低温阀翅片式阀盖结构的优化

王晓涛，赵 鹏，任 亮

(1.湖南石油化工职业技术学院，湖南 岳阳 414000；2.国家管网集团东部原油储运有限公司天津输油处燕山输油站，北京 102400；3.中国石油青海油田监督监理公司，甘肃 敦煌 816499）

随着我国工业的飞速发展，大量的低温介质如LNG、液氧、液氮等，广泛应用在石油化工、天然气、航空航天等领域，而低温阀门是储存与输送低温介质的关键设备。低温介质的危险性对低温阀门的安全运行提出了更高的要求。阀盖与阀杆间密封填料的稳定性，是保障低温阀门长周期运行的关键因素之一。阀体的冷量使得填料温度低于0℃，一旦空气中的冷凝水进入就会结冰。当阀门开关时，阀杆的往复运动会将填料划伤，造成低温介质的大量泄漏[1]。为此，低温阀门在设计时常采用加长阀盖的方式，以保证填料温度高于0℃，同时在阀盖表面安装环形翅片（翅片式阀盖），不但可以防止冷凝水滴入阀体保冷层，还可以提高填料温度，减少阀盖长度，从而降低生产成本，弥补低温阀门安装、运输不便等缺点。在以往的研究中[2-5]，关于翅片对阀盖温度场的影响分析较少，缺乏较为完善的理论模型。本文分析并计算了翅片式加长阀盖的温度场，得出了阀盖长度的理论模型，并采用理论分析与有限元分析相结合的方法，分析得出了减小阀盖长度的最佳方案。

1 翅片式阀盖物理模型的简化

图1为翅片式阀盖的基本结构，为了计算方便，将其进行简化。将阀盖视为半径为r1的圆柱体，材料导热系数为λ(忽略温度影响)。阀内的低温介质流动稳定后，阀门温度场处于稳态，阀盖表面与空气的自然对流换热系数为h∞，环境温度为t∞，阀盖法兰下端面为介质温度t0，其到密封填料底部的长度为L。填料以上部分与阀杆阀盖的接触热阻较大，故将其简化为阀盖的扩展面，当量换热系数hd可采用文献[5]的方法迭代得出。忽略阀盖与阀杆间的环形缝隙，将阀盖看成一个整体，简化后的模型如图2所示。

图1 长颈阀盖的结构示意图Fig.1 The structure diagram of long neck bonnet

图2 阀盖的物理模型Fig.2 The physical model of bonnet

2 翅片的温度场分析

环形翅片的半径和厚度分别为r2和δ，tb为翅片根部温度（由于δ较小，不计温度在δ方向上变化），导热系数为λ（图3）。

图3 翅片物理模型Fig.3 The physical model of fin

对于稳态导热，根据能量守恒对翅片进行环形微元体分析，整理得到翅片导热微分方程：

得到翅片过余温度场为：

其中I为虚宗量贝塞尔函数，K为虚宗量汉克函数。

根据Fourier定律，得到翅片的冷量损失为：

3 实例计算

以DJ41W-300LbP 6″液氮用低温截止阀为例，相关的参数见表1，利用式（3）进行迭代，得到阀盖长度L=375mm。同理，可计算得到无翅片阀盖的长度Ln=441mm，可见安装1片翅片，就可以使阀盖的长度缩短近15%。

表1 液氮用低温截止阀的参数Table 1 The parameters of cryogenic stop valve with liquid nitrogen

利用ANSYS软件对该阀门进行有限元分析，温度场结果如图4所示，得到L≈359.8mm，Ln≈436mm。

图4 有限元分析结果Fig.4 The finite element analysis result

4 阀盖长度影响因素的分析

4.1 材料的导热系数

将翅片与阀盖的导热系数每次减少10%，代入理论计算并进行模拟，结果见图5。随着导热系数减少，热阻增加，阀盖长度的缩短十分明显，因此，在设计低温阀门时，阀盖、阀杆及翅片应采用导热系数较低的材料。

图5 导热系数对阀盖长度的影响Fig.5 The effect of thermal conductivity of material on the bonnet length

4.2 翅片半径

以翅片半径r2=114.5mm为基准，将r2依次变化10%，阀盖长度及翅片的散热量如图6所示。随着半径增加，由环境传递到翅片的热量增加，冷量损失减少，阀盖长度逐渐减小；但阀盖长度的减小量随着翅片半径的增加而逐渐减小，原因是随着翅片沿径向的表面温度与环境间的温差越来越小，散热量的增加量也随之减小。当半径增加到1.3r2以后，继续增加r2，阀盖长度的减小量很少，即翅片的最佳半径r2=148mm。因此单靠加大翅片半径来减少阀盖长度是不可取的。

图6 翅片半径对阀盖长度的影响Fig.6 The effect of fin radius on the bonnet length

4.3 翅片数量

对装有不同数量翅片的阀盖进行分析，结果如图7所示。安装4片翅片后，阀盖长度减小了近50%，因此增加翅片的数量可以明显减小阀盖长度，但安装数量要根据实际的安装位置、制造成本等因素，进行综合考虑后确定。

图7 翅片安装数量对阀盖长度的影响Fig.7 The effect of fin number on the bonnet length

5 结论

本文利用相关的理论推导了低温阀门翅片式阀盖的温度场，得到了在确保填料温度大于0℃时加长阀盖长度的理论模型，可为理论研究与生产设计提供参考。采用理论计算与有限元分析相结合的方法，分析了导热系数、翅片半径、安装数量、环境温度对阀盖长度的影响情况，得出结论：增加翅片数量、降低导热系数，是减少冷量损失、缩短阀盖长度的最佳方案。