王曉濤，趙 鵬，任 亮

(1.湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414000；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司天津輸油處燕山輸油站，北京 102400；3.中國(guó)石油青海油田監(jiān)督監(jiān)理公司，甘肅 敦煌 816499）

隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展，大量的低溫介質(zhì)如LNG、液氧、液氮等，廣泛應(yīng)用在石油化工、天然氣、航空航天等領(lǐng)域，而低溫閥門是儲(chǔ)存與輸送低溫介質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備。低溫介質(zhì)的危險(xiǎn)性對(duì)低溫閥門的安全運(yùn)行提出了更高的要求。閥蓋與閥桿間密封填料的穩(wěn)定性，是保障低溫閥門長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。閥體的冷量使得填料溫度低于0℃，一旦空氣中的冷凝水進(jìn)入就會(huì)結(jié)冰。當(dāng)閥門開關(guān)時(shí)，閥桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)將填料劃傷，造成低溫介質(zhì)的大量泄漏[1]。為此，低溫閥門在設(shè)計(jì)時(shí)常采用加長(zhǎng)閥蓋的方式，以保證填料溫度高于0℃，同時(shí)在閥蓋表面安裝環(huán)形翅片（翅片式閥蓋），不但可以防止冷凝水滴入閥體保冷層，還可以提高填料溫度，減少閥蓋長(zhǎng)度，從而降低生產(chǎn)成本，彌補(bǔ)低溫閥門安裝、運(yùn)輸不便等缺點(diǎn)。在以往的研究中[2-5]，關(guān)于翅片對(duì)閥蓋溫度場(chǎng)的影響分析較少，缺乏較為完善的理論模型。本文分析并計(jì)算了翅片式加長(zhǎng)閥蓋的溫度場(chǎng)，得出了閥蓋長(zhǎng)度的理論模型，并采用理論分析與有限元分析相結(jié)合的方法，分析得出了減小閥蓋長(zhǎng)度的最佳方案。

1 翅片式閥蓋物理模型的簡(jiǎn)化

圖1為翅片式閥蓋的基本結(jié)構(gòu)，為了計(jì)算方便，將其進(jìn)行簡(jiǎn)化。將閥蓋視為半徑為r1的圓柱體，材料導(dǎo)熱系數(shù)為λ(忽略溫度影響)。閥內(nèi)的低溫介質(zhì)流動(dòng)穩(wěn)定后，閥門溫度場(chǎng)處于穩(wěn)態(tài)，閥蓋表面與空氣的自然對(duì)流換熱系數(shù)為h∞，環(huán)境溫度為t∞，閥蓋法蘭下端面為介質(zhì)溫度t0，其到密封填料底部的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。填料以上部分與閥桿閥蓋的接觸熱阻較大，故將其簡(jiǎn)化為閥蓋的擴(kuò)展面，當(dāng)量換熱系數(shù)hd可采用文獻(xiàn)[5]的方法迭代得出。忽略閥蓋與閥桿間的環(huán)形縫隙，將閥蓋看成一個(gè)整體，簡(jiǎn)化后的模型如圖2所示。

圖1 長(zhǎng)頸閥蓋的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure diagram of long neck bonnet

圖2 閥蓋的物理模型Fig.2 The physical model of bonnet

2 翅片的溫度場(chǎng)分析

環(huán)形翅片的半徑和厚度分別為r2和δ，tb為翅片根部溫度（由于δ較小，不計(jì)溫度在δ方向上變化），導(dǎo)熱系數(shù)為λ（圖3）。

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

對(duì)于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，根據(jù)能量守恒對(duì)翅片進(jìn)行環(huán)形微元體分析，整理得到翅片導(dǎo)熱微分方程：

得到翅片過(guò)余溫度場(chǎng)為：

其中I為虛宗量貝塞爾函數(shù)，K為虛宗量漢克函數(shù)。

根據(jù)Fourier定律，得到翅片的冷量損失為：

3 實(shí)例計(jì)算

以DJ41W-300LbP 6″液氮用低溫截止閥為例，相關(guān)的參數(shù)見表1，利用式（3）進(jìn)行迭代，得到閥蓋長(zhǎng)度L=375mm。同理，可計(jì)算得到無(wú)翅片閥蓋的長(zhǎng)度Ln=441mm，可見安裝1片翅片，就可以使閥蓋的長(zhǎng)度縮短近15%。

表1 液氮用低溫截止閥的參數(shù)Table 1 The parameters of cryogenic stop valve with liquid nitrogen

利用ANSYS軟件對(duì)該閥門進(jìn)行有限元分析，溫度場(chǎng)結(jié)果如圖4所示，得到L≈359.8mm，Ln≈436mm。

圖4 有限元分析結(jié)果Fig.4 The finite element analysis result

4 閥蓋長(zhǎng)度影響因素的分析

4.1 材料的導(dǎo)熱系數(shù)

將翅片與閥蓋的導(dǎo)熱系數(shù)每次減少10%，代入理論計(jì)算并進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖5。隨著導(dǎo)熱系數(shù)減少，熱阻增加，閥蓋長(zhǎng)度的縮短十分明顯，因此，在設(shè)計(jì)低溫閥門時(shí)，閥蓋、閥桿及翅片應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響Fig.5 The effect of thermal conductivity of material on the bonnet length

4.2 翅片半徑

以翅片半徑r2=114.5mm為基準(zhǔn)，將r2依次變化10%，閥蓋長(zhǎng)度及翅片的散熱量如圖6所示。隨著半徑增加，由環(huán)境傳遞到翅片的熱量增加，冷量損失減少，閥蓋長(zhǎng)度逐漸減??；但閥蓋長(zhǎng)度的減小量隨著翅片半徑的增加而逐漸減小，原因是隨著翅片沿徑向的表面溫度與環(huán)境間的溫差越來(lái)越小，散熱量的增加量也隨之減小。當(dāng)半徑增加到1.3r2以后，繼續(xù)增加r2，閥蓋長(zhǎng)度的減小量很少，即翅片的最佳半徑r2=148mm。因此單靠加大翅片半徑來(lái)減少閥蓋長(zhǎng)度是不可取的。

圖6 翅片半徑對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響Fig.6 The effect of fin radius on the bonnet length

4.3 翅片數(shù)量

對(duì)裝有不同數(shù)量翅片的閥蓋進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。安裝4片翅片后，閥蓋長(zhǎng)度減小了近50%，因此增加翅片的數(shù)量可以明顯減小閥蓋長(zhǎng)度，但安裝數(shù)量要根據(jù)實(shí)際的安裝位置、制造成本等因素，進(jìn)行綜合考慮后確定。

圖7 翅片安裝數(shù)量對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響Fig.7 The effect of fin number on the bonnet length

5 結(jié)論

本文利用相關(guān)的理論推導(dǎo)了低溫閥門翅片式閥蓋的溫度場(chǎng)，得到了在確保填料溫度大于0℃時(shí)加長(zhǎng)閥蓋長(zhǎng)度的理論模型，可為理論研究與生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供參考。采用理論計(jì)算與有限元分析相結(jié)合的方法，分析了導(dǎo)熱系數(shù)、翅片半徑、安裝數(shù)量、環(huán)境溫度對(duì)閥蓋長(zhǎng)度的影響情況，得出結(jié)論：增加翅片數(shù)量、降低導(dǎo)熱系數(shù)，是減少冷量損失、縮短閥蓋長(zhǎng)度的最佳方案。