，LNG已成為稀缺清潔資源，正在成為世界油氣工業(yè)新的熱點。在中國，盡管還沒有形成規(guī)模，但是LNG的特點決定LNG發(fā)展非常迅速�？梢灶A(yù)見，在未來10～20年的時間內(nèi)，LNG將成為中國天然氣市場的主力軍。2007年中國進口291萬噸LNG，2007年進口量是2006年進口量的3倍多。2008年1)11月中國液化天然氣進口總量為3,141,475噸，比2007年同期增長18.14%。2008年4月3日，由中船集團公司所屬滬東中華造船集團有限公司自主建造的我國第一艘LNG船成功交付，標(biāo)志著我國基本掌握了世界造船尖端技術(shù)，打破了國外在該領(lǐng)域的壟斷局面。隨著LNG工業(yè)的發(fā)展以及我國自主研發(fā)LNG船的成功，我國開始對船用作LNG超低溫閥門進行了自主研發(fā)。

　　超低溫閥門在使用過程中，閥門通道內(nèi)處于冷端溫度(約77K)，因此相對于常溫閥門來說，由于相互接觸的不同結(jié)構(gòu)體或同一結(jié)構(gòu)體的不同部分之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，在冷卻或加熱時彼此的收縮或膨脹程度不一致，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。超低溫閥門的閥體溫度比較低，閥蓋以上部分的溫度比較高，同時不銹鋼線性膨脹系數(shù)在高溫和低溫下的差異性，對閥門內(nèi)熱應(yīng)力的影響比較明顯。

　　本文采用ANSYS有限元分析軟件作為建模和分析平臺對通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥進行低溫下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，從而判定所設(shè)計的閥門結(jié)構(gòu)是否合理。

2、熱力學(xué)原理

　　眾所周知，物體的變形不僅僅是由于外力引起的，也可能由溫度的變化引起。對不均質(zhì)物體來說，當(dāng)物體由具有不同膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成時，物體被加熱或冷卻時，物體內(nèi)部受到約束會產(chǎn)生熱應(yīng)力。

圖1 作用于物體內(nèi)某點上的應(yīng)力

　　圖1為受力微元六面體，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，微元體發(fā)生變化，產(chǎn)生熱應(yīng)力。其應(yīng)變?yōu)閮刹糠纸M成，一部分是由于溫度變化所引起的，另一部分是由應(yīng)力引起的。從材料力學(xué)可知，微元體在三向應(yīng)力狀態(tài)下的虎克定律的形式如下：

　　物體受到熱脹冷縮與受拉、壓作用下的彈性伸縮極其相似，在彈性極限內(nèi)，當(dāng)作用力消失時物體能恢復(fù)原狀而無殘余變形以及物體的變形與受力大小成正比，這種現(xiàn)象在熱變形過程中也同樣存在，在一定條件下，熱變形也存在線性的關(guān)系。本文進行的熱應(yīng)力分析屬于靜態(tài)熱應(yīng)力分析，設(shè)X，Y，Z為體積力分量時，微元體的靜力平衡方程為：

　　上述的微分方程組是求解平面問題靜態(tài)熱應(yīng)力(包括機械應(yīng)力)的基礎(chǔ)。

3、應(yīng)力分析模型

3.1、幾何建模

　　首先對模型進行了簡化，將閥瓣去掉，對連座閥體、右閥體、長頸閥蓋、閥桿、填料函部件之間進行建模和裝配，由于填料函為柔性石墨，填料函與長頸閥蓋之間應(yīng)力較小，進行粘合處理，不考慮這些部件之間的接觸問題，見圖2。

1.閥體; 2.連座閥體; 3.長頸閥蓋; 4.閥桿; 5.填料函

圖2 DN15超低溫球閥裝配圖

圖3 DN15超低溫球閥幾何模型

3.2、有限元模型建模

　　(1)分析采用ansys的耦合單元，整個熱分析模型由三種材料構(gòu)成，主體材料為316L不銹鋼，閥桿材料為17-4PH不銹鋼，填料材料石墨。

　　(2)定義材料的性能參數(shù)(由于主體材料為316L不銹鋼，其余材料對分析不產(chǎn)生影響，故只需設(shè)置單一材料性能參數(shù))，材料參數(shù)見表1。

