LNG深冷調節閥結構強度及閥桿振動分析

王 寧1，王若凡1，馮 浩2，諶傳江2，顏炳良2，蘇君輝2

（1.國家石油天然氣管網集團有限公司 深圳液化天然氣項目經理部，深圳 518000；2.重慶川儀調節閥有限公司，重慶 400707）

近年來，中國LNG進口市場持續擴大，LNG在工業領域的應用將進一步增加。作為工藝管道上末端動作裝置的LNG接收站用深冷調節閥，其安全性和可靠性關系整個接收站的穩定運行和控制，一旦閥門發生外漏，LNG介質所具有的低溫、易燃、易爆等特性將會對現場人員和設備造成不利影響。因此，開展LNG深冷溫調節閥承壓件結構強度的分析及其細長閥桿振動情況的研究，對閥門設計安全性提升意義重大。

劉金梁等[1]建立了核級閥門的數學模型，采用有限元法進行閥門強度校核，并與理論計算結果進行了比較；王雯等[2]針對單座式調節閥閥芯閥桿系統，研究了其流固耦合振動問題；張小斌等[3]研究某氣體管道閥門小開度工況下的管路振動問題，采用模態計算和流場模擬的方法進行了管道振動分析。此外，申永康等[4]對大型攔污柵結構進行了液固耦合流激振動分析研究；李樹勛等[5]對高壓降套筒式蒸汽疏水閥進行了振動特性研究。

本文針對LNG接收站某工位深冷調節閥，運用ANSYS軟件，首先根據其殼體強度試驗工況進行了結構強度分析，對受力作用的部件進行應力評定和強度校核，保證閥門結構強度滿足設計要求。同時，鑒于深冷調節閥特殊的細長閥桿結構，分析了流體瞬態沖擊以及閥門帶載振動對細長閥桿的影響，從而對閥桿振動情況進行深入研究。

1 LNG深冷調節閥分析模型

1.1 工況參數

LNG深冷調節閥規格及工況參數見表1。

表1 設計及工況參數Table 1 Design and working condition parameters

LNG深冷調節閥主要部件包括：閥體、伸長上閥蓋、閥內套筒、閥塞部件等，根據《ASME BPVC SECT. Ⅱ Part D, 2015 ED》[6]查詢其主要零部件的材質物理參數見表2。

表2 主要零部件材料物理性能參數Table 2 Physical performance parameters of main parts and materials

1.2 三維模型

在不影響分析結果的前提下，對閥門實物的細微特征進行適當簡化，建立其三維幾何模型。由于閥門模型關于中心面對稱，考慮到分析計算的高效性，采用一半模型進行仿真計算，閥門的三維實體模型如圖1。

圖1 LNG深冷調節閥三維實體模型Fig.1 Three dimensional solid model of LNG cryogenic control valve

2 LNG深冷調節閥結構強度分析

2.1 承壓部件網格劃分

將所建立的閥門承壓部件（閥體、上閥蓋）三維實體模型導入ANSYS軟件中，采用自適應網格劃分和局部網格控制技術劃分網格。為選擇最優的網格數量和網格質量，以閥體模型為例，進行網格無關性檢驗見表3。

表3 網格無關性驗證Table 3 Grid independence verification

為在保證求解精度的基礎上節約計算成本，閥體選用網格數為48217的結構網格模型，具體的閥體和上閥蓋網格模型如圖2。

圖2 閥體和上閥蓋結構分析網格模型Fig.2 Structural analysis grid model of valve body and upper bonnet

2.2 強度試驗工況應力分析

在殼體強度試驗時，閥門進出端均封堵，閥腔內介質壓力為閥門公稱壓力的1.5倍，是閥門受壓最為嚴苛的工況，故以此工況進行結構強度分析。對閥體兩端法蘭面施加固定約束，施加豎直向下的重力加速度，對所有承壓表面施加壓力16.5MPa，上閥蓋受到的單個螺栓載荷7.2×104N。

承壓件應力分析結果如圖3，閥體所受最大應力為370.11MPa，出現在閥體進口流道內腔面上；上閥蓋所受最大應力為281.86MPa，出現在上閥蓋底面凸臺根部。

圖3 閥體、上閥蓋強度試驗工況等效應力云圖Fig.3 Cloud chart of equivalent forces under strength test conditions of valve body and upper bonnet

