خطر پنهان در بخار مرطوب: تأثیر آب معلق بر عملکرد شیرهای ایمنی

دیگ بخار شما از نظر فنی سالم است. فشارسنج: طبیعی. دماسنج: طبیعی. دبی‌سنج: طبیعی. سه دستگاه اندازه‌گیری، صفر عیب.

اما بخاری که از دیگ بخار شما خارج می‌شود ممکن است از ابتدا هیچ‌گاه کاملاً خشک نبوده باشد.

در شرایط کاری معمولی، کسر خشکی بخار بین ۰٫۹۵ تا ۰٫۹۸ متغیر است — یعنی هر تن متریک بخار، حاوی ۲۰ تا ۵۰ کیلوگرم آب معلق است. نه فشارسنج و نه دماسنج قادر به تشخیص آن نیستند. اما وقتی این آب به کran ایمنی ، عواقب آن فراتر از کاهش خروجی مبدل حرارتی است.

فنری کran ایمنی (DN100/150، PN25/16) در یک مرکز تولیدی. فنر نیروی اتصال مجدد را کنترل می‌کند و مستقیماً تحت تأثیر سرویس بخار مرطوب قرار دارد.

این مقاله بر اساس استانداردهای منتشر شده، یافته‌های نظارتی و داده‌های تجربی، بررسی می‌کند که رطوبت موجود در شیرهای اطمینان فشار چه تأثیری بر آنها می‌گذارد.

1. مقداردهی‌های ایمنی برای بخار خشک رتبه‌بندی شده‌اند - اما بخار بویلر معمولاً کاملاً خشک نیست

کran ایمنی گواهی ظرفیت بر اساس بخار اشباع خشک است. طبق الزامات ASME و هیئت ملی، ظرفیت گواهی‌شده‌ای که روی شیر حک شده است، بر حسب پوند (یا کیلوگرم) بخار اشباع در ساعت بیان می‌شود. روش ضریب تخلیه از فرمول‌های جریان نظری توسعه‌یافته برای شرایط بخار خشک استفاده می‌کند.

با این حال، در عمل، بخار تولیدشده توسط دیگ‌های بخار در شرایط کاری نامی معمولاً دارای کسر خشکی تنها بین ۰٫۹۶ تا ۰٫۹۷ است. به‌عنوان مثال، استانداردهای دیگ‌های بخار چین مقدار رطوبت بخار اشباع را برای دیگ‌های لوله‌آبی حداکثر ۳ درصد و برای دیگ‌های پوسته‌ای حداکثر ۴ درصد تعیین می‌کنند — که این مقادیر به‌ترتیب معادل کسرهای خشکی ۰٫۹۷ و ۰٫۹۶ هستند.

بنابراین، شکافی بین شرایط تأییدشده و شرایط واقعی وجود دارد: شیر با فرض وجود محیطی که تقریباً هیچ‌گاه دقیقاً مطابق مشخصات ارائه‌شده نیست، رتبه‌بندی شده است.

وقتی کسر خشکی به ۰٫۹۵ برسد، هر تن متریک بخار، ۵۰ کیلوگرم آب را همراه دارد. این آب به ورودی می‌رسد و نحوه عملکرد شیر را تغییر می‌دهد. کran ایمنی ورودی و تأثیری بر نحوه عملکرد شیر می‌گذارد.

۲. جریان دو فازی: عدم قطعیتی شناخته‌شده

هنگامی که یک شیر ایمنی باز می‌شود و مخلوطی از بخار و آب را تخلیه می‌کند، حالت جریان دو فازی است. این پدیده یک حالت مرزی نیست — بلکه یک چالش مهندسی شناخته‌شده است که برای آن روشی کاملاً معتبر برای محاسبه اندازه‌گیری وجود ندارد.

پیوست دی استاندارد اِی‌پی‌آی آر‌پی ۵۲۰ به طراحی شیرهای اطمینان برای جریان دو فاز می‌پردازد، اما تأکید می‌کند که این موضوع هنوز مورد بحث و اختلاف نظر است: هیچ روشی برای محاسبه ظرفیت اطمینان دو فاز تاکنون با آزمایش تأیید نشده است و رویهٔ شناخته‌شده‌ای برای صدور گواهی ظرفیت اطمینان دو فاز نیز وجود ندارد.

روش‌های کنونی — یعنی مدل تعادل همگن (HEM) و مدل عدم تعادل همگن (HNE) — متکی بر فرضیات ساده‌سازی‌شده هستند. داده‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهند که مدل HEM ممکن است دبی جرمی را در شرایط واقعی کم‌برآورد کند. پژوهشگران مجبور شده‌اند ضرایب اصلاحی تجربی را با مقادیری بسیار بالاتر از ضریب خروج گاز به کار گیرند تا نتایج آزمایشی را بازتولید کنند.

