基于热固耦合的LNG 低温球阀阀座密封特性分析

郎晨旭 何世权 刘帅帅 喻临风

（南京工业大学机械与动力工程学院）

近些年，随着LNG清洁能源的广泛使用和产业的不断发展，LNG低温阀门需求量日益增加［1，2］。球阀具备启闭迅速、流体阻力小及密封特性好等一系列优点，在低温管路系统中的应用也日趋广泛［3］。LNG低温球阀工况温度为-162 ℃，在低温环境下，球阀除了承受介质压力和弹簧预紧力的载荷作用，还存在因球阀内低温导致的各部位不均匀冷收缩造成的影响。该球阀主要通过阀座与球体接触产生塑性变形达到密封的目的，阀座可在阀体嵌入槽中轴向移动［4，5］。阀座密封面处密封失效是该阀门在工况条件下最常见的失效形式，密封比压则是衡量阀座密封效果的重要指标。

目前，针对LNG球阀阀座密封面处的研究较少，因而开展该项研究极其迫切。笔者以DN 150、PN 6.4型LNG低温球阀为研究对象［6］，基于ANSYS Workbench中的热力学和静力学模块，对阀门在不同开度下的阀座密封面密封特性进行研究。结合密封面宽度、压力角两个关键影响因素，分析其密封面处密封比压的变化特点，进而对阀座的结构提出恰当的优化方法。

1 阀门结构及工况参数

笔者所研究的LNG低温球阀采用三分体式阀体、全通径固定球体和双阀座结构形式，主要由阀体、阀盖、阀座、阀杆、球体及底轴等主要部件组成。采用Solidworks软件建立球阀的三维模型，由于文中只研究阀座与球体接触部位的密封面，故而对模型进行简化，只分析阀门一半模型，保留两端阀座、球体、阀体和阀盖结构，简化后模型三维图如图1所示。

图1 简化模型三维图

模型参数如下：

公称直径 150 mm

结构形式 固定式

密封面内径D1161 mm

密封面外径D2168 mm

球体半径R 116 mm

压力角α 45.4°

2 密封比压及弹簧预紧力计算

2.1 密封比压计算

标准密封比压是保证阀门密封效果的关键。必需比压是在满足密封效果时，压力作用在密封单位面积上的最小值［7～9］。设计者们对影响密封比压的因素（不同的压力、密封面宽度等）进行平面接触实验，进而得到了硬质合金材料作为密封面的经验公式：

其中，qb为密封必需比压，m是跟流体性质有关的系数（常温水m=1；低温气体、液体m=1.4），p为介质压力，bm为密封面宽度。

文中取m=1.4、p=6.4 MPa、bm=6 mm时，算得所需密封必需比压是28.7 MPa。

在单位面积上能受到的最大密封压力为许用比压［q］。为了达到球阀的密封效果，作用在球体与阀座密封面上的压力必须小于材料的许用比压值。文中球体和阀座材料均为F304，由《球阀设计与选用》可知，密封面许用比压［q］=150 MPa。

实际工作密封比压不仅要大于密封必需比压，同时还要小于许用密封比压，即：qb＜q＜［q］。

2.2 弹簧预紧力计算

球体在自然关闭状态时，阀座上的弹簧预紧力可以形成初始状态的密封，保证介质不会泄漏。若预紧力达不到密封所需值，则在流体流通的瞬间阀座与球体产生脱离，进而发生泄漏，导致密封失效影响球阀使用寿命。LNG低温球阀的弹簧预紧力=5212.4 N，其中，预紧所必需的最小比压qmin=2 MPa。

3 ANSYS热固耦合分析

3.1 定义材料属性

根据该阀门工况条件下对材料的要求，结合有限元软件对阀门主体材料的属性进行设置。在此选择模型主体材料为F304不锈钢，其主要性能参数如下：

弹性模量 195 GPa

密度 7 900 kg/m3

泊松比 0.31

屈服强度 205 MPa

3.2 定义边界条件和载荷条件

稳态热力学分析中边界条件设置：第1类边界条件，在工况条件下，阀体内表面与低温介质直接接触，介质温度为-162 ℃，故将介质通过的阀体内表面温度设置为-162 ℃；第2类边界条件，当介质经过流道内表面时，与阀腔内壁之间会发生对流换热，此时内部工作环境温度应设置为介质温度-162 ℃，对流传热系数取2 000 W/（m2·℃）；第3类边界条件，阀体表面与外部空气之间也会存在对流换热现象，温度设置为外部环境温度22 ℃，对流传热系数取10 W/（m2·℃）。温度场边界条件如图2所示。

