ความเสี่ยงที่ซ่อนอยู่ในไอน้ำเปียก: วิธีที่น้ำที่ปนมากับไอน้ำส่งผลต่อประสิทธิภาพของวาล์วความปลอดภัย

หม้อไอน้ำของคุณผ่านการตรวจสอบแล้ว แรงดัน: ปกติ อุณหภูมิ: ปกติ อัตราการไหล: ปกติ สามเครื่องมือ ศูนย์ข้อผิดพลาด

แต่ไอน้ำที่ออกมาจากหม้อไอน้ำของคุณอาจไม่เคยมีความแห้งสมบูรณ์ตั้งแต่ต้น

ภายใต้สภาวะการใช้งานทั่วไป สัดส่วนความแห้งของไอน้ำจะอยู่ระหว่าง 0.95 ถึง 0.98 — หมายความว่าไอน้ำหนึ่งตันเมตริกจะมีน้ำแฝงอยู่ 20 ถึง 50 กิโลกรัม ทั้งมาตรวัดแรงดันและมาตรวัดอุณหภูมิไม่สามารถตรวจจับน้ำส่วนนี้ได้ แต่เมื่อน้ำนั้นเดินทางมาถึง วาล์วเซฟตี้ ผลที่ตามมาจะลุกลามออกไปไกลกว่าการลดลงของประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน

แบบสปริงดัน วาล์วเซฟตี้ (DN100/150, PN25/16) ภายในโรงงานผลิต สปริงทำหน้าที่ควบคุมแรงดันที่ใช้ในการปิดวาล์วกลับเข้าสู่ตำแหน่งเดิม และได้รับผลกระทบโดยตรงจากการใช้งานกับไอน้ำเปียก

บทความนี้ศึกษาผลกระทบของความชื้นที่ปนอยู่ต่อวาล์วปล่อยแรงดัน โดยอ้างอิงจากมาตรฐานที่เผยแพร่ ผลการตรวจสอบจากหน่วยงานกำกับดูแล และข้อมูลจากการทดลอง

1. วาล์วความปลอดภัย ออกแบบให้ใช้งานได้กับไอน้ำแห้ง — แต่ไอน้ำจากหม้อไอน้ำมักไม่แห้งสนิท

วาล์วเซฟตี้ การรับรองความสามารถในการจ่ายไหลผ่านนั้นอ้างอิงจากไอน้ำอิ่มตัวแห้ง ตามข้อกำหนดของ ASME และ National Board ค่าความสามารถในการจ่ายไหลผ่านที่ระบุไว้บนตัววาล์วจะแสดงเป็นปอนด์ (หรือกิโลกรัม) ของไอน้ำอิ่มตัวต่อชั่วโมง วิธีการใช้สัมประสิทธิ์การปล่อยไหล (coefficient of discharge) อาศัยสูตรการไหลเชิงทฤษฎีที่พัฒนาขึ้นสำหรับสภาวะไอน้ำแห้ง

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ไอน้ำจากหม้อไอน้ำที่ทำงานภายใต้สภาวะที่ระบุไว้โดยทั่วไปมีค่าความแห้ง (dryness fraction) เพียง 0.96 ถึง 0.97 เท่านั้น มาตรฐานหม้อไอน้ำของจีน ตัวอย่างเช่น กำหนดให้ปริมาณความชื้นในไอน้ำอิ่มตัวไม่เกินร้อยละ 3 สำหรับหม้อไอน้ำแบบท่อรับความร้อน (water-tube boilers) และไม่เกินร้อยละ 4 สำหรับหม้อไอน้ำแบบเปลือก (shell boilers) — ซึ่งสอดคล้องกับค่าความแห้งที่ 0.97 และ 0.96 ตามลำดับ

ดังนั้น จึงมีช่องว่างระหว่างสภาวะที่ได้รับการรับรองกับสภาวะจริงในสนาม: วาล์วถูกกำหนดค่าความสามารถสำหรับสื่อกลางที่แทบจะไม่ปรากฏในรูปแบบที่ระบุไว้โดยตรงเลย

เมื่อค่าความแห้งลดลงเหลือ 0.95 ไอน้ำหนึ่งเมตริกตันจะพาน้ำมาด้วย 50 กิโลกรัม น้ำนั้นจะไหลเข้าสู่ วาล์วเซฟตี้ ทางเข้า (inlet) และส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของวาล์ว

