El risc ocult en la vapor humit: com l'aigua arrossegada afecta el rendiment de les vàlvules de seguretat

La vostra caldera passa totes les proves. El manòmetre de pressió: normal. El termòmetre: normal. El cabalímetre: normal. Tres instruments, cap fallada.

Però el vapor que surt de la vostra caldera pot no haver estat mai completament sec des del principi.

En condicions operatives habituals, la fracció de sequera del vapor oscil·la entre 0,95 i 0,98, és a dir, que cada tona mètrica de vapor transporta entre 20 i 50 kg d'aigua arrossegada. Ni el manòmetre ni el termòmetre poden detectar-la. Però quan aquesta aigua arriba a la vostra vàlvula de seguretat , les conseqüències van molt més enllà d’una reducció de la potència de l’intercanviador tèrmic.

Amb ressort de compressió vàlvula de seguretat (DN100/150, PN25/16) en una instal·lació de fabricació. El ressort controla la força de tornada a la posició de tancament i es veu directament afectat pel servei amb vapor humit.

Aquest article analitza què fa la humitat arrossegada als valves de seguretat per sobrepresió, basant-se en normes publicades, conclusions reguladores i dades experimentals.

1. Vàlvules de Seguretat Estan certificats per a vapor sec — però el vapor de les calderes normalment no és totalment sec

Vàlvula de seguretat la certificació de capacitat es basa en vapor saturat sec. Segons els requisits de l’ASME i del National Board, la capacitat certificada gravada en un valve s’expressa en lliures (o quilograms) de vapor saturat per hora. El mètode del coeficient de descàrrega utilitza fórmules de flux teòriques desenvolupades per a condicions de vapor sec.

En la pràctica, però, a les condicions operatives nominals, el vapor de les calderes sol tenir una fracció de sequera només de 0,96 a 0,97. Per exemple, les normes xineses per a calderes limiten la humitat del vapor saturat al 3 % per a les calderes de tubs d’aigua i al 4 % per a les calderes de carcassa — el que correspon a fraccions de sequera de 0,97 i 0,96, respectivament.

Hi ha, doncs, una diferència entre la condició certificada i la condició real al camp: la vàlvula està classificada per un medi que gairebé mai existeix exactament tal com s’especifica.

Quan la fracció de sequera baixa a 0,95, cada tona mètrica de vapor transporta 50 kg d’aigua. Aquesta aigua arriba a l’ vàlvula de seguretat entrada i modifica el comportament de la vàlvula.

2. Flux bifàsic: Una incertesa reconeguda

Quan una vàlvula de seguretat s’obre i descarrega una mescla de vapor i aigua, el règim de flux és bifàsic. Això no és un cas extrem: és un repte d’enginyeria reconegut per al qual no existeix cap mètode de dimensionament totalment validat.

L'apèndix D de l'API RP 520 tracta el dimensionament de la descàrrega bifàsica, però assenyala que aquest tema continua sent controvertit: cap mètode de dimensionament ha estat validat mitjançant proves, ni tampoc hi ha un procediment reconegut per certificar la capacitat de descàrrega bifàsica.

Els mètodes actuals —el model d’equilibri homogeni (HEM) i el model de no-equilibri homogeni (HNE)— es basen en suposicions simplificadores. Les dades experimentals mostren que l’HEM pot sotaestimar el cabal màssic en condicions reals. Els investigadors han hagut d’introduir factors de correcció empírics substancialment superiors al coeficient de descàrrega de gas per fer coincidir les dades de les proves.

En termes pràctics: si la qualitat del vapor baixa per sota de 0,95, la capacitat real de la vàlvula és incerta. Pot superar la capacitat nominal o bé pot quedar-ne per sota. Qualsevol d’aquestes desviacions representa un risc per a la seguretat.

3. Erosió per gotes: Un mecanisme de deteriorament crònic

Les gotes d’aigua són centenars de vegades més densos que el vapor. Quan una barreja de vapor i aigua s’accelera a través dels espais entre l’assentament i el disc de la vàlvula, aquestes gotes actuen com a partícules abrasives.

Una vàlvula de connexió per brida amb ressort de càrrega vàlvula de seguretat (Classe 150, cos de WCB). La brida d’entrada és on entra el vapor humit i on les gotes d’aigua arrossegades impacten per primera vegada contra les superfícies de l’assentament i el disc a alta velocitat.

Actualment, els principals fabricants de vàlvules reconeixen aquest fet. IMI Critical Engineering va publicar un butlletí tècnic el 2024 en què s’afirma que el vapor humit provoca l’erosió de components interns crítics de la vàlvula (disc i assentament), generant riscos per a la seguretat i podent provocar aturades no planificades. L’empresa ha desenvolupat una línia de productes específica, EroSolve Wet Steam, i informa d’unes 200 instal·lacions —el que indica que l’erosió per vapor humit és un problema operatiu recurrent.

Per als operadors: una vàlvula que supera les proves d’acceptació amb vapor sec pot erosionar-se més ràpidament en serveis amb vapor humit.

4. Bloquejada en posició oberta després del contacte amb aigua

Mentre l’erosió és una preocupació crònica, el fet que quedin oberts després del contacte amb aigua és una emergència aguda.

