Системы паропроводов широко используются в электроэнергетике, химической переработке, металлургии и бумажной промышленности. Когда рабочие параметры входят в диапазон высоких температур и высокого давления — особенно сверхкритическая подача пара выше 374°C и 22,1 МПа или субкритические паровые системы, работающие вблизи этих пороговых значений — стандартные ручные шаровые краны больше не способны соответствовать основным требованиям безопасности и надежности. Наиболее часто встречающимися видами отказов в этих условиях являются деградация материала, деформация конструкции и разрушение уплотнений. Инженеры, ответственные за выбор клапанов и написание спецификаций, должны установить четкие технические требования, касающиеся как материальной системы, так и конструктивной конструкции ручных шаровых кранов, предназначенных для работы с паром высокой температуры и высокого давления.
Углеродистая сталь WCB, которая широко используется в приложениях с температурой окружающей среды, испытывает резкое снижение допустимого напряжения выше 425°C. При длительном воздействии высоких температур он подвергается сфероидизации перлита и агломерации карбидов, что приводит к постоянному ухудшению предела ползучести. Для работы с паром при высоких температурах и высоком давлении материалы корпуса клапана и крышки должны выбираться из проверенных систем высокотемпературных сплавов.
Хромомолибденовая легированная сталь является наиболее широко применяемой категорией материалов для высокотемпературного клапанного строительства. Типичные марки включают WC6 (1,25Cr-0,5Mo) и WC9 (2,25Cr-1Mo) с максимальными рабочими температурами приблизительно 540°C и 595°C соответственно. Хром повышает стойкость к окислению и прочность при повышенных температурах, а молибден эффективно подавляет скорость ползучести и с течением времени задерживает термически вызванную деформацию.
Высокохромистая легированная сталь — например, C12A с составом 9Cr-1Mo-V — подходит для еще более высоких температурных диапазонов, сохраняя значительную прочность на разрыв при ползучести выше 600°C. Этот сорт является одним из основных материалов для применения в клапанах сверхкритических электростанций.
Аустенитная нержавеющая сталь, такая как CF8M (тип 316), обеспечивает превосходную коррозионную стойкость при высоких температурах и подходит для паровой обработки, содержащей коррозионные компоненты. Однако его коэффициент теплового расширения значительно выше, чем у ферритных сталей. При термически циклической эксплуатации эта разница требует пристального внимания к термическим напряжениям на фланцевых соединениях и сварных соединениях.
Предпочтение поковок отливкам является основополагающим принципом при выборе материала для высокотемпературных клапанов высокого давления. Ковка устраняет дефекты литья, такие как пористость, усадочные полости и включения. Полученная более мелкая и однородная структура зерна обеспечивает значительно лучшие механические свойства — в частности, ударную вязкость— по сравнению с литыми эквивалентами той же марки материала, обеспечивая более высокую устойчивость к тепловому удару и переходным процессам давления.
Высокотемпературная паровая подача представляет собой одну из самых сложных сред для систем уплотнения седел клапанов. ПТФЭ и другие стандартные материалы для мягких сидений приближаются к пределам эксплуатации выше 200°C и подвергаются полному функциональному разрушению и карбонизации выше 260°C. Поэтому ручные шаровые краны, предназначенные для работы с высокотемпературным паром, должны иметь конструкцию уплотнения металл-металл по всей длине.
Уплотнительные поверхности шариков и седел обычно упрочняются с помощью процессов наплавки. Наплавка стеллитом (сплавом на основе кобальта) является стандартной обработкой высокотемпературных уплотнительных поверхностей клапанов, достигая уровня твердости от HRC 40 до 50, сохраняя при этом превосходную износостойкость и стойкость к окислению при повышенных температурах. Такая обработка поверхности обеспечивает эффективную защиту от эрозии и кавитационных повреждений, вызванных высокоскоростным потоком пара. В особо тяжелых условиях эксплуатации в качестве альтернативных упрочняющих решений используются керамические покрытия из нитрида кремния или покрытия термическим напылением из карбида вольфрама.
