Systemy rurociągów parowych są szeroko stosowane w energetyce, przetwórstwie chemicznym, metalurgii i przemyśle papierniczym. Gdy parametry robocze wchodzą w zakres wysokich temperatur i wysokich ciśnień – szczególnie w przypadku pary nadkrytycznej powyżej 374°C i 22,1 MPa lub systemów pary podkrytycznej działających w pobliżu tych progów – standardowe ręczne zawory kulowe nie są już w stanie spełnić podstawowych wymagań bezpieczeństwa i niezawodności. Degradacja materiału, odkształcenie strukturalne i uszkodzenia uszczelnień to najczęściej spotykane rodzaje uszkodzeń w takich warunkach. Inżynierowie odpowiedzialni za dobór zaworów i pisanie specyfikacji muszą ustalić wyraźne wymagania techniczne dotyczące zarówno systemu materiałowego, jak i projektu konstrukcyjnego ręcznych zaworów kulowych przeznaczonych do pracy z parą wysokotemperaturową i pod wysokim ciśnieniem.
Stal węglowa WCB, która jest szeroko stosowana w zastosowaniach w temperaturze otoczenia, podlega gwałtownemu spadkowi dopuszczalnego naprężenia powyżej 425°C. Pod wpływem długotrwałej ekspozycji na wysoką temperaturę ulega sferoidyzacji perlitu i aglomeracji węglików, powodując ciągłe pogorszenie wytrzymałości na pełzanie. W przypadku pracy z parą wysokotemperaturową i pod wysokim ciśnieniem materiały korpusu zaworu i pokrywy muszą być wybrane ze sprawdzonych systemów stopów wysokotemperaturowych.
Stal stopowa chromowo-molibdenowa jest najpowszechniej stosowaną kategorią materiałów do budowy zaworów wysokotemperaturowych. Typowe gatunki obejmują WC6 (1,25Cr-0,5Mo) i WC9 (2,25Cr-1Mo), o maksymalnych temperaturach pracy odpowiednio około 540°C i 595°C. Chrom poprawia odporność na utlenianie i wytrzymałość w podwyższonej temperaturze, podczas gdy molibden skutecznie hamuje szybkość pełzania i opóźnia z czasem deformację wywołaną termicznie.
Stal stopowa o wysokiej zawartości chromu — np. C12A o składzie 9Cr-1Mo-V — nadaje się do pracy w nawet wyższych zakresach temperatur, zachowując znaczną wytrzymałość na pełzanie powyżej 600°C. Gatunek ten należy do podstawowych materiałów do zastosowań w zaworach elektrowni na parametry ultranadkrytyczne.
Austenityczna stal nierdzewna, taka jak CF8M (typ 316), zapewnia doskonałą odporność na korozję w wysokiej temperaturze i jest odpowiednia do stosowania w instalacjach parowych zawierających składniki korozyjne. Jednak jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest znacznie wyższy niż w przypadku stali ferrytycznych. W przypadku pracy cyklicznej termicznie różnica ta wymaga szczególnej uwagi na naprężenia termiczne w połączeniach kołnierzowych i spawanych.
Preferowanie odkuwek zamiast odlewów jest podstawową zasadą przy doborze materiału na zawory pracujące w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Kucie eliminuje wady odlewów, takie jak porowatość, wgłębienia skurczowe i wtrącenia. Powstała drobniejsza i bardziej jednolita struktura ziaren zapewnia znacznie lepsze właściwości mechaniczne – szczególnie udarność – w porównaniu do odlewanych odpowiedników tego samego gatunku materiału, zapewniając wyższą odporność na szok termiczny i stany nieustalone ciśnienia.
Praca z parą wysokotemperaturową stanowi jedno z najbardziej wymagających środowisk dla systemów uszczelniania gniazd zaworów. PTFE i inne standardowe materiały z miękkim gniazdem osiągają swoje granice użytkowania powyżej 200°C i ulegają całkowitemu rozkładowi funkcjonalnemu i karbonizacji powyżej 260°C. Dlatego ręczne zawory kulowe przeznaczone do obsługi pary o wysokiej temperaturze muszą mieć w całej konstrukcji konstrukcję uszczelniającą typu metal-metal.
Powierzchnie uszczelniające kul i gniazd są zwykle utwardzane w procesach napawania. Napawanie stellitowe (stop na bazie kobaltu) to standardowa obróbka powierzchni uszczelniających zawory pracujących w wysokich temperaturach, pozwalająca osiągnąć poziom twardości od 40 do 50 HRC, zachowując jednocześnie doskonałą odporność na zużycie i odporność na utlenianie w podwyższonych temperaturach. Ta obróbka powierzchni zapewnia skuteczną ochronę przed erozją i uszkodzeniami kawitacyjnymi powodowanymi przez przepływ pary o dużej prędkości. W szczególnie trudnych warunkach pracy jako alternatywne rozwiązania utwardzające stosuje się powłoki ceramiczne z azotku krzemu lub powłoki z węglika wolframu natryskiwanego termicznie.
