Parné potrubné systémy sú široko používané v priemysle výroby energie, chemického spracovania, metalurgie a výroby papiera. Keď sa prevádzkové parametre dostanú do vysokoteplotného a vysokotlakového rozsahu – najmä prevádzka superkritickej pary nad 374 °C a 22,1 MPa alebo podkritické parné systémy pracujúce blízko týchto prahových hodnôt – štandardné ručné guľové ventily už nie sú schopné spĺňať základné požiadavky na bezpečnosť a spoľahlivosť. Degradácia materiálu, štrukturálna deformácia a porucha tesnenia sú najčastejšie sa vyskytujúce poruchy v týchto podmienkach. Inžinieri zodpovední za výber ventilov a písanie špecifikácií musia stanoviť explicitné technické požiadavky týkajúce sa materiálového systému a konštrukčného návrhu ručných guľových ventilov určených pre vysokoteplotnú a vysokotlakovú paru.
Uhlíková oceľ WCB, ktorá je široko používaná v aplikáciách pri okolitej teplote, zažíva prudký pokles prípustného napätia nad 425 °C. Pri dlhšom vystavení vysokej teplote podlieha sféroidizácii perlitu a aglomerácii karbidov, čo spôsobuje neustále zhoršovanie pevnosti pri tečení. Pre vysokoteplotnú a vysokotlakovú parnú prevádzku je potrebné vybrať materiály telesa ventilu a veka z osvedčených systémov vysokoteplotných zliatin.
Oceľ legovaná chrómom a molybdénom je najrozšírenejšou kategóriou materiálov pre konštrukciu vysokoteplotných ventilov. Typické triedy zahŕňajú WC6 (1,25Cr-0,5Mo) a WC9 (2,25Cr-1Mo), s maximálnymi prevádzkovými teplotami približne 540 °C a 595 °C. Chróm zlepšuje odolnosť proti oxidácii a pevnosť pri zvýšených teplotách, zatiaľ čo molybdén účinne potláča rýchlosť tečenia a oneskoruje tepelne vyvolanú deformáciu v priebehu času.
Oceľ legovaná s vysokým obsahom chrómu – ako napríklad C12A so zložením 9Cr-1Mo-V – je vhodná pre ešte vyššie teplotné rozsahy, pričom si zachováva značnú medzu pevnosti pri tečení nad 600 °C. Táto trieda patrí medzi primárne výbery materiálov pre aplikácie ventilov ultrasuperkritických elektrární.
Austenitická nehrdzavejúca oceľ, ako je CF8M (Typ 316), ponúka vynikajúcu odolnosť proti vysokoteplotnej korózii a je vhodná pre parné prevádzky obsahujúce korozívne zložky. Jeho koeficient tepelnej rozťažnosti je však podstatne vyšší ako u feritických ocelí. V tepelne cyklickej prevádzke si tento rozdiel vyžaduje starostlivú pozornosť tepelnému namáhaniu v prírubových spojoch a zvarových spojoch.
Uprednostňovanie výkovkov pred odliatkami je základným princípom pri výbere materiálu pre vysokoteplotné a vysokotlakové ventily. Kovanie odstraňuje chyby odlievania, ako je pórovitosť, zmršťovacie dutiny a inklúzie. Výsledná jemnejšia a rovnomernejšia štruktúra zŕn vytvára výrazne lepšie mechanické vlastnosti – najmä rázovú húževnatosť – v porovnaní s odlievanými ekvivalentmi rovnakého druhu materiálu, čím poskytuje vyššiu odolnosť voči tepelným šokom a prechodom tlaku.
Vysokoteplotná parná prevádzka predstavuje jedno z najnáročnejších prostredí pre systémy tesnenia sediel ventilov. PTFE a iné štandardné materiály s mäkkým sedlom sa približujú k svojim prevádzkovým limitom nad 200 °C a pri teplotách nad 260 °C podliehajú úplnému funkčnému rozpadu a karbonizácii. Ručné guľové ventily určené pre vysokoteplotnú parnú prevádzku preto musia využívať tesniacu konštrukciu kov na kov.
Tesniace povrchy guľôčok a sediel sú zvyčajne vytvrdené procesmi prekrývacieho zvárania. Stelit (zliatina na báze kobaltu) je štandardnou úpravou pre vysokoteplotné tesniace povrchy ventilov, ktoré dosahujú úrovne tvrdosti 40 až 50 HRC pri zachovaní vynikajúcej odolnosti proti opotrebovaniu a odolnosti voči oxidácii pri zvýšených teplotách. Táto povrchová úprava poskytuje účinnú ochranu pred eróziou a kavitačným poškodením spôsobeným vysokorýchlostným prúdením pary. V obzvlášť náročných prevádzkových podmienkach sa ako alternatívne riešenia vytvrdzovania používajú keramické povlaky z nitridu kremíka alebo povlaky z karbidu volfrámu tepelným nástrekom.
