چه نوع شیر توپی برای سرویس بخار در دمای بالا استفاده می شود

سیستم های خط لوله بخار به طور گسترده در صنایع تولید برق، فرآوری شیمیایی، متالورژی و تولید کاغذ استفاده می شود. هنگامی که پارامترهای عملیاتی وارد محدوده فشار بالا و دمای بالا می شوند - به ویژه سرویس بخار فوق بحرانی بالای 374 درجه سانتی گراد و 22.1 مگاپاسکال، یا سیستم های بخار زیر بحرانی که در نزدیکی این آستانه ها کار می کنند - شیرهای توپی استاندارد دستی دیگر قادر به برآوردن الزامات ایمنی و قابلیت اطمینان اولیه نیستند. تخریب مواد، تغییر شکل ساختاری و شکست آب بندی بیشترین حالت های شکست در این شرایط هستند. مهندسان مسئول انتخاب سوپاپ و نوشتن مشخصات باید الزامات فنی صریح را در مورد سیستم مواد و طراحی ساختاری شیرهای توپی دستی که برای سرویس بخار با دمای بالا و فشار بالا در نظر گرفته شده است، ایجاد کنند.

انتخاب مواد بدنه و کاپوت

فولاد کربنی WCB، که به طور گسترده در کاربردهای دمای محیط استفاده می شود، کاهش شدید تنش مجاز بالای 425 درجه سانتی گراد را تجربه می کند. تحت قرار گرفتن طولانی مدت در دمای بالا، تحت کروی شدن پرلیت و تراکم کاربید قرار می گیرد و باعث زوال مداوم قدرت خزش می شود. برای سرویس بخار با دمای بالا و فشار بالا، بدنه سوپاپ و مواد درپوش باید از سیستم‌های آلیاژی با دمای بالا انتخاب شوند.

فولاد آلیاژی کروم-مولیبدن پرکاربردترین دسته مواد برای ساخت شیرهای با دمای بالا است. گریدهای معمولی عبارتند از WC6 (1.25Cr-0.5Mo) و WC9 (2.25Cr-1Mo)، با حداکثر دمای سرویس به ترتیب تقریباً 540 درجه سانتیگراد و 595 درجه سانتیگراد. کروم مقاومت در برابر اکسیداسیون و استحکام در دمای بالا را بهبود می بخشد، در حالی که مولیبدن به طور موثر سرعت خزش را سرکوب می کند و تغییر شکل ناشی از حرارت را در طول زمان به تاخیر می اندازد.

فولاد آلیاژی با کروم بالا - مانند C12A با ترکیب 9Cr-1Mo-V - برای محدوده دمایی حتی بالاتر مناسب است و قدرت گسیختگی قابل توجهی را در بالای 600 درجه سانتیگراد حفظ می کند. این درجه یکی از مواد اولیه انتخابی برای کاربردهای شیر نیروگاه فوق بحرانی است.

فولاد ضد زنگ آستنیتی، مانند CF8M (نوع 316)، مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی در دمای بالا ارائه می دهد و برای سرویس بخار حاوی اجزای خورنده مناسب است. با این حال، ضریب انبساط حرارتی آن به طور قابل توجهی بیشتر از فولادهای فریتی است. در سرویس سیکلی حرارتی، این تفاوت مستلزم توجه دقیق به تنش حرارتی در اتصالات فلنجی و اتصالات جوش است.

ترجیح آهنگری نسبت به ریخته گری یک اصل اساسی در انتخاب مواد دریچه با دمای بالا و فشار بالا است. آهنگری عیوب ریخته گری مانند تخلخل، حفره های انقباضی و آخال ها را از بین می برد. ساختار دانه ریزتر و یکنواخت‌تر به‌دست‌آمده، خواص مکانیکی قابل‌توجهی بهتری - به‌ویژه چقرمگی ضربه - در مقایسه با معادل‌های ریخته‌گری با درجه ماده مشابه ایجاد می‌کند و مقاومت بالاتری در برابر شوک حرارتی و گذراهای فشار ایجاد می‌کند.

الزامات مواد سطح صندلی و آب بندی

سرویس بخار با دمای بالا یکی از سخت ترین محیط ها را برای سیستم های آب بندی صندلی سوپاپ نشان می دهد. PTFE و سایر مواد استاندارد صندلی نرم به محدوده خدمات خود در دمای بالای 200 درجه سانتیگراد نزدیک می شوند و در دمای بالای 260 درجه سانتیگراد دچار شکستگی کامل و کربنیزه می شوند. بنابراین، دریچه های توپی دستی که برای سرویس بخار با دمای بالا در نظر گرفته شده اند، باید از ساختار آب بندی فلز به فلز در سراسر آن استفاده کنند.

