บอลวาล์วประเภทใดที่ใช้สำหรับบริการไอน้ำอุณหภูมิสูง

ระบบท่อส่งไอน้ำถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตไฟฟ้า การแปรรูปทางเคมี โลหะวิทยา และอุตสาหกรรมการผลิตกระดาษ เมื่อพารามิเตอร์การทำงานเข้าสู่ช่วงอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง — โดยเฉพาะบริการไอน้ำวิกฤตยิ่งยวดที่สูงกว่า 374°C และ 22.1 MPa หรือระบบไอน้ำใต้วิกฤตที่ทำงานใกล้เกณฑ์เหล่านี้ — บอลวาล์วแบบแมนนวลมาตรฐานไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือขั้นพื้นฐานได้อีกต่อไป การเสื่อมสภาพของวัสดุ การเสียรูปของโครงสร้าง และความล้มเหลวในการปิดผนึกถือเป็นโหมดความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดในสภาวะเหล่านี้ วิศวกรที่รับผิดชอบในการเลือกวาล์วและการเขียนข้อกำหนดจะต้องกำหนดข้อกำหนดทางเทคนิคที่ชัดเจนสำหรับทั้งระบบวัสดุและการออกแบบโครงสร้างของบอลวาล์วแบบแมนนวลสำหรับบริการไอน้ำอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง

การเลือกใช้วัสดุตัวถังและฝากระโปรง

เหล็กกล้าคาร์บอน WCB ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานที่อุณหภูมิแวดล้อม ประสบกับความเค้นที่ยอมรับได้ลดลงอย่างมากที่อุณหภูมิสูงกว่า 425°C ภายใต้การสัมผัสที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน จะเกิดการแข็งตัวของเพิร์ลไลต์และการรวมตัวของคาร์ไบด์ ส่งผลให้ความแข็งแรงของการคืบลดลงอย่างต่อเนื่อง สำหรับบริการไอน้ำอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง ต้องเลือกตัววาล์วและวัสดุฝากระโปรงจากระบบโลหะผสมอุณหภูมิสูงที่ผ่านการพิสูจน์แล้ว

เหล็กโลหะผสมโครเมียม-โมลิบดีนัมเป็นประเภทวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดสำหรับการก่อสร้างวาล์วอุณหภูมิสูง เกรดทั่วไปได้แก่ WC6 (1.25Cr-0.5Mo) และ WC9 (2.25Cr-1Mo) โดยมีอุณหภูมิการใช้งานสูงสุดประมาณ 540°C และ 595°C ตามลำดับ โครเมียมช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันและความแข็งแรงของอุณหภูมิสูง ขณะที่โมลิบดีนัมยับยั้งอัตราการคืบคลานได้อย่างมีประสิทธิภาพ และชะลอการเปลี่ยนรูปที่เกิดจากความร้อนเมื่อเวลาผ่านไป

เหล็กกล้าโลหะผสมโครเมียมสูง เช่น C12A ที่มีองค์ประกอบ 9Cr-1Mo-V เหมาะสำหรับช่วงอุณหภูมิที่สูงกว่า โดยยังคงความแข็งแรงของการแตกร้าวจากการคืบอย่างมากที่อุณหภูมิสูงกว่า 600°C เกรดนี้เป็นหนึ่งในตัวเลือกวัสดุหลักสำหรับการใช้งานวาล์วโรงไฟฟ้าที่วิกฤตยิ่งยวดพิเศษ

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก เช่น CF8M (ประเภท 316) มีความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม และเหมาะสำหรับบริการไอน้ำที่มีส่วนประกอบที่มีฤทธิ์กัดกร่อน อย่างไรก็ตาม ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนจะสูงกว่าเหล็กกล้าเฟอร์ริติกอย่างมาก ในการบริการแบบวงจรความร้อน ความแตกต่างนี้ต้องให้ความสนใจอย่างระมัดระวังต่อความเครียดจากความร้อนที่การเชื่อมต่อแบบหน้าแปลนและรอยเชื่อม