Naprężenie osadzające – nacisk styku pomiędzy powierzchnią kuli i gniazda – należy dokładnie obliczyć na etapie projektowania. Niewystarczające naprężenie osadzania skutkuje niewystarczającą skutecznością uszczelnienia, podczas gdy nadmierne naprężenie osadzania przyspiesza zużycie powierzchni, co jest konsekwencją znacznie wzmacnianą w przypadku ciągłego uderzenia pary o wysokiej temperaturze. Roboczy moment obrotowy, szerokość styku gniazda i geometria kąta działania muszą być optymalizowane razem w ramach zintegrowanego systemu konstrukcyjnego.
Trzpień jest elementem ręcznego zaworu kulowego najbardziej narażonym na wycieki w warunkach pracy w wysokiej temperaturze. Wywołane termicznie pełzanie metalu i degradacja uszczelnienia stopniowo pogarszają system uszczelniający trzpienia, powodując zewnętrzne emisje niezorganizowane. Ręczne zawory kulowe wysokotemperaturowe muszą uwzględniać zespół trzpienia w oparciu o kilka skoordynowanych wymagań projektowych.
Materiał trzpienia jest zazwyczaj określany jako stal nierdzewna utwardzana wydzieleniowo 17-4PH lub martenzytyczna stal nierdzewna AISI 410. Obydwa gatunki zachowują odpowiednią wytrzymałość i odporność na korozję w podwyższonych temperaturach, wykazując jednocześnie stosunkowo niską podatność na pełzanie w dłuższych okresach użytkowania.
System pakowania musi wykorzystywać materiały odporne na wysokie temperatury. Elastyczne uszczelnienie grafitowe jest standardowym wyborem w przypadku pary wysokotemperaturowej, z pułapem temperatury funkcjonalnej przekraczającej 600°C. Łączy w sobie doskonały powrót sprężystości z nieodłącznymi właściwościami samosmarującymi, utrzymując stabilny kontakt uszczelniający podczas cykli termicznych bez interwencji mechanicznej. Wiele projektów obejmuje układy uszczelnień obciążone pod napięciem, w których stos sprężyn Belleville w sposób ciągły kompensuje utratę ściskania uszczelnienia spowodowaną cyklami termicznymi i długoterminową relaksacją pełzania. Taka konfiguracja zapewnia integralność uszczelnienia trzpienia przez cały okres użytkowania bez konieczności okresowej ręcznej regulacji dławika.
Konstrukcja trzpienia zapobiegająca wydmuchowi jest obowiązkowym wymogiem konstrukcyjnym w przypadku instalacji z parą wysokociśnieniową. Wewnętrzny występ lub element ustalający wrobiony w trzpień zapobiega wyrzuceniu trzpienia pod ciśnieniem w układzie w przypadku całkowitej awarii układu uszczelnienia, eliminując ryzyko obrażeń personelu i wtórnego uszkodzenia sprzętu związanego z wypadkami wyrzucenia trzpienia pod ciśnieniem.
W warunkach pracy w wysokiej temperaturze poszczególne elementy zaworu rozszerzają się z różną szybkością, w zależności od składu materiału i rozkładu grubości ścianek. Jeżeli na etapie projektowania nie uwzględni się odpowiednio naddatków na rozszerzalność cieplną, zależność wymiarowa pomiędzy kulą a gniazdami zmienia się zasadniczo wraz ze wzrostem temperatury roboczej.
Niewystarczający luz między kulą a gniazdem w zimnych warunkach powoduje, że kula mocno dociska powierzchnie gniazda po wystąpieniu rozszerzalności cieplnej, powodując gwałtowny wzrost roboczego momentu obrotowego – potencjalnie do punktu, w którym kuli nie można obrócić ręcznie. Alternatywnie, gniazdo może ulec odkształceniu plastycznemu pod wpływem termicznego obciążenia ściskającego, powodując trwały wyciek, gdy zawór powróci do temperatury otoczenia.
Wartości luzu zimnego pomiędzy kulą a gniazdem należy określić poprzez obliczenia rozszerzalności cieplnej, biorąc pod uwagę materiał kuli, materiał gniazda, maksymalną temperaturę roboczą i profile grubości ścianek w całym zespole. Wymiary wewnętrzne wnęki w korpusie zaworu należy także sprawdzić pod kątem promieniowego rozszerzania się kuli, aby upewnić się, że wzrost wywołany termicznie nie powoduje niezamierzonego naprężenia na otworze korpusu.
Geometria połączenia końcowego — kołnierzowego lub spawanego doczołowo — wymaga oceny konstrukcji pod kątem dodatkowych obciążeń przenoszonych przez rozszerzalność cieplną rurociągu. W wysokotemperaturowych instalacjach rurowych siły wzrostu rurociągu przenoszone są przez kołnierze na korpus zaworu. Grubość kołnierza i projekt napięcia wstępnego śrub muszą uwzględniać tę kombinację obciążeń oprócz ciśnienia wewnętrznego.