La Comissió Reguladora Nuclear dels Estats Units (NRC) va documentar un descobriment segons el qual les vàlvules de seguretat vàlvules de Seguretat dissenyades per a servei de vapor, després d’haver estat sotmeses a descàrregues líquides, presenten una probabilitat d’obrir-se i quedar-se així o de fugir greument superior a l’estimació prèvia de 3×10⁻².

L’avaluació de la NRC afirma que aquesta probabilitat és «molt més elevada» que la xifra de 3×10⁻². La seva revisió tècnica de les dades d’assaig de l’EPRI indica que, d’unes 26 proves amb aigua, aproximadament un terç van provocar vibracions entre el disc i el seient — ja sigui causant danys interns o exigint una interrupció manual en qüestió de segons per evitar-los. vàlvula de seguretat proves amb aigua, aproximadament un terç van provocar vibracions entre el disc i el seient — ja sigui causant danys interns o exigint una interrupció manual en qüestió de segons per evitar-los.

El mecanisme: vàlvula de seguretat les vàlvules de seguretat es recolzen en l’expansió del fluid sota el disc per generar la força de llevat. El vapor sec s’expandeix fàcilment, produint un llevat estable. Amb fluxos líquids o bifàsics d’alta humitat, el comportament de vaporització canvia. El disc pot vibrar, no arribar a la màxima obertura o, en el pitjor dels casos, quedar obert després que hauria de tornar a tancar-se.

Un conjunt de vàlvula de seguretat pilotada (cos de fosa gris, tubs pilots d’acer inoxidable). Les línies pilots i de detecció fan especialment important un reasseient fiable: la vibració o l’enganxament causats per l’aigua al circuit pilot poden tenir efectes en cadena.

Els incidents històrics són rellevants aquí. L’accident de la unitat 2 de Three Mile Island (1979) va implicar una vàlvula de descàrrega accionada elèctricament que es va quedar oberta i va descarregar aigua sense tornar a tancar-se. Tot i que les vàlvules PORV difereixen de les de molla vàlvules de Seguretat , la física subjacent — la descàrrega d’aigua que provoca un reasseient poc fiable — continua sent rellevant.

5. La manca d’estàndards

ASME Secció I i Secció VIII certifiquen vàlvula de seguretat la capacitat basant-se en vapor saturat sec. Les dades de capacitat del National Board segueixen la mateixa base.

El resultat és una desajust sistemàtic: les vàlvules es seleccionen per a vapor sec, però operen amb vapor humit.

Hi ha una excepció. L’estàndard rus GOST 24570-81 permet —però no exigeix— tenir en compte la proporció de mescla vapor-aigua en el càlcul de mides vàlvules de Seguretat per a calderes d’aigua calenta i economitzadors. La majoria de jurisdiccions i projectes encara predefinixen el dimensionament amb vapor sec.

6. Recomanacions pràctiques per als operadors de calderes

1. Plantegeu la pregunta sobre la sequeses. En especificar una vàlvula de seguretat , no suposeu una fracció de sequeses de 1,0. Si la sequeses del vapor a la sortida de la caldera cau habitualment per sota de 0,95, cal reavaluar la capacitat de la vàlvula segons les condicions reals.

2. Controleu l’aigua abans que arribi a la vàlvula. Vàlvula de seguretat la canonada d’entrada amb condensat acumulat expulsarà aigua en l’elevació. Les trampes de vapor han de funcionar correctament i les canonades de desguàs han de romandre obertes.

3. Seleccioneu materials tenint en compte l’erosió. Els materials habituals per als seients es degraden més ràpidament sota l’impacte de vapor humit. Considereu materials de superfície d’estancament més durs per a serveis amb vapor humit.

4. Reduïu els intervals d’inspecció. Fins i tot sense elevació, una vàlvula de seguretat en servei amb vapor humit pot patir danys al seient per l’impacte continu de gotes. Els intervals d’assaig recomanats pel NBIC s’han de considerar com a màxims, no com a objectius, en condicions de vapor humit.

Resum

Cada tona mètrica de vapor transporta entre 20 i 50 kg d’aigua a fraccions típiques de sequera. Ni els instruments de pressió ni els de temperatura ho detecten.

Aquesta aigua redueix la potència dels intercanviadors de calor. Al vàlvula de seguretat , afecta la precisió de la capacitat, la vida útil de l’assentament i, en el pitjor dels casos, la capacitat de la vàlvula per tornar a tancar-se després de l’elevació.

La vostra planta mesura la sequera del vapor a la sortida de la caldera? Quina és la pressió i la temperatura del vapor, i el vostre contracte d’aprovisionament especifica una fracció de sequera?

Referències

• Base de certificació de la capacitat: secció I/VIII de l’ASME i normes del National Board per a vàlvules de seguretat per a vapor saturat.

• Limitacions del dimensionament bifàsic: API RP 520, apèndix D — Dimensionament de vàlvules de seguretat i alivio per a flux bifàsic.

• Subestimació del model HEM: estudis experimentals publicats sobre proves de flux bifàsic en vàlvules de seguretat i alivio.

• Probabilitat de quedar obertes: avaluació tècnica de la U.S. NRC de vàlvula de seguretat en descàrrega líquida (revisió de les dades d’assaig de l’EPRI).

• Mecanisme d’erosió: documentació tècnica del fabricant de vàlvules, incloent-hi el butlletí del producte EroSolve Wet Steam d’IMI Critical Engineering (2024).

• Context de l’incident TMI-2: documentació històrica de la U.S. NRC sobre l’accident de la Unitat 2 de Three Mile Island.