سطوح آب بندی توپ و صندلی معمولاً از طریق فرآیندهای جوشکاری پوششی سخت می شوند. سخت‌افزار استلایت (آلیاژ مبتنی بر کبالت) درمان استاندارد برای سطوح آب‌بندی شیر با دمای بالا است که به سطوح سختی HRC 40 تا 50 دست می‌یابد در حالی که مقاومت در برابر سایش و مقاومت اکسیداسیون در دماهای بالا حفظ می‌شود. این عملیات سطحی محافظت موثری در برابر آسیب فرسایش و حفره ناشی از جریان بخار با سرعت بالا ایجاد می کند. در شرایط خدماتی خاص، از پوشش‌های سرامیکی نیترید سیلیکون یا پوشش‌های اسپری حرارتی کاربید تنگستن به عنوان محلول‌های سخت‌کننده جایگزین استفاده می‌شود.

تنش نشستن - فشار تماس بین سطوح توپ و صندلی - باید در مرحله طراحی دقیقاً محاسبه شود. تنش ناکافی نشستن منجر به عملکرد آب بندی ناکافی می شود، در حالی که تنش بیش از حد نشستن سایش سطح را تسریع می کند، نتیجه ای که تحت برخورد بخار مداوم در دمای بالا به طور قابل توجهی تقویت می شود. گشتاور عملیاتی، عرض تماس صندلی، و هندسه زاویه تماس باید با هم به عنوان یک سیستم طراحی یکپارچه بهینه شوند.

طراحی سیستم ساقه و بسته بندی

ساقه جزء دریچه توپی دستی است که در شرایط سرویس دهی با دمای بالا در برابر نشتی آسیب پذیرتر است. خزش فلزات ناشی از حرارت و تخریب بسته بندی به تدریج سیستم آب بندی ساقه را به خطر می اندازد و منجر به انتشارات فرار خارجی می شود. دریچه های توپی دستی با دمای بالا باید مجموعه ساقه را از طریق چندین الزام طراحی هماهنگ پاسخ دهند.

مواد ساقه معمولاً به عنوان فولاد زنگ نزن 17-4PH یا فولاد ضد زنگ مارتنزیتی AISI 410 مشخص می شود. هر دو گرید استحکام و مقاومت در برابر خوردگی کافی را در دماهای بالا حفظ می‌کنند در حالی که حساسیت خزش نسبتاً کمی را در طول دوره‌های خدمات طولانی نشان می‌دهند.

سیستم بسته بندی باید از مواد درجه حرارت بالا استفاده کند. بسته بندی گرافیت انعطاف پذیر انتخاب استاندارد برای سرویس بخار در دمای بالا است، با سقف دمای عملکردی بیش از 600 درجه سانتیگراد. این ترکیب بازیابی الاستیک عالی با خواص خود روانکاری ذاتی است و تماس آب بندی پایدار را در طول چرخه حرارتی بدون مداخله مکانیکی حفظ می کند. بسیاری از طرح‌ها دارای چیدمان‌های بسته‌بندی با بارگذاری زنده هستند، که در آن یک پشته فنر Belleville به طور مداوم تلفات فشرده‌سازی بسته‌بندی ناشی از چرخه حرارتی و آرامش طولانی‌مدت خزش را جبران می‌کند. این پیکربندی یکپارچگی آب بندی ساقه را در طول عمر کامل بدون نیاز به تنظیم دوره ای غده دستی حفظ می کند.

طراحی ساقه ضد باد یک نیاز ساختاری اجباری برای سرویس بخار پرفشار است. یک شانه داخلی یا ویژگی نگهدارنده ماشینکاری شده در ساقه از پرتاب ساقه تحت فشار خط در صورت خرابی کامل سیستم بسته بندی جلوگیری می کند و خطر آسیب پرسنل و آسیب تجهیزات ثانویه مرتبط با حوادث پرتاب ساقه تحت فشار را از بین می برد.

طراحی انبساط حرارتی و ترخیص سازه

در شرایط سرویس دهی با دمای بالا، اجزای تکی شیر بسته به ترکیب مواد و توزیع ضخامت دیواره با نرخ های متفاوتی منبسط می شوند. اگر میزان انبساط حرارتی به اندازه کافی در مرحله طراحی گنجانده نشود، رابطه ابعادی بین توپ و صندلی ها با افزایش دمای عملیاتی به طور اساسی تغییر می کند.

فاصله ناکافی بین توپ و صندلی در شرایط سرد منجر به فشار شدید توپ به سطوح صندلی پس از وقوع انبساط حرارتی می شود و باعث می شود که گشتاور عملیاتی به شدت افزایش یابد - به طور بالقوه تا جایی که توپ را نمی توان به صورت دستی بچرخاند. از طرف دیگر، صندلی ممکن است تحت بار فشاری ناشی از گرما دچار تغییر شکل پلاستیکی شود و پس از بازگشت شیر ​​به دمای محیط، نشت دائمی ایجاد کند.

مقادیر فاصله سرد بین توپ و صندلی باید از طریق محاسبات صریح انبساط حرارتی، محاسبه مواد توپ، مواد صندلی، حداکثر دمای عملیاتی و پروفیل‌های ضخامت دیوار در سراسر مجموعه تعیین شود. ابعاد حفره داخلی در بدنه دریچه نیز باید در برابر انبساط شعاعی توپ تأیید شود تا اطمینان حاصل شود که رشد ناشی از حرارت باعث ایجاد فشار ناخواسته بر سوراخ بدن نمی شود.