در عمل: اگر خشکی بخار از ۰٫۹۵ کمتر شود، ظرفیت واقعی شیر قطعی نیست. این ظرفیت ممکن است از مقدار مشخص‌شده روی پلاک شیر بیشتر باشد یا کمتر. هر یک از این انحرافات از نظر ایمنی نگران‌کننده است.

۳. فرسایش ذرات مایع: مکانیسمی مزمن برای آسیب

قطرات آب صدها بار متراکم‌تر از بخار هستند. وقتی مخلوط بخار و آب از شکاف‌های نشیمنگاه و دیسک شیر شتاب می‌گیرد، این قطرات مانند ذرات ساینده عمل می‌کنند.

شیر فلنجی با فنر بارگذاری‌شده کran ایمنی (کلاس ۱۵۰، بدنه از جنس WCB). فلنج ورودی محلی است که بخار مرطوب وارد می‌شود و قطرات آب در آن جا برای اولین بار با سرعت بالا به سطوح نشیمنگاه و دیسک برخورد می‌کنند.

اکنون تولیدکنندگان اصلی شیرها این موضوع را تأیید کرده‌اند. شرکت IMI Critical Engineering در سال ۲۰۲۴ بULLETIN فنی منتشر کرد که بخار مرطوب باعث فرسایش قطعات حیاتی داخلی شیر (دیسک و نشیمنگاه) می‌شود و خطرات ایمنی ایجاد می‌کند و ممکن است منجر به توقف‌های غیر برنامه‌ریزی‌شده شود. این شرکت خط محصول ویژه‌ای به نام EroSolve Wet Steam توسعه داده و از بیش از ۲۰۰ نصب گزارش داده است — که نشان‌دهندهٔ تکرارپذیری این مشکل فرسایشی در عملیات است.

برای بهره‌برداران: شیری که در آزمون‌های پذیرش بخار خشک موفق عمل کرده است، ممکن است در شرایط بخار مرطوب سریع‌تر فرسایش یابد.

۴. گیرکردن در حالت باز پس از تماس با آب

در حالی که فرسایش یک نگرانی مزمن است، باز ماندن پس از تماس با آب یک نگرانی حاد است.

کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای ایالات متحده (NRC) یافته‌ای را مستند کرد که نشان می‌داد فنر مقداردهی‌های ایمنی برای سرویس بخار طراحی شده‌اند و پس از قرار گرفتن در معرض تخلیه مایع، احتمال باز ماندن یا نشت شدید آن‌ها بیشتر از مقدار تخمین‌زده‌شدهٔ پیشین ۳×۱۰⁻۲ است.

ارزیابی کمیسیون تنظیم‌کنندهٔ هسته‌ای (NRC) این احتمال را «بسیار بیشتر» از رقم ۳×۱۰⁻۲ بیان می‌کند. بررسی فنی داده‌های آزمایشی مؤسسهٔ تحقیقات انرژی الکتریکی (EPRI) یادداشت می‌کند که از حدود ۲۶ کran ایمنی آزمایش آب، تقریباً یک‌سوم آن‌ها منجر به لرزش صفحه‌ی شیر روی نشیمنگاه شده است — که یا باعث آسیب داخلی می‌شود یا نیازمند خاتمهٔ دستی در عرض چند ثانیه برای جلوگیری از آن است.

نحوه کارکرد: کran ایمنی این شیرها برای تولید نیروی بلندشدن صفحه به انبساط سیال زیر صفحه متکی‌اند. بخار خشک به‌راحتی منبسط می‌شود و بلندشدن پایداری ایجاد می‌کند. اما در جریان مایع یا جریان دو فازی با رطوبت بالا، رفتار تبخیر ناگهانی تغییر می‌کند. صفحه ممکن است لرزش کند، به بلندشدن کامل نرسد یا — در بدترین حالت — پس از بایستن مجدد، باز بماند.

مجموعه‌ی شیر ایمنی با عملکرد پایلوت (بدنه از ریخته‌گری چدن خاکستری، لوله‌های پایلوت از فولاد ضدزنگ). خطوط پایلوت و سنسور، اهمیت ویژه‌ای به نشستن مطمئن شیر می‌بخشند — لرزش یا گیر کردن ناشی از آب در مدار پایلوت می‌تواند اثرات زنجیره‌ای داشته باشد.

حوادث تاریخی در اینجا ارتباط دارند. حادثه واحد ۲ نیروگاه هسته‌ای تری مایل آیلند (۱۹۷۹) شامل شیر اطمینان قدرتی گیرکرده در وضعیت باز بود که آب را تخلیه کرد و نتوانست دوباره بسته شود. اگرچه شیرهای اطمینان قدرتی با شیرهای فنری تفاوت دارند، مقداردهی‌های ایمنی اما فیزیک بنیادی — تخلیه آب که منجر به نشستن نامطمئن می‌شود — همچنان مرتبط است.

