王偉波, 郝嬌山, 劉柏圻, 楊恒虎, 李樹勛

(1.重慶川儀自動化股份有限公司技術中心調節(jié)閥研究所,重慶 400707；2.重慶川儀調節(jié)閥有限公司，重慶 400707；3.蘭州理工大學 石油化工學院，蘭州 730050)

近年來，隨著國家對清潔能源行業(yè)發(fā)展的大力推進，海岸線上LNG接收站項目的建設加快了進程。其中，超低溫調節(jié)閥作為接收站上的關鍵控制元件，其運行的可靠性極為重要。但由于超低溫介質易造成填料損傷，導致填料處泄漏，故此類調節(jié)閥閥桿設計都較長，在有散熱片的情況下一般須保證填料處溫度在0 ℃以上。而對細長閥桿，閥門小開度時劇烈的流體流動極易誘發(fā)其共振，對工業(yè)的安全穩(wěn)定運行造成不利影響。因此開展LNG超低溫調節(jié)閥閥桿的共振研究意義重大。

徐登偉等[1]研發(fā)了一種LNG超低溫調節(jié)閥，建立了其數學模型，進行了低溫性能預測，通過低溫試驗驗證了數學模型的正確性，試驗結果表明調節(jié)閥低溫密封性良好；王雯等[2]針對單座式調節(jié)閥閥芯閥桿系統(tǒng)的流固耦合振動問題，建立了考慮閥門定位器作用的系統(tǒng)動態(tài)仿真模型，給出了求解閥芯-閥桿系統(tǒng)響應的預估-校正算法，利用ANSYS軟件對系統(tǒng)在固定開度與變開度情況和流開型與流閉型情況下的振動響應進行了定性分析；劉麗等[3]以某大型化工廠氣體管道閥門小開度工況下的振動管路為例，采用模態(tài)分析和CFD模擬的方法進行了管道振動分析，結果表明閥后流體脈動是引起管道振動的主要原因，提出了在閥后增設隔板的減振措施，減振效果明顯；Yu等[4]為了解決閥門的振動問題，基于模態(tài)分析理論，分析了三個典型調壓閥的活塞及其支撐結構，得到支撐結構比活塞更剛硬，而剛性活塞對閥門的剛度至關重要；Yonezawa等[5]為闡明由閥門周圍的不穩(wěn)定流動引起的閥芯振動機制，使用剛性和柔性閥頭支撐進行實驗和數值研究，結果表明，剛性支撐閥頭周圍的不穩(wěn)定流動導致閥芯表面上的壓力波動具有隨機和脈沖波形，柔性支撐閥芯在閥芯支撐系統(tǒng)的固有頻率附近振動，且分離噴射的響應滯后于閥芯運動，橫向流體力對閥芯上的振動增加了負阻尼。另外申永康等[6]對大型攔污柵結構進行了液固耦合流激振動分析研究；沈春穎等[7]對平面直升閘門進行了流固耦合振動同步測試模型試驗研究；李樹勛等[8]對高壓降套筒式蒸汽疏水閥進行了振動特性研究。

以上研究均未涉及LNG超低溫調節(jié)閥細長閥桿的流激共振問題，本文將研究流體施加于其閥桿上的激振力頻率，以及閥塞閥桿組件在有流體載荷作用時的固有頻率，從而對閥桿流激共振問題進行深入研究。

1 LNG超低溫調節(jié)閥結構模型

本文所研究的LNG超低溫調節(jié)閥流量調節(jié)特性為等百分比調節(jié)特性，額定行程為75 mm，最大流量為1 796 t/h，對應的閥門進口壓力為0.83 MPa(G)，進出口壓差為0.05 MPa。各節(jié)流開度下的三維實體模型均采用NX軟件建立。為方便分析，在不影響分析結果的基礎上對3D實體模型的鑄字和螺栓孔等進行適當簡化，另外考慮到模型從介質進口端至出口端沿中心面對稱，固體域和流體域均采用5%、10%、20%、30%和50%開度下的一半模型進行仿真實驗，其中20%開度3D實體模型，如圖1所示。

圖1 LNG超低溫調節(jié)閥三維實體模型

2 LNG超低溫調節(jié)閥流場模擬分析

2.1 流道模型建立及網格劃分

將所建立的LNG超低溫調節(jié)閥各開度下的三維實體模型存為.x-t格式，導入ANSYS Fluent軟件中，反向建模生成三維流體域模型，流體域和固體域偶合面完全對應，其中20%開度模型，如圖2所示。