Napätie v sede – kontaktný tlak medzi guľou a povrchmi sedadla – sa musí presne vypočítať počas fázy návrhu. Nedostatočné namáhanie sedla má za následok neadekvátny tesniaci výkon, zatiaľ čo nadmerné namáhanie sedla urýchľuje opotrebenie povrchu, čo je dôsledok, ktorý je výrazne zosilnený pri nepretržitom vysokoteplotnom náraze pary. Prevádzkový krútiaci moment, šírka kontaktu sedadla a geometria kontaktného uhla musia byť optimalizované spoločne ako integrovaný konštrukčný systém.
Vreteno je komponentom v ručnom guľovom ventile, ktorý je najzraniteľnejší voči poruche úniku v prevádzkových podmienkach pri vysokej teplote. Tepelne indukované tečenie kovu a degradácia upchávky postupne ohrozujú systém tesnenia drieku, čo vedie k vonkajším prchavým emisiám. Vysokoteplotné ručné guľové ventily musia riešiť zostavu vretena prostredníctvom niekoľkých koordinovaných konštrukčných požiadaviek.
Materiál drieku je typicky špecifikovaný ako 17-4PH precipitátne kalená nehrdzavejúca oceľ alebo AISI 410 martenzitická nehrdzavejúca oceľ. Obidva druhy si zachovávajú primeranú pevnosť a odolnosť proti korózii pri zvýšených teplotách, pričom vykazujú relatívne nízku náchylnosť na tečenie počas predĺžených prevádzkových období.
Baliaci systém musí používať materiály odolné voči vysokým teplotám. Flexibilné grafitové tesnenie je štandardným výberom pre vysokoteplotnú parnú prevádzku s funkčným teplotným stropom presahujúcim 600 °C. Kombinuje vynikajúce elastické zotavenie s inherentnými samomazacími vlastnosťami, udržiavajúc stabilný tesniaci kontakt počas tepelných cyklov bez mechanického zásahu. Mnoho návrhov zahŕňa usporiadania upchávky s živým zaťažením, v ktorých pružinový zväzok Belleville nepretržite kompenzuje stratu kompresie upchávky spôsobenú tepelným cyklovaním a dlhodobou relaxáciou tečenia. Táto konfigurácia zachováva integritu tesnenia vretena počas celej životnosti bez nutnosti pravidelného manuálneho nastavovania upchávky.
Konštrukcia vretena proti vyfúknutiu je povinnou konštrukčnou požiadavkou pre vysokotlakovú parnú prevádzku. Vnútorné osadenie alebo prídržný prvok obrobený do drieku zabraňuje vysunutiu drieku pod tlakom v potrubí v prípade úplného zlyhania tesniaceho systému, čím sa eliminuje riziko zranenia personálu a sekundárneho poškodenia zariadenia spojeného s incidentmi vymrštenia drieku pod tlakom.
V prevádzkových podmienkach pri vysokej teplote sa jednotlivé komponenty ventilu rozťahujú rôznou rýchlosťou v závislosti od zloženia materiálu a rozloženia hrúbky steny. Ak počas projektovania nie sú primerane začlenené prídavky na tepelnú rozťažnosť, rozmerový vzťah medzi loptou a sedlom sa zásadne mení so zvyšujúcou sa prevádzkovou teplotou.
Nedostatočná vôľa medzi guľôčkou a sedlom v chladnom stave vedie k tomu, že gulička silne tlačí na povrch sedla, keď dôjde k tepelnej rozťažnosti, čo spôsobí prudké zvýšenie prevádzkového krútiaceho momentu – potenciálne až do bodu, kedy sa guľou nedá otáčať ručne. Alternatívne môže sedlo podstúpiť plastickú deformáciu pri tepelne vyvolanom tlakovom zaťažení, čo spôsobí trvalé presakovanie, keď sa ventil vráti na teplotu okolia.
Hodnoty chladu medzi guľou a sedlom sa musia určiť pomocou explicitných výpočtov tepelnej rozťažnosti, berúc do úvahy materiál gule, materiál sedla, maximálnu prevádzkovú teplotu a profily hrúbky steny v zostave. Rozmery vnútornej dutiny v telese ventilu musia byť tiež overené proti radiálnej expanzii guľôčky, aby sa zabezpečilo, že tepelne vyvolaný rast nespôsobí neúmyselné namáhanie otvoru telesa.
Geometria koncového spojenia – či už s prírubou alebo tupým zvarom – vyžaduje konštrukčné posúdenie pre dodatočné zaťaženia prenášané tepelnou rozťažnosťou potrubia. Vo vysokoteplotných potrubných systémoch sa rastové sily potrubia prenášajú cez príruby do telesa ventilu. Hrúbka príruby a návrh predpätia skrutiek musia okrem vnútorného tlaku zohľadniť aj túto kombináciu zaťaženia.
