Hệ thống đường ống dẫn hơi nước được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất điện, chế biến hóa chất, luyện kim và sản xuất giấy. Khi các thông số vận hành nằm trong phạm vi nhiệt độ cao, áp suất cao —đặc biệt là hệ thống hơi nước siêu tới hạn trên 374°C và 22,1 MPa, hoặc hệ thống hơi nước dưới tới hạn hoạt động gần các ngưỡng này — các van bi điều khiển bằng tay tiêu chuẩn không còn đáp ứng được các yêu cầu cơ bản về an toàn và độ tin cậy. Sự xuống cấp vật liệu, biến dạng cấu trúc và hỏng hóc lớp bịt kín là những dạng hỏng hóc thường gặp nhất trong các điều kiện này. Các kỹ sư chịu trách nhiệm lựa chọn van và viết thông số kỹ thuật phải thiết lập các yêu cầu kỹ thuật rõ ràng liên quan đến cả hệ thống vật liệu và thiết kế cấu trúc của van bi điều khiển bằng tay dùng cho hệ thống hơi nước ở nhiệt độ và áp suất cao.
Thép cacbon WCB, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng ở nhiệt độ môi trường, có sự suy giảm mạnh về ứng suất cho phép trên 425°C. Dưới tác động kéo dài ở nhiệt độ cao, nó trải qua quá trình cầu hóa perlit và kết tụ cacbua, gây ra sự suy giảm liên tục về độ bền rão. Đối với dịch vụ hơi nước ở nhiệt độ cao và áp suất cao, vật liệu thân van và nắp van phải được lựa chọn từ các hệ hợp kim chịu nhiệt cao đã được chứng minh.
Thép hợp kim crom-molypden là loại vật liệu được ứng dụng rộng rãi nhất trong chế tạo van chịu nhiệt độ cao. Các loại điển hình bao gồm WC6 (1,25Cr-0,5Mo) và WC9 (2,25Cr-1Mo), với nhiệt độ hoạt động tối đa lần lượt khoảng 540°C và 595°C. Crom cải thiện khả năng chống oxy hóa và độ bền ở nhiệt độ cao, trong khi molypden ngăn chặn hiệu quả tốc độ biến dạng dẻo và làm chậm quá trình biến dạng do nhiệt theo thời gian.
Thép hợp kim crom cao —như C12A với thành phần 9Cr-1Mo-V — thích hợp cho phạm vi nhiệt độ cao hơn nữa, duy trì độ bền đứt rão đáng kể trên 600°C. Loại vật liệu này nằm trong số những lựa chọn vật liệu chính cho các ứng dụng van nhà máy điện siêu tới hạn.
Thép không gỉ Austenit, chẳng hạn như CF8M (Loại 316), có khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao tuyệt vời và thích hợp cho hệ thống hơi nước có chứa các thành phần ăn mòn. Tuy nhiên, hệ số giãn nở nhiệt của nó cao hơn đáng kể so với thép ferrit. Trong điều kiện vận hành theo chu kỳ nhiệt, sự khác biệt này đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến ứng suất nhiệt tại các mối nối mặt bích và mối hàn.
Việc ưu tiên sử dụng vật liệu rèn hơn vật liệu đúc là một nguyên tắc cơ bản trong việc lựa chọn vật liệu van chịu nhiệt độ cao và áp suất cao. Quá trình rèn giúp loại bỏ các khuyết tật của vật đúc như độ xốp, lỗ co ngót và tạp chất. Cấu trúc hạt mịn hơn và đồng nhất hơn tạo ra các tính chất cơ học tốt hơn đáng kể —đặc biệt là độ bền va đập— so với các sản phẩm đúc tương đương cùng loại vật liệu, mang lại khả năng chống sốc nhiệt và biến đổi áp suất cao hơn.