۵. شکاف استانداردها

بخش‌های I و VIII استاندارد ASME و داده‌های ظرفیت هیئت ملی (National Board) کran ایمنی ظرفیت را بر اساس بخار اشباع خشک تأیید می‌کنند.

نتیجه این است که عدم تطابق سیستماتیکی ایجاد می‌شود: شیرها برای بخار خشک انتخاب می‌شوند، اما در شرایط بخار مرطوب کار می‌کنند.

یک استثنا وجود دارد. استاندارد روسی GOST 24570-81 اجازه می‌دهد — اما الزامی نمی‌کند — نسبت مخلوط بخار و آب را در ابعاد‌گذاری در نظر گرفت. مقداردهی‌های ایمنی برای دیگ‌های آب گرم و اکونومایزرها. بیشتر مناطق قانونی و پروژه‌ها همچنان به‌صورت پیش‌فرض از روش انتخاب شیر بر اساس بخار خشک استفاده می‌کنند.

۶. توصیه‌های کاربردی برای اپراتورهای دیگ بخار

۱. سؤال دربارهٔ میزان خشکی بخار را مطرح کنید. هنگام مشخص‌کردن یک کran ایمنی ، فرض نکنید که کسر خشکی بخار برابر با ۱٫۰ است. اگر میزان خشکی بخار در خروجی دیگ به‌طور معمول زیر ۰٫۹۵ باشد، ظرفیت شیر باید بر اساس شرایط واقعی مجدداً ارزیابی شود.

۲. آب را پیش از رسیدن به شیر کنترل کنید. کran ایمنی لوله‌کشی ورودی که حاوی کندانسات انباشته‌شده باشد، هنگام بالا آمدن شیر، آب تخلیه می‌کند. تراپ‌های بخار باید به‌درستی عمل کنند و خطوط تخلیه باید همواره عاری از مانع باشند.

۳. مواد را با توجه به فرسایش انتخاب کنید. مواد استاندارد صندلی شیر در معرض برخورد بخار مرطوب سریع‌تر از بین می‌روند. برای کاربرد در بخار مرطوب، مواد سخت‌تر برای سطح درزبندی را در نظر بگیرید.

۴. فواصل بازرسی را کوتاه‌تر کنید. حتی بدون بالا آمدن شیر، کran ایمنی در کاربرد بخار مرطوب ممکن است به‌دلیل برخورد مداوم قطرات، آسیب به صندلی شیر وارد شود. فواصل پیشنهادی بازرسی توسط NBIC در شرایط بخار مرطوب باید به‌عنوان حداکثر مجاز در نظر گرفته شوند، نه به‌عنوان هدف.

خلاصه

هر تن متریک بخار، در کسر خشکی معمولی، ۲۰ تا ۵۰ کیلوگرم آب حمل می‌کند. هیچ‌یک از ابزارهای فشار یا دما آن را نشان نمی‌دهند.

این آب، خروجی مبدل حرارتی را کاهش می‌دهد. در کran ایمنی ، بر دقت ظرفیت، عمر نشیمن‌گاه و — در بدترین حالت — توانایی شیر برای بازنشستن پس از بلند شدن تأثیر می‌گذارد.

آیا نیروگاه شما خشکی بخار را در خروجی دیگ بخار اندازه‌گیری می‌کند؟ فشار و دمای بخار شما چقدر است و آیا قرارداد تأمین شما کسر خشکی را مشخص کرده است؟

مرجع

• اساس صدور گواهی ظرفیت: بخش I/VIII استاندارد ASME و استانداردهای هیئت ملی (National Board) برای ظرفیت شیرهای اطمینان بخار اشباع‌شده.

• محدودیت‌های طراحی دو فازی: گزارش توصیفی API RP 520، پیوست D — طراحی شیرهای اطمینان ایمنی برای جریان دو فازی.

• پیش‌بینی نادرست HEM: مطالعات تجربی منتشرشده دربارهٔ آزمون جریان شیرهای اطمینان دو فازی.

• احتمال گیرکردن در حالت باز: ارزیابی فنی NRC ایالات متحده از کran ایمنی در شرایط تخلیه مایع (بررسی داده‌های آزمایشی EPRI).

• مکانیزم فرسایش: ادبیات فنی سازنده‌ی شیرها، از جمله بولتن محصول بخار مرطوب EroSolve از شرکت IMI Critical Engineering (۲۰۲۴).

• زمینه‌ی حادثه‌ی TMI-2: اسناد تاریخی کمیسیون تنظیم‌کننده‌ی هسته‌ای ایالات متحده درباره‌ی حادثه‌ی واحد ۲ نیروگاه هسته‌ای جزیره سه مایل.