Напряжение посадки — контактное давление между шаром и поверхностями сиденья — должно быть точно рассчитано на этапе проектирования. Недостаточное напряжение посадки приводит к неадекватным характеристикам уплотнения, в то время как чрезмерное напряжение посадки ускоряет износ поверхности, и это последствие значительно усиливается при непрерывном воздействии высокотемпературного пара. Рабочий крутящий момент, ширина контакта сиденья и геометрия угла контакта должны быть оптимизированы вместе как интегрированная система проектирования.
Шток является компонентом ручного шарового клапана, наиболее уязвимым к выходу из строя из-за утечки в условиях эксплуатации при высоких температурах. Термически вызванная ползучесть металла и деградация упаковки постепенно ставят под угрозу систему уплотнения штока, что приводит к внешним неорганизованным выбросам. Высокотемпературные ручные шаровые краны должны соответствовать узлу штока посредством нескольких согласованных требований к конструкции.
Материал стержня обычно указывается как дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь 17-4PH или мартенситная нержавеющая сталь AISI 410. Оба сорта сохраняют достаточную прочность и коррозионную стойкость при повышенных температурах, демонстрируя при этом относительно низкую склонность к ползучести в течение длительных периодов эксплуатации.
В упаковочной системе должны использоваться материалы, выдерживающие высокие температуры. Гибкая графитовая набивка является стандартным выбором для высокотемпературной паровой службы с функциональным температурным потолком, превышающим 600°C. Он сочетает в себе превосходное упругое восстановление с присущими ему самосмазывающимися свойствами, сохраняя стабильный уплотнительный контакт на протяжении всего термоциклирования без механического вмешательства. Во многих конструкциях используются устройства упаковки с динамической нагрузкой, в которых пакет пружин Бельвиля непрерывно компенсирует потери на сжатие упаковки, вызванные термоциклированием и длительной релаксацией ползучести. Такая конфигурация сохраняет целостность уплотнения штока в течение всего срока службы, не требуя периодической ручной регулировки сальника.
Конструкция противовыбросового штока является обязательным конструктивным требованием для работы пара высокого давления. Внутренний выступ или удерживающий элемент, встроенный в шток, предотвращает выброс штока под давлением линии в случае полного отказа упаковочной системы, устраняя риск травм персонала и вторичного повреждения оборудования, связанного с инцидентами с выбросом штока под давлением.
В условиях эксплуатации при высоких температурах отдельные компоненты клапана расширяются с разной скоростью в зависимости от состава материала и распределения толщины стенок. Если на этапе проектирования не учитываются в достаточной степени допуски на тепловое расширение, то соотношение размеров шара и сидений существенно меняется по мере повышения рабочей температуры.
Недостаточный зазор между шариком и седлом в холодном состоянии приводит к тому, что шарик сильно прижимается к поверхностям седла после возникновения теплового расширения, что приводит к резкому увеличению рабочего крутящего момента —, возможно, до такой степени, что шарик невозможно вращать вручную. В качестве альтернативы седло может подвергаться пластической деформации под действием термически вызванной сжимающей нагрузки, что приводит к постоянной утечке после того, как клапан возвращается к температуре окружающей среды.
Значения холодного зазора между шаром и седлом должны определяться посредством явных расчетов теплового расширения с учетом материала шара, материала седла, максимальной рабочей температуры и профилей толщины стенок по всей сборке. Внутренние размеры полости внутри корпуса клапана также должны быть проверены на предмет радиального расширения шара, чтобы гарантировать, что термически вызванный рост не создает непреднамеренной нагрузки на отверстие корпуса.
Геометрия концевого соединения — фланцевого или стыкового сварного — требует структурной оценки дополнительных нагрузок, передаваемых тепловым расширением трубопровода. В высокотемпературных трубопроводных системах усилия роста трубопровода передаются через фланцы в корпус клапана. Толщина фланца и конструкция предварительного натяжения болтового соединения должны учитывать эту комбинацию нагрузок в дополнение к внутреннему давлению.