Dịch vụ xử lý hơi nước ở nhiệt độ cao là một trong những môi trường đòi hỏi khắt khe nhất đối với hệ thống làm kín đế van. PTFE và các vật liệu ghế mềm tiêu chuẩn khác đạt đến giới hạn sử dụng trên 200°C và trải qua quá trình phân hủy chức năng hoàn toàn và cacbon hóa trên 260°C. Do đó, các van bi điều khiển bằng tay dùng cho hệ thống hơi nước ở nhiệt độ cao phải sử dụng cấu trúc làm kín kim loại với kim loại xuyên suốt.
Các bề mặt làm kín của bi và đế thường được làm cứng thông qua các quy trình hàn phủ. Lớp phủ cứng Stellite (hợp kim gốc coban) là phương pháp xử lý tiêu chuẩn cho các bề mặt làm kín van chịu nhiệt độ cao, đạt độ cứng HRC từ 40 đến 50 trong khi vẫn duy trì khả năng chống mài mòn và chống oxy hóa tuyệt vời ở nhiệt độ cao. Phương pháp xử lý bề mặt này cung cấp khả năng bảo vệ hiệu quả chống lại sự ăn mòn và hư hại do xâm thực gây ra bởi dòng hơi nước tốc độ cao. Trong điều kiện vận hành đặc biệt khắc nghiệt, lớp phủ gốm silicon nitride hoặc lớp phủ phun nhiệt vonfram carbide được sử dụng làm giải pháp làm cứng thay thế.
Ứng suất tiếp xúc — áp suất tiếp xúc giữa bi và bề mặt ghế — phải được tính toán chính xác trong giai đoạn thiết kế. Ứng suất tiếp xúc không đủ dẫn đến hiệu suất làm kín không đạt yêu cầu, trong khi ứng suất tiếp xúc quá mức làm tăng tốc độ mài mòn bề mặt, một hậu quả càng trầm trọng hơn khi có sự va chạm liên tục của hơi nước ở nhiệt độ cao. Mô-men xoắn vận hành, chiều rộng tiếp xúc của ghế và hình dạng góc tiếp xúc phải được tối ưu hóa cùng nhau như một hệ thống thiết kế tích hợp.
Trục van là bộ phận trong van bi điều khiển bằng tay dễ bị rò rỉ nhất trong điều kiện vận hành ở nhiệt độ cao. Hiện tượng biến dạng dẻo của kim loại do nhiệt và sự xuống cấp của vật liệu đóng gói làm suy yếu dần hệ thống làm kín thân van, dẫn đến phát thải khí rò rỉ ra bên ngoài. Van bi điều khiển bằng tay chịu nhiệt độ cao phải đáp ứng được yêu cầu thiết kế phối hợp của cụm trục van.
Vật liệu thân thường được chỉ định là thép không gỉ tôi cứng bằng kết tủa 17-4PH hoặc thép không gỉ mactenxit AISI 410. Cả hai loại đều duy trì độ bền và khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao, đồng thời thể hiện khả năng biến dạng dẻo tương đối thấp trong thời gian sử dụng dài.
Hệ thống đóng gói phải sử dụng vật liệu chịu nhiệt cao. Vật liệu đóng gói than chì dẻo là lựa chọn tiêu chuẩn cho dịch vụ hơi nước ở nhiệt độ cao, với giới hạn nhiệt độ hoạt động vượt quá 600°C. Nó kết hợp khả năng phục hồi đàn hồi tuyệt vời với đặc tính tự bôi trơn vốn có, duy trì tiếp xúc kín ổn định trong suốt chu kỳ nhiệt mà không cần can thiệp cơ học. Nhiều thiết kế kết hợp các bố trí đóng gói chịu tải trọng động, trong đó cụm lò xo Belleville liên tục bù đắp cho sự mất nén của vật liệu đóng gói do chu kỳ nhiệt và sự giãn nở do biến dạng dẻo lâu dài. Cấu hình này duy trì độ kín khít của thân van trong suốt vòng đời sử dụng mà không cần điều chỉnh gioăng thủ công định kỳ.