ความพึงพอใจในการตีขึ้นรูปมากกว่าการหล่อเป็นหลักการพื้นฐานในการเลือกใช้วัสดุวาล์วแรงดันสูงที่อุณหภูมิสูง การตีขึ้นรูปช่วยขจัดข้อบกพร่องในการหล่อ เช่น ความพรุน โพรงการหดตัว และการรวมตัว ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงสร้างเกรนที่ละเอียดและสม่ำเสมอยิ่งขึ้น ทำให้เกิดคุณสมบัติเชิงกลที่ดีขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะความทนทานต่อแรงกระแทก เมื่อเปรียบเทียบกับการหล่อที่เทียบเท่ากับวัสดุเกรดเดียวกัน ทำให้มีความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและแรงดันชั่วคราวได้สูงกว่า

ข้อกำหนดวัสดุพื้นผิวที่นั่งและซีล

บริการอบไอน้ำอุณหภูมิสูงเป็นหนึ่งในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการมากที่สุดสำหรับระบบปิดผนึกบ่าวาล์ว PTFE และวัสดุเบาะนั่งแบบนิ่มมาตรฐานอื่นๆ เข้าใกล้ขีดจำกัดการให้บริการที่สูงกว่า 200°C และผ่านกระบวนการสลายการทำงานและการทำให้เป็นคาร์บอนอย่างสมบูรณ์ที่อุณหภูมิสูงกว่า 260°C บอลวาล์วแบบแมนนวลที่มีไว้สำหรับบริการไอน้ำอุณหภูมิสูงจึงต้องมีโครงสร้างการปิดผนึกระหว่างโลหะกับโลหะตลอด

โดยทั่วไปแล้วพื้นผิวการปิดผนึกลูกบอลและที่นั่งจะแข็งตัวโดยกระบวนการเชื่อมแบบซ้อนทับ การเคลือบผิวแข็งแบบสเตลไลต์ (โลหะผสมโคบอลต์) คือการรักษามาตรฐานสำหรับพื้นผิวซีลวาล์วที่อุณหภูมิสูง โดยบรรลุระดับความแข็งที่ HRC 40 ถึง 50 ในขณะที่ยังคงความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่ดีเยี่ยมที่อุณหภูมิสูง การรักษาพื้นผิวนี้ให้การป้องกันการกัดเซาะและความเสียหายจากการเกิดโพรงอากาศที่เกิดจากการไหลของไอน้ำความเร็วสูงอย่างมีประสิทธิภาพ ในสภาวะการบริการที่รุนแรงเป็นพิเศษ การเคลือบเซรามิกซิลิคอนไนไตรด์หรือการเคลือบสเปรย์ความร้อนทังสเตนคาร์ไบด์จะถูกใช้เป็นทางเลือกในการชุบแข็ง

ความเครียดในการนั่ง - แรงกดสัมผัสระหว่างพื้นผิวลูกบอลและที่นั่ง - จะต้องได้รับการคำนวณอย่างแม่นยำในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ ความเค้นในการนั่งที่ไม่เพียงพอส่งผลให้ประสิทธิภาพการซีลไม่เพียงพอ ในขณะที่ความเค้นในการนั่งที่มากเกินไปจะเร่งการสึกหรอของพื้นผิว ผลที่ตามมาจะขยายออกไปอย่างมีนัยสำคัญภายใต้การปะทะของไอน้ำที่อุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่อง แรงบิดในการทำงาน ความกว้างหน้าสัมผัสเบาะนั่ง และรูปทรงของมุมสัมผัสต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมร่วมกันในฐานะระบบการออกแบบที่บูรณาการ

การออกแบบระบบต้นกำเนิดและการบรรจุ

ก้านเป็นส่วนประกอบในบอลวาล์วแบบแมนนวลที่เสี่ยงต่อความล้มเหลวของการรั่วไหลภายใต้สภาวะการบริการที่อุณหภูมิสูง การคืบคลานของโลหะและการย่อยสลายของบรรจุภัณฑ์ที่เกิดจากความร้อนส่งผลให้ระบบซีลก้านเสียหายอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้เกิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากภายนอก บอลวาล์วแบบแมนนวลที่อุณหภูมิสูงต้องจัดการกับชุดประกอบก้านผ่านข้อกำหนดการออกแบบที่ประสานงานหลายข้อ