图2 温度场边界条件

结构静力学分析中边界条件设置：设定作用在球体和阀门内流道表面的介质压力为6.4 MPa。由于阀体和阀盖的抗弯截面模量与抗扭截面模量足以保证力能够被法兰与管道吸收，因此阀体和阀盖选择固定约束（Fixed Support），内部表面为流体压力加载面。球体上下凸台被阀杆支撑不能轴向移动，只能沿轴转动启闭，所以选择圆柱面约束（Cylindrical Support）。左右弹性阀座被阀体限制其径向位移，但可在介质流动方向和弹簧力的合力方向移动保证弹性密封，所以只给阀座轴向自由度并施加弹簧预紧力5 212.4 N。静力场边界条件如图3所示。

图3 静力场边界条件

3.3 热固耦合结果分析

从有限元稳态温度场得到了LNG低温球阀的温度分布情况，将结果作为载荷施加到静力场中进行耦合分析，保持其他载荷边界条件不变，得到了从0～90°之间接触压力随开度变化的情况。从中选取3个代表性开度（30、60、90°）的密封面接触压力云图（图4）。

图4 30、60、90°阀座密封面接触压力云图

为详细分析具体的变化规律，取接触压力较低的区域，均匀取多个值求其平均值来表示该接触压力的大小，为此作出开启角度与低接触压力均值曲线图（图5）。

图5 低接触压力均值随开度变化曲线

由图5可见，热固耦合结果与静力场结果变化规律基本一致，都是随着开度的增加而减小。在0～30°开度下，接触压力以较小的速率减小；当开度在30～60°时，接触压力减小的速率逐渐加快；当开度达到60～90°时，接触压力随开度变化的减小已非常明显。

同时，耦合场的低接触压力值相比静力场整体减小了13%左右，说明低温工况会对LNG低温球阀的实际使用产生一定的影响。由于LNG介质特殊的理化性质，阀座密封面上接触压力分布不均匀，存在泄漏隐患，从而造成一定的危害和损失，故探究影响该曲线变化规律的深层次原因，从密封结构的影响因素方面展开研究显得尤为重要。

4 密封性能影响因素分析

4.1 密封面宽度影响

由热固耦合场的接触压力曲线图可见，开度40～90°时的接触压力已经低于密封必需比压，虽然开度越小接触压力越大，但应用在小开度的场合较少且不具代表性。所以综合考虑取90°开度时，通过改变阀座密封面内外径（D1、D2）的大小得到一组不同密封面宽度尺寸，研究热固耦合下的密封比压。原模型密封面宽度为6 mm，现选取3～5 mm之间的5组密封面宽度数据进行分析，其中3个代表性密封面宽度（3.5、4.5、5.0 mm）下的接触压力分布云图如图6所示。

图6 3个代表性密封面宽度下的接触压力

为分析接触压力对阀门密封比压的影响，在密封面路径上由内到外每隔0.5 mm节点取一次值，将值带入Origin中绘制应力曲线，得到3～5 mm密封面宽度下的密封比压变化规律（图7）。

图7 不同密封面宽度路径下密封比压分布

从图7中可看到，密封面宽度b不同所呈现出来的密封比压规律并不相同。一般来说窄面密封效果要优于宽面密封，随着密封宽度的增加，密封比压的值整体趋向减小。为满足90°开度下的密封比压大于密封必需比压的条件，结合图中曲线可知，最佳密封面宽度取值应在2.00～4.25 mm之间。

4.2 压力角影响

压力角α的改变同样影响着实际工作下的密封比压，基于上述研究，取密封面宽度3.5 mm不变，通过改变接触面上边线与球心连线在轴线上的夹角来改变压力角大小，在44.33～45.72°范围之间选取5个压力角，观察当压力角不同时沿密封路径上的密封比压的变化规律（图8）。

图8 不同压力角下密封比压分布

由图8可知，随着压力角α的改变，前4组数据在密封面宽度路径上压力分布由内到外逐渐升高，且随着压力角的增大，密封比压逐渐增大，当压力角增大到45.72°时，密封面宽度路径上压力分布呈现先增大后减小的抛物线形式，且密封比压最大处也相较其余4组小很多。故一味地增大压力角，并不一定起到增大密封面处压力的作用。密封面处密封比压随压力角的增大并非线性增加。为满足90°开度下的密封比压大于密封必需比压的条件，结合图中曲线可知，最佳压力角取值应在45.03～45.38°之间。

5 结论

5.1 结合LNG低温球阀的实际工况和相关资料，确定了球体、阀座、阀体材料的导热系数、对流换热系数等边界条件，得到在-162 ℃下的球阀温度场分布情况。

5.2 在温度场求解基础上进行热固耦合分析，得到球阀低接触压力均值随阀门开度变化的曲线，发现随开度增加接触压力是逐渐降低的，且耦合场的接触压力值要比静力场的值整体减小13%左右，证明了低温工况确实会对LNG低温球阀的实际使用产生一定的影响。

5.3 通过对密封性能影响因素的分析，着重研究了密封宽度b、压力角α对密封面宽度路径上的密封比压的影响，发现阀座密封面处的密封比压随着密封面宽度的减小而增大，随压力角的增大并非线性增加。有效的密封面宽度在2.00～4.25 mm之间，有效的压力角范围是45.03～45.38°。