Slēptais risks mitrajā tvaikā: kā iestrēgušais ūdens ietekmē drošības vārstu darbību

Jūsu katls ir pārbaudīts. Spiediena mērītājs: normāls. Temperatūras mērītājs: normāls. Plūsmas mērītājs: normāls. Trīs mērinstrumenti, nulle defektu.

Tomēr tvaiks, kas izplūst no jūsu katla, var nebūt pilnīgi sauss nekad kopš sākuma.

Tipiskos ekspluatācijas apstākļos tvaika sausuma daļa ir robežās no 0,95 līdz 0,98 — tas nozīmē, ka katrā metriskajā tonnā tvaika ir 20 līdz 50 kg iestrēguša ūdens. To nevar noteikt ne spiediena, ne temperatūras mērītājs. Bet kad šis ūdens nonāk jūsu drošības vērtulis , sekas ir daudz tālāk par samazināto siltummaina jaudu.

Ar atgriezenisko sviru darbināts drošības vērtulis (DN100/150, PN25/16) ražošanas objektā. Svira regulē atgriešanās spēku un tiek tieši ietekmēta no mitrā tvaika ekspluatācijas.

Šajā rakstā tiek izpētīts, ko ietver ieslēgta mitruma ietekme uz spiediena atlaižanas vārstiem, balstoties uz publicētajiem standartiem, regulatīvajiem secinājumiem un eksperimentālajiem datiem.

1. Drošības vērtis Ir paredzēti sausam tvaikam — bet katlu tvaiks parasti nav pilnīgi sauss

Drošības vērtulis jaudas sertifikācija balstās uz sausu piesātinātu tvaiku. Saskaņā ar ASME un Nacionālās padomes prasībām vārsta sertificētā jauda, kas uzdrukāta uz vārsta, izteikta librās (vai kilogramos) piesātināta tvaika stundā. Izplūdes koeficienta metode izmanto teorētiskās plūsmas formulas, kas izstrādātas sausa tvaika apstākļiem.

Praksē tomēr pie nominālajiem ekspluatācijas apstākļiem katla tvaiks parasti ir tikai 0,96–0,97 sauss. Piemēram, Ķīnas katlu standarti saturēto tvaiku ierobežo līdz 3 % mitrumam ūdenscaurulīšu katliem un līdz 4 % apvalka katliem — kas atbilst attiecīgi 0,97 un 0,96 sausumam.

Tāpēc pastāv atšķirība starp sertificētajiem un reālajiem ekspluatācijas apstākļiem: vārsts ir klasificēts darbam ar vidēm, kas reti tieši atbilst norādītajiem parametriem.

Kad sausums samazinās līdz 0,95, katrs metriskais tons tvaika pārvadā 50 kg ūdens. Šis ūdens nonāk pie drošības vērtulis ievada un maina vārsta darbības raksturu.

2. Divfāžu plūsma: atzīta nenoteiktība

Kad drošības vārsts atveras un izlaiž tvauda-ūdens maisījumu, plūsmas režīms ir divfāžu. Tas nav malas gadījums — tas ir atzīts inženierzinātnisks izaicinājums, kuram nepastāv pilnībā validēta izmērošanas metode.

API RP 520, pielikums D, risina divfāžu izlaiduma izmēru noteikšanu, taču norāda, ka šis jautājums joprojām ir strīdīgs: neviena izmēru noteikšanas metode nav apstiprināta ar testiem, un arī nav atzītas procedūras divfāžu izlaiduma jaudas sertificēšanai.

Pašreizējās metodes — homogēnā līdzsvara modeļa (HEM) un homogēnā nelīdzsvara modeļa (HNE) — balstās uz vienkāršojošām pieņēmumiem. Eksperimentālie dati rāda, ka HEM var zemnovērtēt masas plūsmu reālos apstākļos. Lai atbilstu testu datiem, pētniekiem bijis jāievieš empīriski korekcijas koeficienti, kas ievērojami pārsniedz gāzes izplūdes koeficientu.

Praktiski izsakoties: ja tvaika sausums kritīs zem 0,95, vārsta faktiskā jauda ir nenoteikta. Tā var pārsniegt norādīto jaudu vai arī būt zem tās. Jebkura no šīm novirzēm rada drošības risku.

