摘    要：超低溫球閥廣泛應用在LNG輸送管道系統中，但是超低溫球閥經常會發生空化現象。本文對LNG超低溫球閥中的空化現象進行了仿真分析，結果表明：隨著質量流量的增加，LNG在球閥管道中的速度越來越大，產生的壓降也越來越大；LNG超低溫球閥管道內部空化發生的位置主要位于焊接法蘭附近的縮口處，并且進口處的空化要比出口處的空化現象更加嚴重。

關鍵詞：超低溫球閥;液化天然氣;空化;管道輸送;

1 概述

2021年，中國進口LNG達8140萬噸，超過日本成為全球最大的液化天然氣(LNG)進口國，標志著自20世紀70年代初以來，中國首次成為全球最大LNG進口國。在中國成為全球最大LNG進口國的同時，LNG超低溫閥門產品的加工制作也迎來更大的發展空間[1]。LNG超低溫球閥主要用于天然氣液化工廠、液化天然氣接收站、液化天然氣船舶運輸等系統裝置中。一個大型LNG項目中使用的低溫閥門數量能夠達到上萬臺，其中光是低溫球閥就能夠占到70%左右[2,3]。這些閥門對于LNG輸送系統的安全運行起著決定性的作用，經過對大量的LNG設備事故案例進行分析，可以發現有多起案例是由于閥門故障或者失效造成了LNG泄漏，進而致使整個系統裝置被迫停機甚至發生燃燒、爆炸。因此，本文將對應用在液化天然氣輸送裝置中的超低溫上裝式球閥(后簡稱“LNG超低溫球閥”)內部的介質流動進行仿真計算，為LNG超低溫球閥的安全使用提供一定的理論支持。

2 物理模型和數值模擬方法

2.1 LNG超低溫球閥物理模型

計算所采用的LNG超低溫球閥三維如圖1所示。LNG超低溫球閥主要由支架、閥桿、加長閥蓋、球體、閥體、前后閥座以及連接件、密封件等構成。由于LNG的低溫，LNG超低溫球閥以及管道內部非常容易產生空化現象。因此本小節將會圍繞LNG超低溫球閥內部的空化現象，來對LNG超低溫球閥進行計算。

圖1 LNG超低溫球閥三維結構示意圖  

圖2為LNG超低溫球閥的流場計算域示意圖，球閥前后管道均延長至管道直徑的10倍距離，圖中的紅色區域即為LNG介質在球閥管道中的流動區域。

圖2 LNG超低溫球閥全開工況下計算域示意圖 

LNG超低溫球閥的計算域網格劃分結果如圖3所示。計算域的外部邊界采用多面體網格進行劃分，以更好的貼合計算域的輪廓，內部采用正六面體網格，以減少網格單元的數量，同時還要在結構比較復雜的地方進行網格加密。

圖3 網格劃分示意圖  

2.2 邊界條件設置以及控制方程

液化天然氣LNG和天然氣NG的主要物性參數如表1所示。

表1 液化天然氣和天然氣的物性參數

仿真計算所采用的連續性方程、動量方程分別如下：

式中 U——速度

ρ——密度

p——壓力

ρm——汽液混合密度

ρv為天然氣密度

ρl為液化天然氣密度

空化模型使用Zwart等人[4]提出的空化模型：

式中m+表示由天然氣凝結為LNG的質量；m-表示由LNG轉化為天然氣的質量。Cp和Cd分別為模型中的凝結常數和汽化常數，αv為天然氣體積分數，αnuc是氣核體積分數，psat為LNG的飽和蒸氣壓，計算參數如下：

3 結果討論

圖4和圖5分別為液化天然氣介質在LNG超低溫球閥管道內部的速度云圖和壓力云圖。隨著質量流量的增加，LNG在球閥管道中的速度越來越大，產生的壓降也越來越大。前后閥座以及球體位置的階梯槽結構內部，LNG的速度比較低，內部的壓力也比較低。而在焊接法蘭位置產生的階梯槽附近，LNG的壓力非常低，速度卻非常高，這種情況下，是非常容易產生空化現象的。

圖6為四種工況所對應的LNG體積分數。在LNG超低溫球閥管道中的大部分位置，LNG的體積分數幾乎全部為1,但是在圖上用圓圈標記出來的位置，也就是焊接法蘭位置的縮口處，LNG的體積分數明顯低于1,說明此處確實是發生了空化現象。特別是在Q=615.25 kg/s的情況下，此時的管道前后壓差也非常大，空化現象非常明顯。

圖4 速度云圖 

圖5 壓力云圖 

圖6 LNG的體積分數云圖 

為了更好地確定LNG超低溫球閥內部LNG發生空化的具體位置，對流場中的天然氣體積分數為10%的區域進行提取，如圖7所示。LNG超低溫球閥管道內部空化發生的位置主要位于焊接法蘭附近的縮口處，并且進口處的空化要比出口處的空化現象更加嚴重。另外，隨著LNG流量的增加，閥座的階梯槽附近也逐漸開始出現空化現象，所以在LNG超低溫球閥的使用過程中，應當避免出現流量和壓差過大的情況。

圖7 天然氣10%體積分數云圖  

在輸送管道的過渡位置，比如焊接法蘭位置、閥座附近、球體附近等，由于結構發生突變，至使LNG介質在該處的壓力突然降低，導致LNG介質汽化產生空泡，并會在管道內迅速擴張。當空泡潰滅破裂時，周圍LNG液體迅速填充，碰撞球閥管道壁面，形成水擊。空泡的產生和破裂，還會對LNG超低溫球閥形成空蝕破壞，更進一步地，可能還會產生機械振動和噪聲。因此，LNG超低溫球閥在使用過程中，其流量和壓差都不應該太大，以減少空化現象的發生。

4 結語

超低溫球閥輸送LNG介質時，LNG往往會發生空化現象。本文對LNG超低溫球閥中的空化現象進行了數值模擬計算，并發現，隨著質量流量的增加，LNG在管道中的速度越來越大，球閥前后產生的壓降也越來越大；LNG超低溫球閥管道內部空化發生的位置主要位于焊接法蘭附近的縮口處，并且進口處的空化要比出口處的空化現象更加嚴重；應當盡量降低超低溫球閥的流量和壓差。

參考文獻

[1] 賈玉光.液化天然氣外輸站低溫球閥的選型和應用[J].石油和化工設備，2017,20(02):41-44.

[2] 黃明亞，宋忠榮，陶國慶，等.超低溫頂裝式球閥研制[J].閥門，2016,(06):25-28.

[3] 趙龍龍，張翼，李靖，等.LNG用超低溫球閥中腔泄壓規律的試驗[J].石油和化工設備，2020,23(07):81-83.

[4] ZWART P,GERBER A G,BELAMRI T.A two-phase flow model for predicting cavitation dynamics[C].Fifth International Conference on Multiphase Flow.2004.

文章來源：閥門