表1 316L不銹鋼低溫物性表

　　(3)網(wǎng)格劃分，由于模型不規(guī)則，采用自由網(wǎng)格和手動網(wǎng)格結(jié)合的方式對模型進行網(wǎng)格劃分，如下圖4所示。

圖4 DN15超低溫球閥劃分網(wǎng)格

　　(4)建立接觸單元，連座閥體和右閥體建立接觸對，長頸閥蓋與連座閥體以及右閥體建立接觸對，閥桿與填料函建立接觸對。

　　(5)定義邊界條件和載荷條件，選擇穩(wěn)態(tài)求解，設(shè)置參考溫度為298K。流道內(nèi)表面施加77K的溫度為第一類邊界條件。閥門外表面設(shè)置環(huán)境溫度為298K的自然對流換熱為第二類邊界條件，換熱系數(shù)為h=10W/m2.K。由于所建模型為1/2的對稱模型，在對稱面上施加絕熱條件。設(shè)置閥門的對稱面為對稱位移約束，在閥門兩端面上的Y方向和Z方向上設(shè)置位移為0的約束，X方向上不設(shè)置約束，閥門流道內(nèi)設(shè)置壓力為1MPa的介質(zhì)壓力。

　　(6)進行求解。

4、應(yīng)力分析

4.1、閥門整體應(yīng)力

圖5 DN15超低溫球閥溫度分布圖

　　圖5所示的是計算后的閥門溫度分布，低溫區(qū)域主要集中在和低溫液體接觸的內(nèi)部閥體部分，由閥體到閥桿向上，溫度梯度明顯，同時也會產(chǎn)生溫度應(yīng)力集中的區(qū)域。

圖6 DN15超低溫球閥綜合應(yīng)力分布圖

　　圖6所示的是閥門的綜合應(yīng)力，低溫閥門處于低溫下時，會產(chǎn)生變形位移，圖7的位移圖可以看出最大的位移量為0.137毫米，而在兩端面設(shè)置了位移約束，則必然會產(chǎn)生應(yīng)力集中，超出了材料的屈服強度(即灰色區(qū)域)。所以建議對于低溫閥門的兩端設(shè)置較長的緩沖管路，以減少由于溫度梯度而產(chǎn)生的應(yīng)力集中，破壞閥門材料。

圖7 DN15超低溫球閥應(yīng)力X方向位移

4.2、閥門關(guān)鍵部件應(yīng)力

圖8 長頸閥蓋米澤斯綜合應(yīng)力分布圖

圖9 閥桿米澤斯綜合應(yīng)力分布圖

　　熱載荷和機械載荷同時作用時，閥門的主體均在正常應(yīng)力范圍之內(nèi)，不會超過材料的屈服強度(210MPa)，當(dāng)逐個分析閥門部件時，觀察發(fā)現(xiàn)局部應(yīng)力雖然不會超過材料許可應(yīng)力的范圍，但也可能產(chǎn)生材料的疲勞強度破壞，如圖8和圖9所示的閥蓋和閥桿應(yīng)力，在圖上標(biāo)出的部分，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大處達到了712MPa。需要指出的是，由于閥桿和閥頸是溫度分布梯度最大的部件，而且閥桿的不停開關(guān)也容易產(chǎn)生疲勞破壞，故需要在應(yīng)力集中處進行加強措施，最為通常的做法是在應(yīng)力集中處圓角或倒角，從而避免因溫度而造成的材料破壞。

5、結(jié)論

　　本文運用有限元分析軟件ANSYS對DN15船用LNG超低溫球閥進行了低溫下的建模和有限元分析，得出了相應(yīng)的應(yīng)力分布和改進建議。

　　(1)設(shè)計的DN15船用超低溫球閥在日常使用中，閥體內(nèi)的低溫液體由下至上產(chǎn)生明顯的溫度梯度，從而在閥體，閥桿，閥桿上產(chǎn)生應(yīng)力。

　　(2)低溫下的閥體部件會產(chǎn)生應(yīng)力集中，其中在閥門進出口的管路會產(chǎn)生位移引起的應(yīng)力，在實際使用過程中，需要增加緩沖管路，以消除應(yīng)力和位移的影響。

　　(3)在低溫下，對于閥門內(nèi)部，也會產(chǎn)生應(yīng)力集中，特別是閥桿和閥蓋上，故需要進行必要的圓角或倒角處理，以減小熱應(yīng)力對材料的破壞。