LNG船用超低溫球閥的低溫應(yīng)力分析及數(shù)值模擬

2013-07-08 朱立偉上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所

　　應(yīng)用有限元分析軟件分別對(duì)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(jìn)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(jìn)措施。為超低溫球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)，成為全球增長(zhǎng)最迅猛的能源行業(yè)之一。近年來(lái)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(diǎn)。在中國(guó)，盡管還沒(méi)有形成規(guī)模，但是LNG的特點(diǎn)決定LNG發(fā)展非常迅速�？梢灶A(yù)見(jiàn)，在未來(lái)10～20年的時(shí)間內(nèi)，LNG將成為中國(guó)天然氣市場(chǎng)的主力軍。2007年中國(guó)進(jìn)口291萬(wàn)噸LNG，2007年進(jìn)口量是2006年進(jìn)口量的3倍多。2008年1)11月中國(guó)液化天然氣進(jìn)口總量為3,141,475噸，比2007年同期增長(zhǎng)18.14%。2008年4月3日，由中船集團(tuán)公司所屬滬東中華造船集團(tuán)有限公司自主建造的我國(guó)第一艘LNG船成功交付，標(biāo)志著我國(guó)基本掌握了世界造船尖端技術(shù)，打破了國(guó)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(guó)自主研發(fā)LNG船的成功，我國(guó)開(kāi)始對(duì)船用作LNG超低溫閥門(mén)進(jìn)行了自主研發(fā)。

　　超低溫閥門(mén)在使用過(guò)程中，閥門(mén)通道內(nèi)處于冷端溫度(約77K)，因此相對(duì)于常溫閥門(mén)來(lái)說(shuō)，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(shí)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(mén)的閥體溫度比較低，閥蓋以上部分的溫度比較高，同時(shí)不銹鋼線性膨脹系數(shù)在高溫和低溫下的差異性，對(duì)閥門(mén)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(tái)對(duì)通徑為DN15的LNG船用超低溫球閥進(jìn)行低溫下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，從而判定所設(shè)計(jì)的閥門(mén)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(duì)不均質(zhì)物體來(lái)說(shuō)，當(dāng)物體由具有不同膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成時(shí)，物體被加熱或冷卻時(shí)，物體內(nèi)部受到約束會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。

圖1 作用于物體內(nèi)某點(diǎn)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(shí)，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(shí)物體能恢復(fù)原狀而無(wú)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(guò)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(jìn)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(shí)，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(wèn)題靜態(tài)熱應(yīng)力(包括機(jī)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(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將閥瓣去掉，對(duì)連座閥體、右閥體、長(zhǎng)頸閥蓋、閥桿、填料函部件之間進(jìn)行建模和裝配，由于填料函為柔性石墨，填料函與長(zhǎng)頸閥蓋之間應(yīng)力較小，進(jìn)行粘合處理，不考慮這些部件之間的接觸問(wèn)題，見(jiàn)圖2。

1.閥體; 2.連座閥體; 3.長(zhǎng)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(gè)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(duì)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(jiàn)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(dòng)網(wǎng)格結(jié)合的方式對(duì)模型進(jìn)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(duì)，長(zhǎng)頸閥蓋與連座閥體以及右閥體建立接觸對(duì)，閥桿與填料函建立接觸對(duì)。

　　(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(lèi)邊界條件。閥門(mén)外表面設(shè)置環(huán)境溫度為298K的自然對(duì)流換熱為第二類(lèi)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(duì)稱模型，在對(duì)稱面上施加絕熱條件。設(shè)置閥門(mén)的對(duì)稱面為對(duì)稱位移約束，在閥門(mén)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(mén)流道內(nèi)設(shè)置壓力為1MPa的介質(zhì)壓力。

　　(6)進(jìn)行求解。

4、應(yīng)力分析

4.1、閥門(mén)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(jì)算后的閥門(mén)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(shí)也會(huì)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(mén)的綜合應(yīng)力，低溫閥門(mén)處于低溫下時(shí)，會(huì)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，超出了材料的屈服強(qiáng)度(即灰色區(qū)域)。所以建議對(duì)于低溫閥門(mén)的兩端設(shè)置較長(zhǎng)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(mén)材料。

圖7 DN15超低溫球閥應(yīng)力X方向位移

4.2、閥門(mén)關(guān)鍵部件應(yīng)力

圖8 長(zhǎng)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(jī)械載荷同時(shí)作用時(shí)，閥門(mén)的主體均在正常應(yīng)力范圍之內(nèi)，不會(huì)超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度(210MPa)，當(dāng)逐個(gè)分析閥門(mén)部件時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)局部應(yīng)力雖然不會(huì)超過(guò)材料許可應(yīng)力的范圍，但也可能產(chǎn)生材料的疲勞強(qiáng)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(dá)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(kāi)關(guān)也容易產(chǎn)生疲勞破壞，故需要在應(yīng)力集中處進(jìn)行加強(qiáng)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。