3. Pilienu erozija: ilgstošs bojājumu mehānisms

Ūdens pilieni ir vairākas simts reizes blīvāki nekā tvaiks. Kad tvauda-ūdens maisījums paātrinās caur vārsta sēdekļa un diskas spraugām, šie pilieni darbojas kā abrazīvi daļiņas.

Ar flanča galu un sviru atsperu drošības vērtulis (Klase 150, WCB korpusa materiāls). Ieejas flančs ir vieta, kur mitrais tvaiks iekļūst un iestrādātie ūdens pilieni pirmo reizi ar augstu ātrumu triecas pret sēdekļa un diskas virsmām.

Galvenie vārstu ražotāji šo tagad atzīst. IMI Critical Engineering 2024. gadā izdeva tehnisku biļetenu, kurā norādīts, ka mitrais tvaiks izraisa kritisko vārstu iekšējo komponentu (diskas, sēdekļa) izskalošanos, radot drošības riskus un potenciāli izraisot negaidītas apstāšanās. Uzņēmums izstrādāja īpašu produktu līniju EroSolve Wet Steam un ziņo par vairāk nekā 200 uzstādītām vienībām — kas liecina, ka mitrā tvaika izskalošana ir atkārtota ekspluatācijas problēma.

Operatoriem: vārsts, kas iztur sausa tvaika pieņemšanas testus, mitrā tvaika ekspluatācijā var izskaloties ātrāk.

4. Iestrēgts atvērts pēc ūdens saskares

Kamēr erozija ir hroniska problēma, atvēršanās un palikšana atvērtā stāvoklī pēc saskares ar ūdeni ir akūta problēma.

ASV Kodolenerģijas regulējošā komisija (NRC) dokumentēja secinājumu, ka ar atsperu darbināmās vārstu konstrukcijas, drošības vērtis kas paredzētas tvaika izmantošanai, pēc šķidruma izplūdes izraisītas slodzes rāda augstāku varbūtību palikt atvērtā stāvoklī vai smagi noplūst, nekā iepriekš novērtētā 3×10⁻².

NRC novērtējums norāda, ka šī varbūtība ir "daudz augstāka" nekā 3×10⁻² vērtība. Tā tehniskā pārskatīšana par EPRI testu datiem norāda, ka aptuveni 26 ūdens testos aptuveni viena trešdaļa rezultēja diska un sēdekļa čakstēšanā — kas vai nu izraisīja iekšējus bojājumus, vai prasīja manuālu pārtraukšanu sekundēs, lai to novērstu. drošības vērtulis vārsti balstās uz šķidruma izplešanos zem diska, lai radītu pacelšanas spēku. Sauss tvaiks viegli izplešas, radot stabila pacelšanas spēku. Ar šķidrumu vai augsta mitruma divfāžu plūsmu notiek mainība tvaikošanās raksturlielumos. Disks var čakstēt, neatstiegties pilnībā vai — visnepatīkamākajā gadījumā — palikt atvērts pēc tam, kad tam vajadzētu atgriezties sēdekļa pozīcijā.

Mehānisms: drošības vērtulis vārsti balstās uz šķidruma izplešanos zem diska, lai radītu pacelšanas spēku. Sauss tvaiks viegli izplešas, radot stabila pacelšanas spēku. Ar šķidrumu vai augsta mitruma divfāžu plūsmu notiek mainība tvaikošanās raksturlielumos. Disks var čakstēt, neatstiegties pilnībā vai — visnepatīkamākajā gadījumā — palikt atvērts pēc tam, kad tam vajadzētu atgriezties sēdekļa pozīcijā.

Drošības vārsta montāža ar pilotdarbību (pelēka čuguna korpusa, nerūsējošā tērauda pilotcaurules). Pilot- un jutīgās līnijas padara uzticamu atgriešanos īpaši svarīgu — ūdens izraisīta vibrācija vai pieķeršanās pilotshēmā var radīt virkni sekmu.