根據等效應力分析結果可知，最大等效應力值超出了CF8M材料的許用應力值138MPa，按照《ASME BPVC SECT. VIII -II,2017 ED》標準第5篇按分析設計要求中第5.15節的相關判定規則[7,8]，對局部超應力部位進行應力強度評定，具體評定結果見表4、表5。

表4 閥體應力強度評定結果Table 4 Evaluation results of valve body stress intensity

表5 上閥蓋應力強度評定結果Table 5 Evaluation results of stress intensity of upper bonnet

以閥體零件為例，圖4為閥體最大應力處的線性化評定圖，對由點1至點2路徑進行應力評定，等效線性化評定線如圖5。閥體應力評定線的薄膜應力沿壁厚方向均勻分布，為183.37MPa；彎曲應力中間位置為0MPa，由中間向兩邊逐漸增大，且呈對稱變化，內外壁的應力最大值為160.2MPa；薄膜加彎曲應力由閥體內壁到外壁逐漸降低，在內壁面出現最大應力值，為343.53MPa。根據閥體和上閥蓋應力評定結果，其結構強度均滿足要求。

圖4 閥體最大應力處等效應力線性化云圖Fig.4 Linearized cloud chart of equivalent stress at the maximum stress of valve body

圖5 閥體最大應力處等效應力線性化評定數據圖Fig.5 Linearization evaluation data chart of equivalent force at the maximum stress of valve body

3 LNG深冷調節閥流場模擬分析

3.1 流道模型建立及網格劃分

根據之前建立的閥門三維實體模型，在ANSYS軟件中反向建模，生成閥門正常開度工況下內腔所形成的三維流體域模型，模型如圖6。

圖6 LNG深冷調節閥三維流體域模型Fig.6 Three dimensional fluid domain model of LNG cryogenic control valve

流體域模型網格劃分主要采用四面體網格，閥內件節流流路區域局部采用六面體網格控制，以提高計算精度。以穩態流場模擬進行網格無關性檢驗，根據閥門出口端、進口端的相關求解結果值，作為判斷網格適應性的依據，見表6。

表6 流體域網格無關性檢驗數據Table 6 Fluid domain grid independence test data

同樣在保證求解精度的基礎上節約計算成本，采用611520網格數的流體域網格模型作為研究閥門的流場仿真模型，具體網格模型如圖7。

圖7 LNG深冷調節閥流體域網格模型Fig.7 Fluid domain grid model of LNG cryogenic control valve

3.2 流場瞬態分析

非定常流場的研究大多應用在泵和水輪機上[9,10]，本文針對細長閥桿在流體作用下的易受損害和擾動的情況，對LNG深冷調節閥設計的常用工況，即閥塞處于52%開度時的閥門內部流場進行瞬態分析。

入口設置總壓0.9316MPa，出口為靜壓0.8733MPa；壁面邊界采用標準壁面函數；介質為-162℃LNG，粘度為0.000133Pa.s，介質密度為453.3kg/m3；時間步長設置為5×10-4s，時間步數量為1×103步。

LNG深冷調節閥52%開度0.5s時刻流場云圖，研究閥門正常開度時流體流動特性，如圖8。

圖8 LNG深冷調節閥52%開度0.5s時刻云圖分布Fig.8 Cloud chart distribution at 52% opening 0.5s of LNG cryogenic control valve

由圖8可知：介質流經閥門內腔時，進口端至套筒節流之前的區域壓力最大，節流后介質壓力逐漸減小，且壓力減小朝出口端方向逐漸趨于平緩；流速最大區域位于套筒窗口節流處，流速最小區域位于上閥蓋頸部與閥桿之間的空隙處；最小湍動能也分布在閥門節流前區域、上閥蓋頸部與閥桿之間的空隙處。因此，在閥塞和上閥蓋之間區域形成數量較多的小型旋渦，在下套筒內部至閥門出口形成有少量較大型的旋渦。根據流速最小和湍動能最小的情況可判斷，上閥蓋頸部與閥桿之間的縫隙處流體流動非常緩慢。可知，閥桿周圍的流體幾乎處于靜止狀態，介質對細長閥桿上端并無擾動作用。