圖2 LNG超低溫調節(jié)閥三維流體域模型

流道模型網格由ANSYS Meshing劃分生成，整體采用四面體/混合網格控制，尺寸較小的局部區(qū)域采用六面體網格控制。以20%開度流體域模型為例進行網格無關性檢驗說明，將穩(wěn)態(tài)模擬得到的調節(jié)閥出口流量值及出口流體平均流速作為評判依據，具體網格無關性檢驗數據,如表1所示。

表1 流體域網格無關性檢驗數據

由表1可知：網格數從502 279增大到711 620時，流量從8.890 46 kg/s變?yōu)?.865 54 kg/s，減小0.28%，速度從1.531 28 m/s變?yōu)?.542 75 m/s，增大0.75%。網格數從711 620增大到907 157時，流量從8.865 54 kg/s變?yōu)?.862 36 kg/s，減小0.036%，速度從1.542 75 m/s變?yōu)?.543 94 m/s，增大0.077%。相比較而言，當網格數達到711 620以上時，流量及速度的變化量可以忽略不計。同時考慮模擬計算精度、時間成本和工作量，以網格數為711 620的流道網格模型作為LNG低溫調節(jié)閥20%開度時的最終流場仿真模型，具體網格模型，如圖3所示。

圖3 LNG超低溫調節(jié)閥20%開度流體域網格模型

2.2 流場模擬計算理論

基于連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，LNG超低溫調節(jié)閥流場計算采用RNGk-ε湍流雙方程構成封閉方程組，其理論方程如下[9]。

(1)湍動能k方程：

(1)

(2)湍流耗散率ε方程：

(2)

式中:Gk為平均速度梯度引起的湍動能生成項，ρ為介質密度，μ為介質黏度，其中：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Cμ=0.084 5，C2ε=1.68；αk=αε=1.39

(8)

2.3 不同開度流場瞬態(tài)分析

非定常流場及壓力脈動的研究大多應用在泵和水輪機上[10-12]，本文針對LNG超低溫調節(jié)閥閥桿流激共振問題，對各開度模型進行流場瞬態(tài)分析。

入口設置總壓0.931 325 MPa，出口為靜壓0.881 325 MPa；壁面邊界采用標準壁面函數；介質為-162 ℃ LNG，黏度為0.000 133 Pa·s，密度為453.3 kg/m3；Time Step Size設置為0.000 5 s，Number of Time Steps為1 000。

以LNG超低溫調節(jié)閥5%、20%和50%開度0.5 s時刻流場云圖為例，研究閥門從5%到50%開度過程中的流體流動特性，分別如圖4～6所示。

(a)橫截面壓力分布云圖

(a)橫截面壓力分布云圖

(a)橫截面壓力分布云圖

由圖4～6可知：調節(jié)閥開度從5%～50%增大的過程中，在閥塞與閥蓋及上套筒之間逐漸形成較小的旋渦，且隨開度的增加旋渦逐漸增多,在下套筒內部至閥門出口，始終都形成有較大的旋渦；最大流速均分布在節(jié)流區(qū)域，最小流速均分布在閥塞與閥桿之間的縫隙處；最大湍動能從節(jié)流區(qū)域逐漸過渡到閥塞壓力平衡孔處，最小湍動能均分布在閥門節(jié)流前區(qū)域、閥桿與閥蓋間隙處；最大壓力始終位于閥門進口至下套筒節(jié)流之前區(qū)域，節(jié)流前后壓力變化逐漸趨于平緩。另外由最小流速和最小湍動能位置可判斷，閥塞與閥桿之間的縫隙處流體流動非常緩慢，幾乎處于靜止狀態(tài)。

2.4 流體激振頻率分析

對調節(jié)閥各開度閥塞和閥桿流固耦合面壓力脈動時域信息進行監(jiān)測，20%開度監(jiān)測面，如圖7所示。

圖7 調節(jié)閥20%開度閥塞和閥桿流固耦合監(jiān)測面

在0～0.5 s時間段內，對閥塞和閥桿流固耦合面上的壓力脈動時域信息進行數據提取，并通過Tecplot軟件對閥門5%、10%、20%、30%和50%開度閥塞和閥桿流固耦合面上的壓力脈動時域信息進行傅里葉變換，得到流體作用于閥桿上的壓力脈動頻譜圖，如圖8所示，其中壓力脈動峰值頻率即為流體激振力頻率。

圖8 各開度流固耦合監(jiān)測面壓力脈動頻譜圖

由圖8可知：調節(jié)閥開度從5%～50%增大的過程中，閥塞和閥桿組件上的壓力脈動波動幅值逐漸降低。各開度下的壓力脈動峰值頻率均在60 Hz以內，其中5%開度時，壓力脈動峰值頻率為32.032 Hz；10%開度時，壓力脈動峰值頻率為10.01 Hz、18.018 Hz、52.052 Hz；20%開度時，壓力脈動峰值頻率為16.016 Hz；30%開度時，壓力脈動峰值頻率為18.018 Hz；50%開度時，壓力脈動峰值頻率為14.014 Hz、20.02 Hz、26.026 Hz。