2. การไหลสองเฟส: ความไม่แน่นอนที่ยอมรับกันโดยทั่วไป

เมื่อวาล์วความปลอดภัยเปิดและปล่อยส่วนผสมของไอน้ำกับน้ำ การไหลที่เกิดขึ้นจะอยู่ในรูปแบบสองเฟส นี่ไม่ใช่กรณีขอบ (edge case) — แต่เป็นความท้าทายด้านวิศวกรรมที่ยอมรับกันโดยทั่วไป ซึ่งยังไม่มีวิธีการคำนวณขนาด (sizing method) ใดที่ผ่านการตรวจสอบความถูกต้องอย่างสมบูรณ์

เอกสาร API RP 520 ภาคผนวก ดี กล่าวถึงการคำนวณขนาดวาล์วสำหรับกรณีปล่อยของไหลสองเฟส แต่ระบุว่าเรื่องนี้ยังเป็นที่ถกเถียงกันอยู่: ยังไม่มีวิธีการคำนวณใดได้รับการยืนยันผลจากงานทดลอง และยังไม่มีขั้นตอนที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับการรับรองความสามารถในการปล่อยของไหลสองเฟส

วิธีการปัจจุบัน — ได้แก่ แบบจำลองสมดุลเนื้อเดียวกัน (HEM) และแบบจำลองไม่สมดุลเนื้อเดียวกัน (HNE) — พึ่งพาสมมุติฐานที่ทำให้เรียบง่ายเกินจริง ข้อมูลจากการทดลองแสดงว่า HEM อาจประเมินอัตราการไหลมวลต่ำกว่าความเป็นจริงภายใต้สภาวะใช้งานจริง นักวิจัยจึงจำเป็นต้องนำเข้าปัจจัยการปรับค่าเชิงประจักษ์ที่สูงกว่าสัมประสิทธิ์การปล่อยก๊าซอย่างมาก เพื่อให้สอดคล้องกับผลการทดลอง

ในทางปฏิบัติ: หากความแห้งของไอน้ำลดลงต่ำกว่า 0.95 ความสามารถที่แท้จริงของวาล์วจะไม่แน่นอน อาจสูงกว่าค่าที่ระบุบนป้ายชื่อ หรืออาจต่ำกว่าก็ได้ ทั้งสองกรณีล้วนเป็นประเด็นด้านความปลอดภัย

3. การกัดกร่อนจากหยดน้ำ: กลไกการเสื่อมสภาพเรื้อรัง

หยดน้ำมีความหนาแน่นสูงกว่าไอน้ำหลายร้อยเท่า เมื่อผสมระหว่างไอน้ำกับน้ำไหลผ่านช่องว่างระหว่างที่นั่งวาล์วกับแผ่นปิดด้วยความเร็วสูง หยดน้ำเหล่านั้นจะทำหน้าที่เหมือนอนุภาคที่กัดกร่อน

แบบติดตั้งด้วยหน้าแปลนและมีสปริงดัน วาล์วเซฟตี้ (คลาส 150 ตัวเรือนทำจาก WCB) หน้าแปลนทางเข้าคือจุดที่ไอน้ำเปียกไหลเข้า และหยดน้ำที่ปนอยู่จะกระทบกับพื้นผิวของที่นั่งวาล์วกับแผ่นปิดครั้งแรกด้วยความเร็วสูง

ผู้ผลิตวาล์วรายใหญ่ตอนนี้ยอมรับปัญหานี้แล้ว IMI Critical Engineering ออกประกาศทางเทคนิคในปี ค.ศ. 2024 ระบุว่า ไอน้ำเปียกทำให้ชิ้นส่วนภายในวาล์วสำคัญ (เช่น แผ่นปิดและที่นั่ง) สึกกร่อน ส่งผลให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัย และอาจนำไปสู่การหยุดเดินเครื่องโดยไม่ได้วางแผนไว้ บริษัทพัฒนาผลิตภัณฑ์เฉพาะทางชุดหนึ่งชื่อ EroSolve Wet Steam และรายงานว่ามีการติดตั้งไปแล้วมากกว่า 200 แห่ง — ซึ่งแสดงว่าปัญหาการสึกกร่อนจากไอน้ำเปียกเป็นปัญหาปฏิบัติการที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ

สำหรับผู้ปฏิบัติงาน: วาล์วที่ผ่านการทดสอบรับรองกับไอน้ำแห้งอาจสึกกร่อนเร็วกว่าเมื่อใช้งานกับไอน้ำเปียก

4. ติดอยู่ในตำแหน่งเปิดหลังสัมผัสกับน้ำ

แม้การกัดเซาะจะเป็นปัญหาเรื้อรัง แต่สถานการณ์ที่วาล์วค้างอยู่ในตำแหน่งเปิดหลังสัมผัสกับน้ำถือเป็นปัญหาฉุกเฉิน