Литые и кованые компоненты, сохраняющие давление, для эксплуатации при высоких температурах и давлении должны подвергаться термической обработке после механической обработки для снятия остаточных напряжений и стабилизации металлургической микроструктуры. Нормализация и отпускная обработка являются стандартными для корпусов клапанов из хромомолибденовой легированной стали. Температура отпуска и время выдержки напрямую определяют окончательный профиль механических свойств материала — в частности, прочность на разрыв при ползучести при повышенной температуре и ударную вязкость при низкой температуре.
Все сварные соединения на компонентах, удерживающих давление клапана — включая сварные швы упаковочных коробок и сварные швы для ремонта кузова —, должны подвергаться послесварочной термообработке (PWHT) в полном соответствии с применимыми нормами. Зоны термического влияния сварных швов из хромомолибденовой стали, которые не закалены должным образом с помощью PWHT, сохраняют чрезмерную твердость и очень восприимчивы к растрескиванию под действием водорода и коррозионному растрескиванию под напряжением в высокотемпературных паровых средах. Параметры процедуры PWHT должны соответствовать конкретным требованиям ASME B31.1, ASME Section IX и другим применимым нормам проектирования, с полной документацией записей времени и температуры для каждого сварного соединения.
Номинальное давление-температура высокотемпературного парового ручного шарового крана должна устанавливаться со ссылкой на ASME B16.34 при фактической рабочей температуре, а не в условиях окружающей среды. Допустимое давление для данного класса давления при 600°C может составлять лишь половину или менее от номинальной температуры окружающей среды, со значительными различиями между группами материалов. Выбор клапана исключительно на основе номинального класса давления без проверки номинала PT при фактической рабочей температуре является ошибкой спецификации, которая может привести к хроническому перенапряжению границы давления в процессе эксплуатации.
Расчет толщины стенки должен одновременно учитывать внутреннее сдерживание давления, допуск на коррозию и недопуск мельницы производителя. Высокотемпературный пар способствует окислительной коррозии углеродсодержащих сталей, а выбор допуска на коррозию должен отражать содержание растворенного кислорода в паре, уровни контроля pH в системе питательной воды котла и предполагаемый расчетный срок службы установки —, а не обобщенные эмпирические значения по умолчанию, которые могут быть неподходящими для конкретной химии процесса.
Помимо стандартных гидростатических испытаний корпуса и испытаний на утечку седла при температуре окружающей среды, ручные шаровые краны с паром высокой температуры и высокого давления требуют дополнительных критериев приемки, специфичных для эксплуатации при повышенных температурах. Испытание на герметичность высокотемпературных сидений, проводимое при фактической рабочей температуре или близкой к ней, обеспечивает проверку герметичности металлических сидений в условиях, характерных для эксплуатации — квалификация, которую испытания при температуре окружающей среды не могут воспроизвести для конструкций с металлическими сиденьями. Допустимые скорости утечки должны соответствовать применимому классу утечки, определенному в API 598 или ISO 5208, при этом конкретный класс определяется требованиями безопасности процесса.
Прослеживаемость материалов является обязательным требованием к приемке компонентов клапанов высокой температуры и высокого давления. Каждая деталь, удерживающая давление, должна сопровождаться полными сертификатами испытаний на стане, записями о термообработке и отчетами о неразрушающем контроле—, включая ультразвуковой контроль, радиографический контроль, а также контроль с помощью проникающей жидкости или магнитных частиц, если применимо. Эта документация гарантирует, что материальная система соответствует требованиям проектных спецификаций и остается доступной для аудита и проверки на протяжении всего срока эксплуатации оборудования.
Начните свой путь сотрудничества с Баоди
Ссылки
Контакт
baodivalve@bdsjfm.com
+86-574-86817753
+86-574-86812190
Горячая линия в нерабочее время:
+86-18395898313
Китай, провинция Чжэцзян, город Нинбо, район Бэйлунь, улица Юнцзян, дом 42.