3 LNG超低溫調節(jié)閥模態(tài)分析

目前對閥門固有頻率的研究大都是基于干模態(tài)的方法[13-16]，并未考慮流固耦合[17]作用對閥門模態(tài)的影響。對LNG超低溫調節(jié)閥，在現場使用中需進行保溫處理，故本文對其開展流固耦合分析，再在耦合基礎上進行閥塞閥桿組件的模態(tài)分析。

3.1 流固耦合模態(tài)分析模型建立

(1)在ANSYS Workbench軟件中聯用流場、靜力場與模態(tài)分析模塊，并將各開度的實體模型導入Fluent中，反向建模生成內部流道模型，對其進行前處理及網格劃分，設置模型邊界條件、流體屬性以及求解方式，進行流場的求解。

(2)將流場的求解信息導入到靜力場，在靜力場進行材料設置、實體模型網格劃分、約束條件設置以及流場信息的加載，得到流固耦合邊界壓力信息，進行靜力場求解。

(3)將靜力場中求解的信息導入到模態(tài)分析模塊，進行模態(tài)階數的求解設置，完成調節(jié)閥模態(tài)分析模擬計算。

3.2 流固耦合模態(tài)分析計算理論

LNG超低溫調節(jié)閥流固耦合模態(tài)分析計算理論方程如下[18]。

(1)流體誘發(fā)固體振動和位移的控制方程：

(9)

(2)耦合控制方程：

(10)

(3)有預應力的模態(tài)方程：

(11)

式中：Ms為結構體質量矩陣，Cs為結構體阻尼矩陣，Ks為結構體剛度矩陣，rs和rf分別為流固耦合面固體位移和流體位移，τs和τf分別為流固耦合面固體應力和流體作用力，ωi為結構體第i階固有頻率，{φi}為結構體第i階陣型向量。

3.3 流固耦合模態(tài)分析模型前處理

流固耦合分析需定義流體耦合面和固體耦合面，且為確保計算的準確性，流體耦合面和固體耦合面完全對應，完成流體壓力信息向結構體的傳遞，進而完成流固耦合模態(tài)分析，20%開度耦合面，如圖9所示。

(a)流體耦合面

3.4 材料參數

LNG超低溫調節(jié)閥閥體、閥蓋、套筒、閥塞和閥桿等組件均需在液氮中進行深冷處理，其性能參數根據《ASME BPVC SECT.Ⅱ Part D, 2015 ED》[19]查詢得到，主要零部件材料性能參數，如表2所示。

3.5 固體域網格劃分

穩(wěn)態(tài)流場計算完成后，將其壓力信息導入結構場中，在結構場中根據表2進行材料性能參數設置，并采用ANSYS Meshing軟件的自適應網格劃分技術對固體域模型進行網格劃分，20%開度網格模型，如圖10所示。

表2 主要零部件材料物理性能參數

圖10 LNG超低溫調節(jié)閥固體域網格模型

3.6 流固耦合邊界分析

根據LNG超低溫調節(jié)閥各零部件的實際安裝方式進行接觸設置，施加重力載荷，閥體兩端面施加位移約束，內腔壓力由流場傳遞，20%開度流固耦合邊界如圖11所示。

圖11 LNG超低溫調節(jié)閥流固耦合邊界

由圖11可知，流體作用于固體域的最大壓力為0.931 129 MPa，主要位于閥體、閥蓋和閥塞內腔面，最小壓力為0.321 837 MPa，主要位于下套筒節(jié)流部位、閥塞平衡孔處和閥蓋下端面處。

3.7 流固耦合應力變形分析

為方便研究LNG超低溫調節(jié)閥從5%～50%開度過程中流體流動對其應力變形的影響，取5%、20%及50%開度結構場應力變形云圖進行分析說明，分別如圖12～14所示。

(a)應力云圖

(a)應力云圖

由圖12～14可知：調節(jié)閥開度從5%～50%增大的過程中，調節(jié)閥整體最大流固耦合應力均在15.3 MPa左右，均位于介質進口側閥體法蘭端結構突變處；調節(jié)閥整體最大流固耦合變形量均在0.045 mm左右，均位于填料最底端區(qū)域；5%開度時閥桿擠壓填料左側程度大于右側，導致填料底端左側變形量較大；20%和50%開度時，閥桿擠壓填料右側程度大于左側，導致填料底端右側變形量較大。