วัสดุก้านโดยทั่วไปจะระบุว่าเป็นสเตนเลสสตีลชุบแข็งด้วยการตกตะกอน 17-4PH หรือสเตนเลสสตีลมาร์เทนซิติก AISI 410 ทั้งสองเกรดรักษาความแข็งแรงและความต้านทานการกัดกร่อนที่เพียงพอที่อุณหภูมิสูง ขณะเดียวกันก็แสดงความไวต่อการคืบคลานค่อนข้างต่ำตลอดระยะเวลาการให้บริการที่ยาวนาน

ระบบบรรจุภัณฑ์ต้องใช้วัสดุที่มีอุณหภูมิสูง การบรรจุด้วยกราไฟท์แบบยืดหยุ่นคือตัวเลือกมาตรฐานสำหรับการให้บริการไอน้ำอุณหภูมิสูง โดยมีเพดานอุณหภูมิการทำงานเกิน 600°C โดยผสมผสานการคืนตัวแบบยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยมเข้ากับคุณสมบัติการหล่อลื่นในตัว โดยรักษาหน้าสัมผัสการซีลที่มั่นคงตลอดวงจรความร้อนโดยไม่มีการแทรกแซงทางกลไก การออกแบบจำนวนมากรวมเอาการจัดเตรียมการบรรจุแบบสด ซึ่งกองสปริง Belleville จะชดเชยการสูญเสียการบีบอัดที่เกิดจากการหมุนเวียนของความร้อนและการผ่อนคลายการคืบในระยะยาวอย่างต่อเนื่อง การกำหนดค่านี้ช่วยรักษาความสมบูรณ์ของการซีลก้านตลอดอายุการใช้งานโดยไม่จำเป็นต้องปรับต่อมด้วยตนเองเป็นระยะ

การออกแบบก้านป้องกันการระเบิดเป็นข้อกำหนดเชิงโครงสร้างที่จำเป็นสำหรับบริการไอน้ำแรงดันสูง ไหล่ภายในหรือคุณลักษณะยึดที่กลึงเข้ากับก้านป้องกันการดีดออกของก้านภายใต้แรงกดในบรรทัดในกรณีที่ระบบการบรรจุล้มเหลวโดยสิ้นเชิง ช่วยลดความเสี่ยงของการบาดเจ็บของบุคลากรและความเสียหายของอุปกรณ์ทุติยภูมิที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์การดีดออกของก้านด้วยแรงดัน

การออกแบบการขยายความร้อนและระยะห่างของโครงสร้าง

ภายใต้สภาวะการบริการที่อุณหภูมิสูง ส่วนประกอบวาล์วแต่ละตัวจะขยายตัวในอัตราที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของวัสดุและการกระจายความหนาของผนัง หากค่าเผื่อการขยายตัวเนื่องจากความร้อนไม่ได้รวมไว้อย่างเพียงพอในระหว่างขั้นตอนการออกแบบ ความสัมพันธ์เชิงมิติระหว่างลูกบอลกับที่นั่งจะเปลี่ยนไปโดยพื้นฐานเมื่ออุณหภูมิในการทำงานเพิ่มขึ้น

ระยะห่างที่ไม่เพียงพอระหว่างลูกบอลและที่นั่งในสภาพเย็นส่งผลให้ลูกบอลกดแรงกับพื้นผิวที่นั่งเมื่อเกิดการขยายตัวจากความร้อน ส่งผลให้แรงบิดในการทำงานเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจถึงจุดที่ไม่สามารถหมุนลูกบอลด้วยตนเองได้ อีกทางหนึ่ง ที่นั่งอาจเกิดการเสียรูปพลาสติกภายใต้แรงอัดที่เกิดจากความร้อน ทำให้เกิดการรั่วไหลอย่างถาวรเมื่อวาล์วกลับสู่อุณหภูมิโดยรอบ