Thiết kế thân chống phun trào là yêu cầu cấu trúc bắt buộc đối với hệ thống hơi nước áp suất cao. Một gờ bên trong hoặc chi tiết giữ được gia công vào thân van giúp ngăn chặn việc đẩy thân van ra ngoài dưới áp suất đường ống trong trường hợp hệ thống đóng gói bị hỏng hoàn toàn, loại bỏ nguy cơ gây thương tích cho người và hư hỏng thiết bị thứ cấp liên quan đến các sự cố đẩy thân van dưới áp suất.
Trong điều kiện hoạt động ở nhiệt độ cao, các bộ phận van riêng lẻ giãn nở với tốc độ khác nhau tùy thuộc vào thành phần vật liệu và sự phân bố độ dày thành van. Nếu các dung sai giãn nở nhiệt không được tích hợp đầy đủ trong giai đoạn thiết kế, mối quan hệ về kích thước giữa bi và đế sẽ thay đổi về cơ bản khi nhiệt độ hoạt động tăng lên.
Khoảng cách không đủ giữa bi và đế trong điều kiện lạnh dẫn đến việc bi ép mạnh vào bề mặt đế khi xảy ra sự giãn nở nhiệt, làm tăng mô-men xoắn hoạt động mạnh — có thể đến mức không thể xoay bi bằng tay. Ngoài ra, đế van có thể bị biến dạng dẻo dưới tải trọng nén do nhiệt, gây ra rò rỉ vĩnh viễn khi van trở lại nhiệt độ môi trường.
Các giá trị khe hở nguội giữa bi và đế phải được xác định thông qua các phép tính giãn nở nhiệt cụ thể, có tính đến vật liệu bi, vật liệu đế, nhiệt độ hoạt động tối đa và cấu hình độ dày thành trên toàn bộ cụm lắp ráp. Kích thước khoang bên trong thân van cũng phải được kiểm tra xem có bị giãn nở do bi hướng tâm hay không để đảm bảo rằng sự phát triển do nhiệt không gây ra ứng suất không mong muốn lên lỗ thân van.
Hình dạng kết nối đầu cuối — dù là mặt bích hay hàn đối đầu — đòi hỏi phải đánh giá kết cấu để xác định tải trọng bổ sung truyền qua sự giãn nở nhiệt của đường ống. Trong các hệ thống đường ống chịu nhiệt độ cao, lực tăng trưởng của đường ống được truyền qua mặt bích vào thân van. Độ dày mặt bích và thiết kế tải trọng trước khi bắt vít phải tính đến sự kết hợp tải trọng này, ngoài áp suất bên trong.
Các chi tiết chịu áp lực đúc và rèn dùng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao cần phải trải qua quá trình xử lý nhiệt sau khi gia công để giảm ứng suất dư và ổn định cấu trúc vi mô luyện kim. Xử lý chuẩn hóa và tôi luyện là tiêu chuẩn cho thân van thép hợp kim crom-molypden. Nhiệt độ tôi luyện và thời gian giữ nhiệt quyết định trực tiếp đến đặc tính cơ học cuối cùng của vật liệu — đặc biệt là độ bền đứt do rão ở nhiệt độ cao và độ dẻo dai khi va đập ở nhiệt độ thấp.
Tất cả các mối hàn trên các bộ phận giữ áp suất van —bao gồm cả mối hàn hộp đệm và mối hàn sửa chữa thân van — phải trải qua quá trình xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) theo đúng các quy định hiện hành. Các vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn thép crom-molypden không được tôi luyện đúng cách thông qua PWHT vẫn giữ được độ cứng quá mức và rất dễ bị nứt do hydro và nứt ăn mòn ứng suất trong môi trường hơi nước nhiệt độ cao. Các thông số quy trình PWHT phải tuân thủ các yêu cầu cụ thể của ASME B31.1, ASME Mục IX và các quy chuẩn thiết kế áp dụng khác, kèm theo đầy đủ tài liệu ghi chép về thời gian và nhiệt độ cho mỗi mối hàn.
