基于ANSYS 的LNG 用止回閥熱耦合分析

師麗俠，鐘 璞，顧志剛

（常州紡織服裝職業技術學院，江蘇 常州 213164）

0 引言

低溫閥門是天然氣、石油化工和低溫工程上不可缺少的重要設備之一[1]，在天然氣行業，LNG 是在-163 ℃低溫下壓縮成的液化天然氣，LNG 是具有易燃易爆且滲透性強的超低溫介質，從生產到消費整個過程中，需要使用到大量的閥門，這類閥門屬于“超低溫閥門”，LNG 設備安全可靠地運行需要超低溫閥門提供保障，以防止在超低溫環境中閥門出現故障，從而引發嚴重事故[2]。根據閥門使用的工況，LNG 行業使用的超低溫閥門對可靠性與安全性比普通的低溫閥門的要求更高，這類閥門滿足耐低溫、耐高壓的技術要求具有極為重要的作用，因此研究在超低溫工況下的閥門具有非常積極的意義[3]。本文對選用某閥門企業的止回閥做了溫度場及熱耦合分析模擬，運用CAE 軟件對閥門進行模擬仿真分析計算可以縮短試驗設計流程，實現閥門優化設計的快速反饋，減少物理樣機的試驗和設計成本。

1 簡介

止回閥是指依靠介質本身流動而自動開、閉閥瓣，用來防止介質倒流的閥門，又稱逆止閥。止回閥的閥瓣在流體壓力作用下開啟，流體從進口側流向出口側，當進口側壓力低于出口側時，閥瓣在流體壓差、本身重力等因素作用下自動關閉以防止流體倒流[4]。本研究擬用某型LNG 用超低溫止回閥為研究對象，該止回閥的關鍵部位有閥體、閥蓋、閥座、墊片等，止回閥結構示意圖如圖1 所示。

圖1 止回閥結構示意圖

2 有限元模型的建立

2.1 建立物理模型

由于止回閥的模型比較復雜，而ANSYS 的實體建模功能比較薄弱，因此本研究中使用Solidworks 軟件創建止回閥的裝配體模型，在建立有限元分析模型之前，為了降低有限元計算過程的復雜程度，提高有限元分析的運算速度，依據適度簡化思路對裝配模型進行簡化。止回閥主要有閥體、閥蓋、閥瓣等組成，將幾何模型導入進ANSYS Workbench 中，ANSYS在導入模型的過程中自動識別并且建立了各連接件之間的接觸關系，由此大大簡化了接觸關系的定義工作，極大地提高了效率，建立的止回閥模型如圖2所示。

圖2 止回閥模型

2.2 材料屬性

根據建立的幾何模型和有限元模型，定義各組成部分的材料屬性，本研究中止回閥的材料為奧氏體不銹鋼，在求解過程中材料的分析參數包括導熱系數、泊松比以及材料密度等，用于分析的計算參數如表1 所示。

表1 分析計算參數見表

2.3 網格劃分

網格劃分是有限元前處理中的主要工作，也是整個有限元分析的關鍵工作，網格劃分的質量和優劣將對計算結果產生相當大的影響，它不僅繁瑣、費時，而且在很多地方依賴于人的經驗和技巧。ANSYS Workbench 的網格劃分是比較智能化的，有多種控制方法。

本研究采用曲率網格劃分的方法，網格為四面體，網格中三角形越接近正三角形，網格的質量越高，分析出的數據就越精確。劃分網格后的模型如圖3 所示，共生成124 503 個節點，67 049 個單元。

圖3 劃分網格結果

3 有限元分析

3.1 止回閥的熱分析

在工程上，通常關心的是結構的溫度和熱流量，即當系統達到穩態時的熱分布情況，因而在ANSYS Workbench 中采用穩態熱分析法進行分析。穩態熱分析的能量平衡方程為：

其中【K】為傳導矩陣，包含導熱系數、對流系數及輻射率和形狀系數；｛T｝為節點溫度向量；｛Q｝為節點熱流率向量，包含熱生成。

具體的求解過程如下：

熱載荷的加載：在ANSYS Workbench 中熱載荷主要包括熱流量、熱導率、完全絕熱和內部生成熱，本文根據設計要求，加載溫度載荷，止回閥正常運行狀態，閥門開啟，閥門流道與液化天然氣進行對流換熱，本研究熱力分析主要研究止回閥在-196 ℃工況下的熱力分析，對超低溫閥門在試驗工況（-196 ℃）下的溫度分布進行有限元分析。

邊界條件的設置：邊界條件包括給定溫度、對流和輻射，本文分析的內容中，溫度和熱對流對研究都有較大的影響，因此，這兩方面的因素都需要考慮，施加對流載荷Convection：假設止回閥工作的外部環境為22 ℃，止回閥的外表面傳熱方式為靜態空氣對流換熱，導熱系數為8e-006W/（mm2·℃），由于止回閥的工作地點大都是埋在地下，只有少部分是暴露在空氣中，因此只需要對上邊一部分施加對流載荷。

求解結果：設置好參數后，對模型進行求解，求解結果如圖4 所示。

圖4 止回閥在-196℃溫度場分布

溫度場分布結果分析：通過對止回閥內部施加溫度載荷以及外部閥蓋部位施加對流載荷，從溫度場分析圖中可以看出，止回閥的最高溫度為-114.44℃，即在止回閥的閥蓋上部，如圖4 所示。本研究得出的數據滿足實際要求，-114 ℃左右的溫度是比較低的溫度，人工操作時需要使用輔助工具。

3.2 止回閥的熱-結構耦合分析

在止回閥的結果分析中，比較關注的結果是止回閥個組成部分的位移，即熱變形。本研究使用線性靜力結構分析的方法，其平衡方程為：

其中：｛F｝為靜力載荷，不考慮隨時間變化的載荷和慣性的的影響；｛X｝為位移矩陣。【K】矩陣必須是連續的，相應的材料滿足線彈性和小變形理論。

在ANSYS Workbench 中，主要的載荷和約束分為慣性載荷、結構載荷、結構支撐和熱載荷。

耦合分析：對止回閥施加2 MPa 的內壓，進行熱耦合分析，經過軟件分析計算得出止回閥在-196 ℃試驗工況下的熱應變分布及變形量分布圖。由圖5可以看出熱應變分布比較均勻，由于止回閥的工作狀態為超低溫，符合熱脹冷縮的原理，應變數值均為負值，應查看其絕對值，通過分析結果可以看出最大熱應變出現在閥體入口和出口處，熱應變值很小，閥體奧氏體不銹鋼材料滿足設計要求。由圖6 止回閥的總變形分布圖可以看得出止回閥不同位置處的變形量，變形量最大值出現在閥體入口和出口處，與止回閥最大熱應變值出現的位置相同，變形量最大值為1.650 6 mm。閥體的結構設計基本符合要求，止回閥在工況下可以正常工作，止回閥的材料及其結構性能滿足使用要求。

圖5 止回閥的熱應變分布圖

圖6 止回閥的總變形分布圖

4 總結

本文通過ANSYS 軟件建立了LNG 低溫止回閥有限元模型，對模型進行了溫度場分析和熱力耦合分析，根據止回閥的總變形分布圖，可以得出在超低溫工況下，閥體入口和出口處的位移量較大，即最大收縮變形量為1.65 mm，閥體的入口與出口處在與管道連接的時需要考慮閥門尺寸的收縮量。由于LNG行業使用的超低溫閥門對可靠性要求更高，可以進一步優化止回閥結構，分析結果為進一步研究在超低溫工況下止回閥結構優化設計提供了參考意義。