Odlewane i kute elementy utrzymujące ciśnienie przeznaczone do pracy w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem muszą zostać poddane obróbce cieplnej po obróbce mechanicznej w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych i ustabilizowania mikrostruktury metalurgicznej. Normalizowanie i odpuszczanie jest standardem w przypadku korpusów zaworów ze stali stopowej chromowo-molibdenowej. Temperatura odpuszczania i czas utrzymywania bezpośrednio wpływają na ostateczny profil właściwości mechanicznych materiału — w szczególności na wytrzymałość na zerwanie w podwyższonej temperaturze i udarność w niskiej temperaturze.
Wszystkie połączenia spawane elementów utrzymujących ciśnienie zaworu – w tym spoiny dławnicy i spoiny naprawcze korpusu – muszą zostać poddane obróbce cieplnej po spawaniu (PWHT) w pełnej zgodności z obowiązującymi przepisami. Strefy wpływu ciepła spoiny stali chromowo-molibdenowej, które nie są odpowiednio odpuszczone poprzez PWHT, zachowują nadmierną twardość i są bardzo podatne na pękanie wspomagane wodorem i pękanie korozyjne naprężeniowe w środowiskach pary o wysokiej temperaturze. Parametry procedury PWHT muszą być zgodne ze szczegółowymi wymaganiami ASME B31.1, ASME sekcja IX i innymi obowiązującymi przepisami projektowymi, z pełną dokumentacją zapisów czasu i temperatury dla każdego złącza spawanego.
Wartość znamionową ciśnienia i temperatury ręcznego zaworu kulowego do pary wysokotemperaturowej należy ustalić w oparciu o normę ASME B16.34 w rzeczywistej temperaturze roboczej, a nie w warunkach otoczenia. Dopuszczalne ciśnienie dla danej klasy ciśnienia w temperaturze 600°C może wynosić tylko połowę lub mniej wartości znamionowej w temperaturze otoczenia, przy znacznych różnicach pomiędzy grupami materiałów. Wybór zaworu w oparciu wyłącznie o klasę ciśnienia nominalnego bez sprawdzenia wartości znamionowej P-T w rzeczywistej temperaturze roboczej jest błędem w specyfikacji, który może skutkować chronicznym nadmiernym naprężeniem granicy ciśnienia podczas pracy.
Obliczenia grubości ścianki muszą jednocześnie uwzględniać wewnętrzne ciśnienie, naddatek na korozję i niedostateczną tolerancję walcarki producenta. Para wysokotemperaturowa sprzyja korozji oksydacyjnej stali węglowych, dlatego dobór naddatku na korozję musi odzwierciedlać zawartość rozpuszczonego tlenu w parze, poziomy kontroli pH w układzie wody zasilającej kocioł oraz przewidywany projektowany okres użytkowania instalacji – a nie uogólnione wartości domyślne empiryczne, które mogą być nieodpowiednie dla konkretnego procesu chemicznego.
Oprócz standardowych testów hydrostatycznych płaszcza i testów szczelności gniazd w temperaturze otoczenia, ręczne zawory kulowe do pary wysokotemperaturowej i wysokociśnieniowej wymagają dodatkowych kryteriów akceptacji specyficznych dla pracy w podwyższonych temperaturach. Badanie szczelności gniazda w wysokiej temperaturze, przeprowadzane w temperaturze roboczej lub w jej pobliżu, zapewnia weryfikację uszczelnienia gniazda metalowego w warunkach reprezentatywnych dla eksploatacji — jest to kwalifikacja, której badanie w temperaturze otoczenia nie jest w stanie powtórzyć w przypadku konstrukcji z uszczelnieniem metalowym. Dopuszczalne poziomy wycieków muszą być zgodne z obowiązującą klasą wycieku zdefiniowaną w API 598 lub ISO 5208, przy czym konkretna klasa jest określona przez wymagania bezpieczeństwa procesowego.
Identyfikowalność materiałów jest obowiązkowym wymogiem akceptacji w przypadku elementów zaworów pracujących w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem. Do każdej części utrzymującej ciśnienie należy dołączyć kompletne certyfikaty testów walcowni, protokoły obróbki cieplnej i raporty z badań nieniszczących – w tym badania ultradźwiękowe, badania radiograficzne oraz, w stosownych przypadkach, badanie penetracyjne cieczy lub metodą cząstek magnetycznych. Dokumentacja ta gwarantuje, że system materiałowy jest zgodny z wymaganiami specyfikacji projektowej i można go odzyskać w celu audytu i weryfikacji przez cały okres użytkowania sprzętu.
Rozpocznij swoją podróż we współpracy z Baodim
Linki
Kontakt
baodivalve@bdsjfm.com
+86-574-86817753
+86-574-86812190
After-Hours Hotline：
+86-18395898313
NO.42 Yongjiang Road, Beilun, miasto Ningbo, prowincja Zhejiang, Chiny
Hurtowi producenci przemysłowych zaworów z tworzyw sztucznych