คณะกรรมาธิการกำกับดูแลพลังงานนิวเคลียร์แห่งสหรัฐอเมริกา (NRC) บันทึกข้อค้นพบว่า วาล์วแบบสปริงโหลด วาล์วความปลอดภัย ที่ออกแบบสำหรับใช้งานกับไอน้ำ เมื่อถูกทดสอบด้วยของไหลในสถานะของเหลว จะมีความน่าจะเป็นที่จะค้างอยู่ในตำแหน่งเปิดหรือรั่วอย่างรุนแรงสูงกว่าค่าประมาณก่อนหน้าซึ่งระบุไว้ที่ 3×10⁻²

การประเมินของ NRC ระบุว่า ความน่าจะเป็นนี้ "สูงกว่ามาก" เมื่อเทียบกับค่า 3×10⁻² รายงานทางเทคนิคจากการวิเคราะห์ข้อมูลการทดสอบของ EPRI ชี้ว่า จากการทดสอบด้วยน้ำประมาณ 26 ครั้ง วาล์วเซฟตี้ มีประมาณหนึ่งในสามที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์การสั่นสะเทือนระหว่างแผ่นปิดกับที่รองรับ (disc-to-seat chatter) ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสียหายภายใน หรือจำเป็นต้องหยุดการทำงานด้วยมือภายในไม่กี่วินาทีเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์ดังกล่าว

กลไกการทำงาน: วาล์วเซฟตี้ วาล์วประเภทนี้พึ่งพาการขยายตัวของของไหลใต้แผ่นปิดเพื่อสร้างแรงยก ไอน้ำแห้งสามารถขยายตัวได้อย่างสะดวก ส่งผลให้เกิดแรงยกที่มั่นคง แต่เมื่อใช้ของไหลในสถานะของเหลว หรือของไหลสองเฟสที่มีความชื้นสูง พฤติกรรมของการเปลี่ยนสถานะ (flashing) จะเปลี่ยนไป ทำให้แผ่นปิดอาจสั่นสะเทือน ไม่สามารถยกขึ้นสู่ตำแหน่งสูงสุดได้ หรือในกรณีรุนแรงที่สุด อาจค้างอยู่ในตำแหน่งเปิดหลังจากที่ควรจะกลับมาปิดสนิท

ชุดวาล์วความปลอดภัยแบบควบคุมด้วยไพลอต (ตัวเรือนทำจากเหล็กหล่อสีเทา ท่อด้านไพลอตทำจากสแตนเลส) ท่อไพลอตและท่อตรวจจับทำให้การกลับสู่ตำแหน่งที่แน่นอนมีความสำคัญอย่างยิ่ง — การสั่นสะเทือนหรือติดขัดจากน้ำในวงจรไพลอตอาจส่งผลลูกโซ่ได้

เหตุการณ์ในอดีตมีความเกี่ยวข้องที่นี่ กรณีอุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทรีไมล์ไอแลนด์ ยูนิต 2 (ค.ศ. 1979) เกิดจากวาล์วปล่อยแรงดันแบบขับเคลื่อนด้วยพลังงาน (PORV) ติดค้างในตำแหน่งเปิด ทำให้น้ำถูกปล่อยออกและไม่สามารถกลับสู่ตำแหน่งปิดได้ แม้ว่า PORV จะต่างจาก วาล์วความปลอดภัย แต่หลักฟิสิกส์พื้นฐาน — การปล่อยน้ำซึ่งนำไปสู่การกลับสู่ตำแหน่งที่ไม่น่าเชื่อถือ — ยังคงเกี่ยวข้อง

5. ช่องว่างของมาตรฐาน

ASME ส่วนที่ 1 และส่วนที่ 8 รับรอง วาล์วเซฟตี้ ความสามารถตามเงื่อนไขของไอน้ำอิ่มตัวแห้งเท่านั้น ข้อมูลความสามารถจาก National Board ก็ใช้หลักการเดียวกัน

ผลที่ได้คือความไม่สอดคล้องกันโดยระบบ: วาล์วถูกเลือกตามเงื่อนไขของไอน้ำแห้ง แต่กลับทำงานภายใต้สภาวะไอน้ำเปียก

มีข้อยกเว้นเพียงข้อเดียว คือ มาตรฐานรัสเซีย GOST 24570-81 อนุญาต — แต่ไม่บังคับ — ให้พิจารณาสัดส่วนของผสมระหว่างไอน้ำกับน้ำในการคำนวณขนาด วาล์วความปลอดภัย สำหรับหม้อต้มน้ำร้อนและอีโคโนไมเซอร์ หน่วยงานส่วนใหญ่และโครงการส่วนใหญ่ยังคงใช้การคำนวณขนาดวาล์วตามไอน้ำแห้งเป็นค่าเริ่มต้น