ค่าระยะห่างความเย็นระหว่างลูกบอลและที่นั่งจะต้องถูกกำหนดโดยการคำนวณการขยายความร้อนอย่างชัดเจน โดยพิจารณาจากวัสดุลูกบอล วัสดุที่นั่ง อุณหภูมิการทำงานสูงสุด และโปรไฟล์ความหนาของผนังทั่วทั้งชุดประกอบ ขนาดช่องภายในภายในตัววาล์วต้องได้รับการตรวจสอบกับการขยายตัวของลูกบอลรัศมีเพื่อให้แน่ใจว่าการเติบโตที่เกิดจากความร้อนไม่ทำให้เกิดความเครียดโดยไม่ได้ตั้งใจบนรูของร่างกาย

รูปทรงการเชื่อมต่อส่วนปลาย ไม่ว่าจะเป็นแบบหน้าแปลนหรือแบบเชื่อมชน จำเป็นต้องมีการประเมินโครงสร้างสำหรับโหลดเพิ่มเติมที่ส่งผ่านการขยายตัวทางความร้อนของท่อ ในระบบท่อที่มีอุณหภูมิสูง แรงการเติบโตของท่อจะถูกส่งผ่านหน้าแปลนเข้าไปในตัววาล์ว ความหนาของหน้าแปลนและการออกแบบพรีโหลดของโบลต์ต้องคำนึงถึงการรวมกันของโหลดนี้ นอกเหนือจากแรงดันภายใน

ข้อกำหนดการรักษาความร้อนและการรักษาความร้อนหลังการเชื่อม

ส่วนประกอบรักษาแรงดันแบบหล่อและปลอมแปลงสำหรับการบริการที่อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงจะต้องผ่านการบำบัดความร้อนหลังการตัดเฉือนเพื่อลดความเค้นตกค้างและทำให้โครงสร้างจุลภาคทางโลหะวิทยามีความเสถียร การทำให้เป็นมาตรฐานและการปรับอุณหภูมิเป็นมาตรฐานสำหรับตัววาล์วที่ทำจากโลหะผสมโครเมียม-โมลิบดีนัม อุณหภูมิการอบคืนตัวและเวลาในการคงตัวจะควบคุมโปรไฟล์สมบัติเชิงกลขั้นสุดท้ายของวัสดุโดยตรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งความแข็งแรงในการแตกของครีพที่อุณหภูมิสูงและความเหนียวในการกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ

ข้อต่อเชื่อมทั้งหมดบนส่วนประกอบรักษาแรงดันวาล์ว รวมถึงรอยเชื่อมกล่องบรรจุและรอยเชื่อมซ่อมแซมตัวถัง จะต้องผ่านการบำบัดความร้อนหลังการเชื่อม (PWHT) โดยเป็นไปตามรหัสที่บังคับใช้ทุกประการ โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนจากการเชื่อมเหล็กโครเมียม-โมลิบดีนัมที่ไม่ได้รับการอบคืนตัวอย่างเหมาะสมผ่าน PWHT จะคงความแข็งไว้มากเกินไป และมีความอ่อนไหวสูงต่อการแตกร้าวโดยใช้ไฮโดรเจนช่วยและการกัดกร่อนจากความเค้นในสภาพแวดล้อมที่มีไอน้ำอุณหภูมิสูง พารามิเตอร์ขั้นตอน PWHT ต้องเป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะของ ASME B31.1, ASME Section IX และรหัสการออกแบบอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง พร้อมเอกสารบันทึกอุณหภูมิเวลาสำหรับรอยเชื่อมแต่ละข้ออย่างครบถ้วน