Odlievané a kované komponenty udržiavajúce tlak pre vysokoteplotnú a vysokotlakovú prevádzku musia po obrábaní prejsť tepelným spracovaním, aby sa uvoľnilo zvyškové napätie a stabilizovala sa metalurgická mikroštruktúra. Normalizácia a temperovanie je štandardom pre telesá ventilov z chróm-molybdénovej zliatiny. Teplota temperovania a doba výdrže priamo riadia konečný profil mechanických vlastností materiálu – najmä pevnosť pri tečení pri zvýšenej teplote a rázovú húževnatosť pri nízkych teplotách.
Všetky zvarové spoje na komponentoch udržujúcich tlak ventilu – vrátane zvarov tesniacej skrine a zvarov na opravu karosérie – musia prejsť tepelným spracovaním po zváraní (PWHT) v plnom súlade s platnými predpismi. Tepelne ovplyvnené oblasti zvárania chróm-molybdénovej ocele, ktoré nie sú správne temperované pomocou PWHT, si zachovávajú nadmernú tvrdosť a sú vysoko náchylné na praskanie za pomoci vodíka a korózne praskanie v prostredí s vysokou teplotou pary. Parametre postupu PWHT musia vyhovovať špecifickým požiadavkám ASME B31.1, ASME sekcia IX a ďalším platným konštrukčným predpisom, s úplnou dokumentáciou záznamov času a teploty pre každý zvarový spoj.
Menovitý tlak-teplota vysokoteplotného parného ručného guľového ventilu musí byť stanovený odkazom na ASME B16.34 pri skutočnej prevádzkovej teplote, nie pri okolitých podmienkach. Prípustný tlak pre danú tlakovú triedu pri 600 °C môže byť len polovičný alebo nižší ako jeho menovitá teplota okolia, s významnými rozdielmi medzi skupinami materiálov. Výber ventilu výlučne na základe nominálnej tlakovej triedy bez overenia hodnoty P-T pri skutočnej prevádzkovej teplote je chybou špecifikácie, ktorá môže mať za následok chronicky nadmerne namáhanú hranicu tlaku v prevádzke.
Výpočet hrúbky steny musí súčasne brať do úvahy vnútornú tlakovú ochranu, koróznu toleranciu a netoleranciu mlyna výrobcu. Vysokoteplotná para podporuje oxidačnú koróziu ocelí s obsahom uhlíka a výber povolenej korózie musí odrážať obsah rozpusteného kyslíka v pare, úrovne regulácie pH v systéme napájacej vody kotla a plánovanú životnosť inštalácie – nie zovšeobecnené empirické predvolené hodnoty, ktoré môžu byť nevhodné pre konkrétnu procesnú chémiu.
Okrem štandardného hydrostatického testovania plášťa a testovania netesnosti sedla pri okolitej teplote vyžadujú vysokoteplotné, vysokotlakové parné ručné guľové ventily dodatočné akceptačné kritériá špecifické pre prevádzku pri zvýšenej teplote. Skúška netesnosti sedla pri vysokej teplote, vykonávaná pri skutočnej prevádzkovej teplote alebo blízko nej, poskytuje overenie tesniaceho výkonu kovového sedla za podmienok reprezentujúcich prevádzku – kvalifikácia, ktorú skúšky pri okolitej teplote nemôžu opakovať pre konštrukcie s kovovým sedlom. Prípustné miery úniku musia byť v súlade s príslušnou triedou úniku definovanou v API 598 alebo ISO 5208 so špecifickou triedou určenou požiadavkami na bezpečnosť procesu.
Vysledovateľnosť materiálu je povinná akceptačná požiadavka pre vysokoteplotné a vysokotlakové komponenty ventilov. Ku každej časti udržiavajúcej tlak musia byť priložené kompletné osvedčenia o skúške mlyna, záznamy o tepelnom spracovaní a správy o nedeštruktívnom preskúmaní – vrátane ultrazvukového testovania, rádiografického testovania a prípadnej kontroly penetrantom kvapaliny alebo magnetických častíc. Táto dokumentácia zaisťuje, že materiálový systém je v súlade s požiadavkami konštrukčnej špecifikácie a zostáva dostupný na účely auditu a overovania počas prevádzkovej životnosti zariadenia.
Začnite svoju cestu spolupráce s Baodim
Odkazy
Kontaktovať
baodivalve@bdsjfm.com
+86-574-86817753
+86-574-86812190
After-Hours Hotline：
+86-18395898313
NO.42 Yongjiang Road, Beilun, mesto Ningbo, provincia Zhejiang, P.R. Čína
Veľkoobchodní výrobcovia priemyselných plastových ventilov