Định mức áp suất-nhiệt độ của van bi điều khiển bằng tay hơi nước nhiệt độ cao phải được thiết lập theo tiêu chuẩn ASME B16.34 ở nhiệt độ hoạt động thực tế, chứ không phải ở điều kiện môi trường xung quanh. Áp suất cho phép đối với một cấp áp suất nhất định ở 600°C có thể chỉ bằng một nửa hoặc ít hơn so với định mức nhiệt độ môi trường xung quanh, với sự khác biệt đáng kể giữa các nhóm vật liệu. Việc lựa chọn van chỉ dựa trên cấp áp suất danh nghĩa mà không kiểm tra định mức PT ở nhiệt độ hoạt động thực tế là một lỗi kỹ thuật có thể dẫn đến tình trạng quá áp kéo dài trong quá trình vận hành.
Việc tính toán độ dày thành phải đồng thời tính đến khả năng chịu áp suất bên trong, lượng ăn mòn cho phép và dung sai không cho phép của nhà sản xuất. Hơi nước ở nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình ăn mòn oxy hóa thép chứa cacbon, và việc lựa chọn dung sai ăn mòn phải phản ánh hàm lượng oxy hòa tan trong hơi nước, mức độ kiểm soát pH trong hệ thống nước cấp lò hơi và tuổi thọ thiết kế dự kiến của hệ thống — không phải là các mặc định thực nghiệm chung chung có thể không phù hợp với hóa học quy trình cụ thể.
Ngoài các thử nghiệm thủy tĩnh vỏ tiêu chuẩn và thử nghiệm rò rỉ ở nhiệt độ môi trường, van bi điều khiển bằng tay hơi nước áp suất cao ở nhiệt độ cao còn yêu cầu các tiêu chí chấp nhận bổ sung dành riêng cho việc vận hành ở nhiệt độ cao. Thử nghiệm rò rỉ ghế ở nhiệt độ cao, được tiến hành ở hoặc gần nhiệt độ hoạt động thực tế, cung cấp sự xác minh hiệu suất làm kín ghế kim loại trong điều kiện đại diện cho quá trình sử dụng — một tiêu chuẩn mà thử nghiệm ở nhiệt độ môi trường không thể lặp lại đối với các thiết kế ghế kim loại. Tỷ lệ rò rỉ cho phép phải tuân thủ loại rò rỉ áp dụng được định nghĩa trong API 598 hoặc ISO 5208, với loại cụ thể được xác định bởi các yêu cầu an toàn quy trình.
Khả năng truy xuất nguồn gốc vật liệu là yêu cầu bắt buộc đối với các bộ phận van chịu nhiệt độ cao và áp suất cao. Mỗi bộ phận giữ áp suất phải kèm theo giấy chứng nhận kiểm tra máy nghiền đầy đủ, hồ sơ xử lý nhiệt và báo cáo kiểm tra không phá hủy — bao gồm kiểm tra siêu âm, kiểm tra chụp X-quang và kiểm tra bằng chất thẩm thấu lỏng hoặc hạt từ tính tùy theo trường hợp. Tài liệu này đảm bảo hệ thống vật liệu tuân thủ các yêu cầu về thông số kỹ thuật thiết kế và có thể được truy xuất để kiểm toán và xác minh trong suốt vòng đời hoạt động của thiết bị.
Bắt đầu hành trình hợp tác của bạn với Baodi
Liên kết
Liên hệ
baodivalve@bdsjfm.com
+86-574-86817753
+86-574-86812190
Đường dây nóng ngoài giờ:
+86-18395898313
Số 42 Đường Yongjiang،Bắc Luân،thành phố Ninh Ba, tỉnh Chiết Giang, Cộng hòa Nhân dân Trung Hoa
