文献综述
1 研究背景及意义
当前,我国正处于经济飞速上升时期,作为主要能源之一的煤炭对环境造成的负面影响日益明显,雾霾天气持续出现,国际石油价格也呈不断攀高之势,我国能源危机越发严重。能源紧缺及环境污染逼迫人们不得不放慢发展的脚步,寻求经济与环境共赢的途径。由于LNG的环保及高特效性,不仅成为未来重要能源,而且城市燃气调峰、及LNG汽车等民用设施都发挥着巨大作用。随着LNG用量的激增,其配套装置及运输船舶朝大型化不断发展,LNG用超低温阀门越来越多的应用于大口径、高压差的场合,常规的超低温阀门已不能满足在输流管路呈现出的大容量、高参数等新要求。现在的LNG用关键阀门大多依赖进口,且价格昂贵,无法满足国内经济发展的要求,因此研制超低温阀门势在必行[[1]-][[2]][[3]]。
由于受低温影响阀门主要结构会产生低温变形,其应力应变变化很不均匀,很难达到超低温下的密封效果[[4]-][[5]]。技术较为成熟的小口径超低温球阀主要应用于液氧、液氢及航天领域,国内超过DN100大口径,应用于LNG领域的超低温球阀还处于初步阶段,缺乏相关理论研究和标准依据,实际使用经验很少,因此,实际研制应用于苛刻工况,具有自主知识产权的大口径LNG超低温阀门迫在眉睫。本文将利用工程力学、机械振动、和有限元法的理论知识,结合模拟仿真,对低温球阀的密封接触分析进行研究,为低温阀门的研制提供理论支持。
2 国内外低温球阀研究现状
2.1 国内外低温球阀的发展趋势
随着基础理论及现代技术的发展,在现代低温球阀的密封结构设计中,有限元已成为各类相关设备密封分析与评价的主要仿真工具。一些发达国家较早意识到低温及制冷等工程中超低温阀门的重要性,很早就对超低温阀门用刚性及特性进行研究,导致超低温阀门设计及制造设计一直被国外垄断。目前国际上不同类型低温阀的主要供应商如下:球阀:Poyam、Perar、Tyco、Habonim等。在这些公司中,Habonim公司自主设计的超低温球阀可以达到-268.9℃的超低温环境中,是目前世界上使用温度最接近绝对零度的球阀。另外,一些发达国家也意识到LNG产业的前景广阔,在了解并掌握低温材料性能及适用范围的基础上,对LNG用超低温阀门进行专业化研究,加上检测、冷态试验设备先进,阀门的设计制造工艺水平提升很快,产品越来越多的应用于苛刻工况,且更新较快,质量及设计水平不断上升。
从20世纪60年代,这些国家已按不同温度级别采用相应低温钢种,制造各类低温阀门,这样既满足了工况上低温性能的需求,而且降低了采用18—8奥氏体不锈钢制作低温阀门造成的高成本[[6]]。美国NFPA对LNG储存和运输的关键设备在防火方面制订了严格标准。在结构上,国外LNG超低温阀门企业在掌握材料性能及加工手段的基础上,根据LNG性能及应用范围,向这更可靠安全的方向不断更新、发展。从国外发表的成果来看,Kim等[[7]]对分析了保温材料位置及长度对超低温闸阀阀杆传热影响规律;Yoon等[[8]]基于标准湍流模型对LNG超低温控制阀及截止阀的流场进行分析,并研究了不同阀内件结构对空化的影响规律;Bac等[[9]]对超低温球阀的温度及应力分布进行了模拟分析;Mathicu等[[10]]分析了热冲击对超低温截止阀法兰处密封的影响规律。从国外研究文献可以看出,国外运用数值模拟软件对超低温阀门的温度、强度、流场等有较深入的研究,但对LNG流场模型的建立未考虑温度的影响,需进一步钻研。
随着近几年西气东输、海气登录等项目的实施,我国才开始对LNG用超低温阀门进行专门研究。在1995年,我国阀门行业根据BS6364相关内容,制定并发布了JB/T7749—1995《低温阀门技术条件》,其主要对闸法、截止阀、球阀等阀门进行相关规定。目前,国内大多LNG用超低温阀门长期依赖进口,价格高昂,且购买周期长。为了满足国内LNG超低温阀门需求量,国家将其列为国产化关键项目之一,国内一些研究机构开始了对阀门的研究,较大的阀门企业则选择与大学进行合作,对设计过程中的关键问题进行公关。我国LNG超低温阀门从无到有,种类由少到多,超低温阀门国产化项目开展情况进步喜人。
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