4 LNG深冷調節閥模態分析

目前，對閥門固有頻率的研究大多是基于固體結構的模態分析，即干模態的方法[11-14]，并沒有考慮流固耦合[17]作用對閥門模態的影響，而介質流動作用下閥門的濕模態和空載狀態的干模態是明顯有所區別的。因此，針對LNG深冷調節閥細長閥桿振動問題，開展閥門整體的流固耦合分析，再在耦合基礎上進行閥塞、閥桿組件部件的模態分析。

4.1 流固耦合模態分析流程

1）根據閥門實體模型反向建模生成內部流域模型，建立固體耦合面和流體耦合面。為確保流場求解信息向固體結構傳遞的準確性，兩個耦合面必須完全對應，進而完成流固耦合模態分析前的邊界條件加載，各耦合面如圖9。

圖9 LNG深冷調節閥流固耦合面Fig.9 Fluid solid coupling surface of LNG cryogenic control valve

2）根據建立的閥腔內部流域模型，進行其網格劃分，邊界條件、求解方式設置，首先進行介質穩態流場的分析求解。

3）對建立的閥門實體模型進行材料屬性、網格劃分、約束條件設置，并將流場求解得到的流體壓力值作為邊界條件加載到靜力場，進行流固耦合的靜力場求解。

4）將流固耦合的靜力場分析結果信息導入到模態分析模塊，針對調節閥閥塞和閥桿部分模型，進行濕模態分析。

4.2 固體域網格劃分

穩態流場計算求解后，將耦合面上的流體壓力結果導入靜力場中，在流固耦合的結構計算中同樣根據表2進行材料屬性參數設置，整個調節閥結構具體的網格模型如圖10。

圖10 LNG深冷調節閥固體域網格模型Fig.10 Grid model of LNG cryogenic control valve solid area

4.3 流固耦合邊界設置

根據LNG深冷調節閥的裝配關系進行各零部件之間的接觸設置，整體結構均施加豎直向下的重力加速度，閥體兩法蘭端面施加位移約束，導入流場計算得到的作用在閥內腔表面各處的流體壓力，流固耦合邊界如圖11。

圖11 LNG深冷調節閥流固耦合邊界Fig.11 Fluid solid coupling boundary of LNG cryogenic control valve

4.4 模態分析

針對LNG深冷調節閥的閥塞、閥桿部件，考慮閥門正常開度工況下流固耦合作用（流體壓力）影響的濕模態頻率分析。由于閥門在正常工作環境，以及各個工況下均不會受到高頻振動的激勵，故只需進行閥塞、閥桿部件前6階結構模態的仿真分析。

LNG深冷調節閥的閥塞、閥桿部件第一、二階模態振型云圖如圖12。

由圖12可知：閥桿一、二階模態振型的最大變形位置均在閥桿頂部，其余各階振動頻率隨階數增大而增大，LNG深冷調節閥的前6階模態頻率，見表7。

表7 LNG深冷調節閥閥塞和閥桿組件模態頻率（Hz）Table 7 Modal frequency of valve plug and stem assembly of LNG cryogenic control valve (Hz)

圖12 調節閥52%開度閥塞部件模態振型Fig.12 Modal mode of 52% opening valve plug of regulating valve

由表7可知：調節閥閥塞和閥桿的固有頻率隨著模態階數的增大，調節閥模態頻率均呈遞增趨勢；前六階模態頻率均大于33Hz，在工作中受到其它環境激勵時，不易發生共振。

5 結論

本文針對LNG接收站DN250 Class600深冷調節閥結構強度和細長閥桿的振動問題，建立了閥門結構實體和閥內腔流體域的三維模型，基于強度試驗工況下的應力應變計算、閥門正常開度瞬態流場數值模擬和流固耦合模態分析，對其可靠性和振動特性進行了深入研究，得出以下結論：

1）對DN250 Class600深冷調節閥承壓元件進行強度分析，計算得到閥體最大應力為370.11MPa，上閥蓋最大應力281.86MPa。根據相關標準對承壓邊界部件進行應力評定和強度校核，閥體、閥蓋均滿足強度要求。

2）調節閥內部流場流速最小和湍動能最小區域均分布在上閥蓋頸部與閥桿之間的空隙處，細長閥桿上端附近的流體流動非常緩慢，幾乎處于靜止狀態，閥桿不會受其擾動發生振動。

3）通過考慮流固耦合作用的濕模態分析，閥塞、閥桿部件一階固有頻率為127.9Hz，各階振動頻率依次增大。由于各階模態頻率均大于33Hz，不易在工作中發生共振。