Šeit ir aktuāli vēsturiski notikumi. Trīs Mīlu salas 2. vienības avārija (1979. gads) ietvēra atvērtu elektroizpildījuma drošības vārstu (PORV), kas izlaida ūdeni un neaizvērās. Lai gan PORV atšķiras no drošības vērtis , pamatfizikālais princips — ūdens izplūde, kas rada neuzticamu atgriešanos, — paliek aktuāls.

5. Standartu sprauga

ASME I sadaļa un VIII sadaļa sertificē drošības vērtulis ietilpību, balstoties uz sauso piesātināto tvaiku. Nacionālās padomes ietilpības dati balstās uz to pašu pamatu.

Rezultātā rodas sistēmiska neatbilstība: vārsti tiek izvēlēti sausam tvaikam, bet darbojas uz mitra tvaika.

Ir viena izņēmuma situācija. Krievijas standarts GOST 24570-81 atļauj — bet nepieprasa — ņemt vērā tvaika un ūdens maisījuma attiecību izmēru noteikšanā drošības vērtis priekš karstā ūdens katliem un ekonomizatoriem. Vairumā tiesību aktu un projektu joprojām tiek izmantota sausā tvaika izmērošana.

6. Praktiskas ieteiksmes katlu ekspluatācijas personālam

1. Uzdot jautājumu par tvaika sausumu. Norādot drošības vērtulis , nepieņemt, ka sausuma koeficients ir 1,0. Ja katla izejošā tvaika sausums regulāri ir zem 0,95, vārsta caurlaides spēju vajadzētu pārvērtēt, pamatojoties uz faktiskajiem apstākļiem.

2. Kontrolēt ūdeni pirms tas nonāk vārstā. Drošības vērtulis ieejas caurulēs, kurās ir uzkrājies kondensāts, ūdens izplūdīs pie pacelšanas. Tvaika slaucītājiem jādarbojas pareizi, un noplūdes caurules jātur tīras.

3. Izvēlēties materiālus, ņemot vērā to iznīcināšanos. Standarta sēdekļa materiāli ātrāk degradējas mitrā tvaika iedarbībā. Mitram tvaikam paredzētiem vārstiem jāizvēlas cietāki blīvēšanas virsmas materiāli.

4. Saīsināt pārbaudes intervālus. Pat ja vārsts netiek pacelts, drošības vērtulis mitrā tvaika ekspluatācijā var ciest sēdekļa bojājumus no nepārtrauktas lāšu iedarbības. NBIC ieteiktos pārbaudes intervālus mitrā tvaika apstākļos jāuzskata par maksimālajiem, nevis mērķvērtībām.

Kopsavilkums

Katrs metriskais tonna tvaika pārvadā 20–50 kg ūdens pie tipiskām sausuma daļām. Ne spiediena, ne temperatūras mērinstrumenti to neatklāj.

Šis ūdens samazina siltummaina jaudu. Pie drošības vērtulis , tas ietekmē jaudas precizitāti, sēdekļa kalpošanas laiku un — visnepatīkamākajā gadījumā — vārsta spēju atgriezties sēdekļa vietā pēc pacelšanās.

Vai jūsu rūpnīca mēra tvaika sausumu katla izejā? Kāds ir jūsu tvaika spiediens un temperatūra, un vai jūsu piegādes līgums norāda sausuma daļu?

Atsauces

• Jaudas sertifikācijas pamats: ASME Sadaļa I/VIII un National Board standarti piesātinātā tvaika drošības vārstu jaudai.

• Divfāžu izmērošanas ierobežojumi: API RP 520, Papildinājums D — Drošības atbrīvošanas vārstu izmērošana divfāžu plūsmām.

• HEM zemnovērtējums: publicēti eksperimentālie pētījumi par divfāžu drošības vārstu plūsmas testēšanu.

• Atvērta stāvoklī palikšanas varbūtība: ASV NRC tehniskā novērtējums par drošības vērtulis veiktspēju šķidruma izvadīšanas apstākļos (EPRI testu datu pārskata analīze).

• Erozijas mehānisms: vārstu ražotāja tehniskā literatūra, tostarp IMI Critical Engineering EroSolve Wet Steam produkta biļetene (2024).

• TMI-2 incidenta konteksts: ASV NRC vēsturiskie dokumenti par Three Mile Island Unit 2 avāriju.