هندسه اتصال انتهایی - چه فلنجی یا جوشی - به ارزیابی ساختاری برای بارهای اضافی منتقل شده توسط انبساط حرارتی خط لوله نیاز دارد. در سیستم های لوله کشی با دمای بالا، نیروهای رشد خط لوله از طریق فلنج ها به بدنه شیر منتقل می شود. ضخامت فلنج و طراحی پیش بار پیچ باید علاوه بر فشار داخلی، این ترکیب بار را نیز در نظر بگیرد.

عملیات حرارتی و مورد نیاز عملیات حرارتی پس از جوشکاری

قطعات نگهدارنده فشار ریخته گری و آهنگری برای خدمات با دمای بالا و فشار بالا برای کاهش تنش باقیمانده و تثبیت ریزساختار متالورژیکی باید تحت عملیات حرارتی پس از ماشین کاری قرار گیرند. عملیات عادی سازی و تمپر برای بدنه شیر آلیاژهای فولادی کروم-مولیبدن استاندارد است. دمای معتدل و زمان نگهداری مستقیماً بر مشخصات مکانیکی نهایی مواد - به ویژه استحکام گسیختگی خزشی در دمای بالا و چقرمگی ضربه در دمای پایین - حاکم است.

تمام اتصالات جوش در اجزای نگهدارنده فشار سوپاپ - از جمله جوش های جعبه بسته بندی و جوش های تعمیر بدنه - باید تحت عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) با انطباق کامل با کدهای قابل اجرا قرار گیرند. نواحی متاثر از حرارت جوش فولاد کروم-مولیبدن که به درستی از طریق PWHT تعدیل نشده اند، سختی بیش از حد را حفظ می کنند و در محیط های بخار با دمای بالا به شدت مستعد ترک خوردگی به کمک هیدروژن و ترک خوردگی تنشی هستند. پارامترهای روش PWHT باید با الزامات خاص ASME B31.1، ASME بخش IX، و سایر کدهای طراحی قابل اجرا، همراه با مستندات کامل سوابق زمان و دما برای هر اتصال جوش مطابقت داشته باشد.

استانداردهای طراحی رتبه بندی فشار و ضخامت دیوار

درجه بندی فشار-دمای یک شیر توپی دستی بخار با دمای بالا باید با ارجاع به ASME B16.34 در دمای عملیاتی واقعی و نه در شرایط محیطی تعیین شود. فشار مجاز برای یک کلاس فشار معین در 600 درجه سانتیگراد ممکن است تنها نصف یا کمتر از درجه دمای محیط آن باشد، با تغییرات قابل توجهی بین گروه های مواد. انتخاب یک شیر صرفاً بر اساس کلاس فشار اسمی بدون تأیید رتبه P-T در دمای سرویس واقعی یک خطای مشخصات است که می‌تواند منجر به یک مرز فشار بیش از حد مزمن در سرویس شود.

محاسبه ضخامت دیوار باید به طور همزمان برای مهار فشار داخلی، مجاز خوردگی، و عدم تحمل آسیاب سازنده در نظر گرفته شود. بخار با دمای بالا باعث افزایش خوردگی اکسیداتیو فولادهای کربن دار می شود و انتخاب کمک هزینه خوردگی باید محتوای اکسیژن محلول در بخار، سطوح کنترل pH در سیستم آب تغذیه دیگ بخار، و عمر مفید طراحی مورد نظر نصب را منعکس کند - نه پیش فرض های تجربی کلی که ممکن است برای شیمی فرآیند خاص نامناسب باشد.

الزامات تست و بازرسی

علاوه بر تست هیدرواستاتیک پوسته استاندارد و تست نشت صندلی در دمای محیط، شیرهای توپی دستی بخار با دمای بالا و فشار بالا به معیارهای پذیرش تکمیلی مخصوص سرویس با دمای بالا نیاز دارند. آزمایش نشت صندلی در دمای بالا، انجام شده در دمای عملیاتی واقعی یا نزدیک به آن، تأیید عملکرد آب بندی صندلی های فلزی را در شرایطی که نشان دهنده خدمات است، ارائه می دهد - صلاحیتی که آزمایش دمای محیط نمی تواند برای طرح های روی صندلی های فلزی تکرار شود. نرخ نشتی مجاز باید با کلاس نشتی قابل اجرا تعریف شده در API 598 یا ISO 5208 مطابقت داشته باشد، با کلاس خاصی که توسط الزامات ایمنی فرآیند تعیین می شود.

قابلیت ردیابی مواد یک الزام پذیرش اجباری برای اجزای شیر با دمای بالا و فشار بالا است. هر قطعه نگهدارنده فشار باید با گواهی‌های آزمایش کامل آسیاب، سوابق عملیات حرارتی، و گزارش‌های معاینه غیرمخرب - از جمله آزمایش اولتراسونیک، آزمایش رادیوگرافی، و بازرسی ذرات نافذ مایع یا مغناطیسی در صورت لزوم همراه باشد. این مستندات تضمین می‌کند که سیستم مواد با الزامات مشخصات طراحی مطابقت دارد و برای ممیزی و تأیید در طول عمر عملیاتی تجهیزات قابل بازیابی است.