มาตรฐานการออกแบบพิกัดแรงดันและความหนาของผนัง

จะต้องกำหนดระดับความดัน-อุณหภูมิของบอลวาล์วแบบใช้ไอน้ำอุณหภูมิสูงโดยอ้างอิงกับ ASME B16.34 ที่อุณหภูมิการทำงานจริง ไม่ใช่ที่สภาวะแวดล้อม ความดันที่อนุญาตสำหรับระดับความดันที่กำหนดที่ 600°C อาจมีค่าเพียงครึ่งหนึ่งหรือน้อยกว่าของพิกัดอุณหภูมิแวดล้อม โดยมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญระหว่างกลุ่มวัสดุ การเลือกวาล์วตามระดับแรงดันที่ระบุเพียงอย่างเดียวโดยไม่ตรวจสอบพิกัด P-T ที่อุณหภูมิการใช้งานจริงถือเป็นข้อผิดพลาดตามข้อกำหนดที่อาจส่งผลให้เกิดขอบเขตแรงดันเกินเรื้อรังในการให้บริการ

การคำนวณความหนาของผนังต้องคำนึงถึงการกักเก็บแรงดันภายใน ค่าเผื่อการกัดกร่อน และค่าเผื่อความทนทานต่อโรงงานของผู้ผลิตไปพร้อมๆ กัน ไอน้ำอุณหภูมิสูงส่งเสริมการกัดกร่อนแบบออกซิเดชันของเหล็กคาร์บอนแบริ่ง และการเลือกค่าเผื่อการกัดกร่อนต้องสะท้อนถึงปริมาณออกซิเจนที่ละลายในไอน้ำ ระดับการควบคุม pH ภายในระบบน้ำป้อนหม้อไอน้ำ และอายุการใช้งานการออกแบบที่ตั้งใจไว้ของการติดตั้ง ไม่ใช่ค่าเริ่มต้นเชิงประจักษ์ทั่วไปที่อาจไม่เหมาะสมสำหรับเคมีของกระบวนการเฉพาะ

ข้อกำหนดในการทดสอบและตรวจสอบ

นอกเหนือจากการทดสอบไฮโดรสแตติกของเปลือกมาตรฐานและการทดสอบการรั่วของที่นั่งที่อุณหภูมิแวดล้อมแล้ว บอลวาล์วแบบแมนนวลที่อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงยังจำเป็นต้องมีเกณฑ์การยอมรับเพิ่มเติมเฉพาะสำหรับการบริการที่อุณหภูมิสูง การทดสอบการรั่วของเบาะนั่งที่อุณหภูมิสูง ดำเนินการที่อุณหภูมิการทำงานจริงหรือใกล้เคียง ให้การตรวจสอบประสิทธิภาพการปิดผนึกเบาะนั่งโลหะภายใต้เงื่อนไขที่เป็นตัวแทนของการบริการ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่การทดสอบที่อุณหภูมิแวดล้อมไม่สามารถทำซ้ำได้สำหรับการออกแบบที่นั่งที่เป็นโลหะ อัตราการรั่วไหลที่อนุญาตจะต้องเป็นไปตามระดับการรั่วไหลที่เกี่ยวข้องซึ่งกำหนดไว้ใน API 598 หรือ ISO 5208 โดยมีระดับเฉพาะที่กำหนดโดยข้อกำหนดด้านความปลอดภัยของกระบวนการ

การตรวจสอบย้อนกลับของวัสดุเป็นข้อกำหนดการยอมรับบังคับสำหรับส่วนประกอบวาล์วอุณหภูมิสูงและแรงดันสูง ชิ้นส่วนรักษาแรงดันทุกชิ้นต้องมีใบรับรองการทดสอบโรงงาน บันทึกการรักษาความร้อน และรายงานการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย รวมถึงการทดสอบอัลตราโซนิก การทดสอบด้วยรังสีเอกซ์ และการตรวจสอบสารแทรกซึมของของเหลวหรืออนุภาคแม่เหล็กตามความเหมาะสม เอกสารนี้ช่วยให้แน่ใจว่าระบบวัสดุเป็นไปตามข้อกำหนดข้อกำหนดการออกแบบ และยังคงสามารถดึงข้อมูลเพื่อตรวจสอบและยืนยันได้ตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์