6. ข้อแนะนำเชิงปฏิบัติสำหรับผู้ปฏิบัติงานหม้อต้ม

1. ถามคำถามเกี่ยวกับความแห้งของไอน้ำ เมื่อกำหนดคุณลักษณะของ วาล์วเซฟตี้ อย่าสมมุติว่าเศษส่วนความแห้งมีค่าเท่ากับ 1.0 หากความแห้งของไอน้ำที่ออกจากหม้อต้มต่ำกว่า 0.95 เป็นประจำ ความจุของวาล์วควรได้รับการประเมินใหม่ตามสภาวะจริง

2. ควบคุมน้ำก่อนที่จะถึงวาล์ว วาล์วเซฟตี้ ท่อเข้าที่มีน้ำควบแน่นสะสมอยู่จะปล่อยน้ำออกมาเมื่อเปิดวาล์ว ไส้กรองไอน้ำต้องทำงานได้อย่างถูกต้อง และท่อระบายน้ำต้องไม่มีสิ่งกีดขวาง

3. เลือกวัสดุโดยพิจารณาปัญหาการกัดกร่อน วัสดุที่ใช้ทำซีทแบบมาตรฐานจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าภายใต้แรงกระแทกของไอน้ำเปียก ควรพิจารณาใช้วัสดุที่มีผิวปิดผนึกแข็งกว่าสำหรับการใช้งานกับไอน้ำเปียก

4. ลดช่วงเวลาการตรวจสอบให้สั้นลง แม้จะไม่มีการเปิดวาล์วเลย วาล์ว วาล์วเซฟตี้ ที่ใช้งานกับไอน้ำเปียกก็อาจได้รับความเสียหายที่ซีทจากแรงกระแทกของหยดน้ำอย่างต่อเนื่อง ช่วงเวลาการทดสอบตามคำแนะนำของ NBIC ควรถือเป็นค่าสูงสุด ไม่ใช่เป้าหมายที่ตั้งไว้ภายใต้สภาวะไอน้ำเปียก

สรุป

ไอน้ำหนึ่งตันเมตริกแต่ละตันจะพาน้ำไปด้วย 20 ถึง 50 กิโลกรัม ที่สัดส่วนความแห้งแบบทั่วไป ไม่ว่าเครื่องมือวัดความดันหรืออุณหภูมิใดก็ตามไม่สามารถตรวจจับน้ำส่วนนี้ได้

น้ำส่วนนี้ลดประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ที่ วาล์วเซฟตี้ ส่งผลต่อความแม่นยำของกำลังการไหล ระยะเวลาระหว่างการบำรุงรักษาของแผ่นปิดวาล์ว และในกรณีรุนแรงที่สุด อาจทำให้ความสามารถของวาล์วในการกลับมาปิดสนิทหลังจากยกขึ้นนั้นเสียไป

โรงงานของท่านวัดค่าความแห้งของไอน้ำที่ทางออกของหม้อไอน้ำหรือไม่? ความดันและอุณหภูมิของไอน้ำที่ท่านใช้มีค่าเท่าใด และสัญญาจัดหาของท่านระบุค่าความแห้งไว้หรือไม่?

ส่งเสริม

• พื้นฐานการรับรองกำลังการไหล: มาตรฐาน ASME ส่วน I/VIII และมาตรฐาน National Board สำหรับกำลังการไหลของวาล์วปล่อยแรงดันสำหรับไอน้ำอิ่มตัว

• ข้อจำกัดในการคำนวณขนาดสำหรับของไหลสองเฟส: API RP 520 ภาคผนวก D — การคำนวณขนาดของวาล์วปล่อยความปลอดภัยสำหรับของไหลสองเฟส

• การคาดการณ์ค่า HEM ต่ำเกินจริง: งานวิจัยเชิงทดลองที่ตีพิมพ์แล้วเกี่ยวกับการทดสอบการไหลของวาล์วปล่อยแรงดันสำหรับของไหลสองเฟส

• ความน่าจะเป็นที่วาล์วจะติดอยู่ในตำแหน่งเปิด: การประเมินเชิงเทคนิคโดย U.S. NRC ต่อ วาล์วเซฟตี้ ประสิทธิภาพภายใต้สภาวะที่ปล่อยของเหลว (การทบทวนข้อมูลการทดสอบจาก EPRI)

• กลไกการกัดเซาะ: เอกสารทางเทคนิคของผู้ผลิตวาล์ว รวมถึงเอกสารประชาสัมพันธ์ผลิตภัณฑ์ EroSolve Wet Steam ของ IMI Critical Engineering (ปี ค.ศ. 2024)

• บริบทเหตุการณ์ TMI-2: เอกสารประวัติศาสตร์ของ U.S. NRC เกี่ยวกับอุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ Three Mile Island Unit 2