3.8 模態(tài)分析

(1)模態(tài)振型分析

對LNG超低溫調節(jié)閥進行有預應力(介質壓力)的結構模態(tài)頻率求解，由于高階模態(tài)頻率和振型可以看作若干個低階模態(tài)和振型的組合，故在調節(jié)閥5%、10%、20%、30%和50%開度時，分別對閥塞和閥桿組件進行前6階結構模態(tài)仿真實驗，獲得各開度下其前6階固有頻率。

為方便研究LNG超低溫調節(jié)閥從5%～50%開度過程中流體流動對其振型的影響，取5%、20%及50%開度閥塞和閥桿組件的第一、二階模態(tài)振型云圖進行分析說明，分別如圖15～17所示。

(a)一階模態(tài)振型

(a)一階模態(tài)振型

(a)一階模態(tài)振型

由圖15～17可知：調節(jié)閥開度從5%～50%增大的過程中，閥塞和閥桿組件最大一、二階流固耦合模態(tài)變形量均呈增大趨勢；調節(jié)閥各開度下，二階模態(tài)最大變形量均大于一階模態(tài)最大變形量；調節(jié)閥5%開度時，閥塞和閥桿組件一階最大流固耦合模態(tài)變形位置在閥桿端部左側部位，二階在閥桿端部右側部位；調節(jié)閥20%和50%開度時，閥塞和閥桿組件一階最大流固耦合模態(tài)變形位置在閥桿端部右側部位，二階在閥桿端部左側部位；一階流固耦合模態(tài)振型均以閥塞和閥桿連接處為支點，閥桿沿垂直于流體流動方向的中心面左右搖擺；二階流固耦合模態(tài)振型均以閥塞和閥桿連接處及閥桿與填料接觸處為支點，閥桿沿垂直于流體流動方向的中心面左右彎曲。

(2)模態(tài)頻率分析

LNG超低溫調節(jié)閥5%、10%、20%、30%和50%開度時的模態(tài)頻率,如表3所示。

表3 LNG超低溫調節(jié)閥各開度下閥塞和閥桿組件模態(tài)頻率

由表3可知：調節(jié)閥開度從5%到50%增大的過程中，前五階模態(tài)頻率相差較小，第六階模態(tài)頻率相差較大，且呈現遞減趨勢；隨著模態(tài)階數的增大，調節(jié)閥各開度下模態(tài)頻率均呈遞增趨勢；前六階模態(tài)頻率均大于120 Hz。

4 LNG超低溫調節(jié)閥閥桿共振分析

LNG超低溫調節(jié)閥介質壓力脈動作用在閥塞和閥桿組件上，相當于給閥桿施加了一個激振力，當閥桿的某階固有頻率恰好等于或接近壓力脈動的峰值頻率時，就容易引起閥桿的共振，導致調節(jié)閥噪聲增大，損害工作人員健康，甚至造成閥桿的損毀失效，對工業(yè)生產帶來不可預計的損失。

根據上述分析，調節(jié)閥在5%、10%、20%、30%及50%開度，閥塞和閥桿組件上的壓力脈動峰值頻率均在60 Hz以內，其前六階模態(tài)頻率均大于120 Hz，兩種頻率值沒有相等和接近，因此閥桿不會發(fā)生流激共振。

5 結 論

本文針對LNG接收站超低溫調節(jié)閥細長閥桿的流激共振問題，對固體域鑄字和螺栓孔等進行了適當簡化，且考慮LNG介質對閥體、閥蓋、套筒、閥塞和閥桿等組件線膨脹系數和彈性模量等性能參數的影響，基于瞬態(tài)流場數值模擬和流固耦合模態(tài)分析，對其5%、10%、20%、30%及50%開度模型進行了深入研究，得出以下結論：

(1)調節(jié)閥從5%～50%開度，閥塞與閥蓋及上套筒之間形成的小渦逐漸增多，閥桿與閥蓋間隙處流體流動非常緩慢，幾乎處于靜止狀態(tài)，節(jié)流區(qū)域流速最大，壓力變化劇烈，閥塞和閥桿組件上的壓力脈動波動幅值逐漸降低，各開度下的壓力脈動峰值頻率均在60 Hz以內。

(2)調節(jié)閥開度從5%～50%，介質進口側閥體法蘭端結構突變處出現由應力集中導致的最大流固耦合應力，填料底端出現最大變形。

(3)一階流固耦合模態(tài)振型中閥桿呈搖擺運動，二階流固耦合模態(tài)振型中閥桿呈彎曲運動。閥塞和閥桿組件上各階模態(tài)頻率均大于120 Hz。

(4)調節(jié)閥各開度下，閥塞和閥桿組件上的壓力脈動峰值頻率均避開了其固有頻率，閥桿不會發(fā)生流激共振。