随着天然气液化技术的迅猛发展,液化天然气(Liquefied Natural Gas)产业从液化、运输、接收站气化到终端利用,已经形成了完整的产业链,并进入快速发展时期。目前液化天然气(LNG)的消费量正以每年10%的速度增长,已然成为一种被广泛使用的清洁能源。在LNG生产、接收、运输和气化等装置中,超低温球阀对其系统的安全可靠运行具有极为重要的作用。目前,LNG产业装置正在朝着高参数化、大型化的方向不断发展。然而,作为其关键配套设备之一的LNG超低温球阀,因在设计时缺乏理论研究和相关标准依据,且在实践使用经验较少的情况下,极易出现冷冲击及阀座泄漏等问题。因此关键设备用的LNG超低温球阀需要通过技术攻关和研发来解决产品长期依赖于进口和国产化难的技术问题。在LNG产业链中,LNG阀门的工作环境条件要比普通工业阀门所处的环境恶劣得多。在超低温环境下,LNG阀门的温度分布、低温热应力及材料性能都是保证阀门安全运行的关键因素。由于温度变化范围很大,LNG阀门的密封性能将受到超低温介质的严重影响,因而必须要提高阀门的密封效果从而防止介质发生泄漏。填料函的密封性能是低温阀门设计的关键,因为在低温状态下随着温度的降低,填料的弹性逐渐消失,防漏性能随之下降。若填料函处发生泄漏将降低保冷效果,导致液体气化。此外由于介质渗漏造成填料与阀杆处结冰,影响阀杆正常操作,同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤,引起更为严重的泄漏。针对这种情况工程实际中普遍采用长颈阀盖结构,其目的就是延长超低温介质LNG与长颈阀盖上端填料函之间的距离,从而确保填料函底部温度始终保持在0℃以上,密封性能不受超低温介质的影响。与此同时,在超低温工况下,由于超低温介质LNG温度和压力的共同影响,若长颈阀盖与法兰连接处发生变形,则会引起法兰处泄露,造成重大安全事故。针对以上所提出的问题,本文以工程实际中具体规格的LNG超低温球阀为研究对象,基于传热学理论,建立温度场分析的数学模型,同时结合数值模拟仿真的方法,对LNG超低温球阀在超低温工况下的传热过程和密封问题进行了以下几方面的研究:首先,结合液化天然气的特殊理化性质及超低温工况,对LNG超低温球阀的结构进行了区别于普通球阀结构的特殊设计,同时通过查阅资料和相关标准对LNG超低温球阀关键性结构及技术参数进行了理论计算,得到了设计参数的具体数值。其次,对LNG超低温球阀长颈阀盖物理模型进行合理地简化,以传热学为理论基础,推导出导热微分方程,再采用分离变量的方法求出长颈阀盖温度场分布的数学表达式。并以此为依据推导出长颈阀盖颈部长度与温度场的关系式,在满足阀门设计标准,保证填料函底部温度在0℃以上的条件下得到长颈阀盖颈部最小长度。再次,通过理论推导计算出LNG超低温球阀长颈阀盖在热应力耦合作用下的应力、应变及变形。根据材料力学相关知识,判断最大应力与材料许用应力的关系,验证LNG超低温球阀设计强度的可靠性。最后,考虑介质压力和低温载荷共同作用对长颈阀盖变形产生的影响,利用有限元数值仿真软件ANSYS对LNG超低温球阀进行温度场分布和热力耦合分析,从而判定所设计的阀门颈部长度的合理性以及长颈阀盖变形是否在合理范围内,在验证理论分析计算结果的同时也为工程设计提供一种分析方法和参考依据。