大口徑LNG超低溫球閥瞬態傳熱及密封研究

羅起飛

（中國圣博萊閥門有限公司,上海 201500）

天然氣是一種清潔能源，其在使用時可減少二氧化硫、二氧化碳、碳氧化合物以及粉塵的排放[1]。而隨著天然氣開發力度的加強，且其具有高效、環保的特征，正逐漸發展成為第一能源。為了更加方便天然氣的使用和運輸，一般會將天然氣壓縮成液態，即液化天然氣（LNG）。在此工藝中，大口徑LNG超低溫閥門是關鍵性配套設備。大口徑LNG超低溫閥門的傳熱和密封性能是安全使用液化天然氣的重要環節，因此該設備的傳熱和密封性能必須得到保證。

1 超低溫球閥瞬態傳熱過程分析

1.1 瞬態溫度場分析的有限元理論基礎

超低溫球閥的內部流體和流道的對流換熱是超低溫球閥的主要熱量來源，當流體進入到閥內時，流體會作為熱量與其內部流道進行對流換熱，而球閥的外部會與環境溫度進行對流換熱。當流體剛進入閥內時，該球閥的溫度場分析屬于無內熱源問題的瞬態熱分析。閥門內無流體通過時，閥門的各個部位會維持常溫狀態。而當低溫流體突然流入閥內時，閥內壁面的溫度會很快地下降，而傳熱需要一定的時間，閥外壁面的溫度依然是常溫狀態，因此閥門壁內外會形成溫差，讓閥體受到冷沖擊，進而產生非定常的熱應力，導致超低溫閥門失效。

1.2 超低溫球閥正常運行狀態瞬態過程分析

運用ANSYS軟件對低溫流體進入閥內導致球閥溫度及應力穩定的變化過程進行計算分析。環境溫度設定為22℃，選取瞬態分析模式，滴水板上部與空氣發生自然對流。換熱系數設定為10W/m2·℃，閥體在滴水板下，外表包裝好保溫層，保溫層的導熱系數很小，可將其視作絕熱邊界。然后設定載荷子步，完成時間為1450s，載荷步為60s，然后運用ANSYS軟件對低溫流體進入閥內導致球閥溫度及應力穩定的變化過程進行計算分析。

結果顯示，超低溫球閥整體溫度達到穩定所需要大約1000秒鐘左右的時間，并且其填料函底部的溫度始終0℃以上，滿足低溫工況下的傳熱要求。而閥芯中間部位、兩端流道內部以及閥體底部的應力隨時間的變化規律為：前60秒內因為溫差大，會產生較大的溫差應力，但隨閥體內外溫差的逐漸減小，約1000秒鐘左右時其應力分布會逐漸趨向于穩定的狀態。從整體應力變化的情況中可以看出，閥壁厚度變化的地方，容易產生較大的應力，并且容易出現疲勞裂紋。而閥壁較厚且分布均勻的地方熱應力會比較小。

2 液化天然氣超低溫球閥密封研究

2.1 球閥的密封原理研究

球閥的密封原理是通過不同的途徑來阻止介質的滲漏。金屬軟密封是目前廣泛采用超低溫閥門密封方式，該方式是將金屬與非金屬材料通過復雜的工藝復合到一起。這種密封形式的優點在于能避免閥門開閉時閥座與球體之間的硬性擦傷，減小密封副之間的摩擦力，提高了密封面的耐磨性和使用壽命，同時也能保證其密封效果。軟密封球具有價格偏宜、泄漏率低等優點，但其缺點是只能適用于小口徑的低壓工作環境。

2.2 密封材料研究

LNG閥門正常的工作溫度在-163℃左右，在這樣的超低溫工作環境下，一般的材料其強度和硬度都會有所升高，塑性和韌性都會大幅度下降，這將會嚴重影響到閥門使用的安全性，超低溫環境下保證閥門安全的材料便會因此而成為閥門領域的重點研究對像。現今低溫填料主要有聚四氟乙烯、石棉、浸漬聚四氟乙烯石以及棉繩等。石棉容易出現滲透泄露，聚四氟乙冷脆冷流較為明顯，相比之下，聚三氟乙烯（PCTFE）脆裂現象發生少，無滲透情況，不助燃，PCTFE能耐受-196℃的超低溫。伴隨著溫度的降低，分子鏈的排列會更加緊密，其體積會相應變小，空隙率會逐漸降低，分子鏈之間的作用會逐漸增強，其硬度、彎曲度以及抗拉強度也會有相應的提高，在液化氦、液化氧以及液化天然氣中不容易發生脆裂，也不會發生蠕變。PCTFE材料在超低溫下的抗拉強度及彈性模量與PTFE等材料要好很多，是較佳的密封聚合物，在目前密封材料選擇和應用中較為廣泛。隨著門閥材料研究，柔性石墨也逐漸被應用，柔性石墨耐低溫、抗腐蝕，具有極佳的密封性能。另外在設計低溫門閥的時候，通常溫度不高于負70攝氏度時不再采用非金屬密封材料。

3 討論

近年來國際石油價格不斷上漲，而石油和煤炭的大量使用對地球生態環境的破壞性也不斷增強[2]。天然氣的開發和使用可以大大減少煤炭和石油的使用量，進而可改善環境污染的問題。液化天然氣是我國的朝陽產業，對建設可持續發展及環境友好型社會起著至關重要的作用。而LNG超低溫閥門是保證液化天然氣裝置安全運行的關鍵性環節，根據相關報告顯示，閥門雖然占LNG產業總投資的比率不高，但其維修費用約為總維修費用的一半以上。LNG超低溫閥門被廣泛應用于液化天然氣生產工廠、接收站、運輸裝置以及氣化站等地方。由于LNG具有易燃易爆并且容易氣化等特點，因此LNG超低溫閥門必須具有自動泄壓、防靜電、防火等結構，并需要采用多重密封保證長頸閥蓋處填料函的密封性能。 在超低溫的環節中，液化天然氣閥門閥座泄露等問題時有發生，溫度分布的情況、低溫熱應力和密封性能的好壞對門閥是否能夠安全運行有著直接影響。

[1]那麗,呂赟.超低溫球閥的結構設計特點及安裝要求[J].煤化工,2013,41(02):65-67.

[2]李連翠.大口徑LNG超低溫球閥瞬態傳熱及密封研究[D].蘭州理工大學,2014.