Cách ngăn ngừa hiện tượng giãn lò xo và rò rỉ ghế van xả an toàn trong các hệ thống hơi nước nhiệt độ cao (>400°C)

Tách nhiệt và hiệu ứng ống khói trong van an toàn kiểu nắp hở (Xiazhao loại 4N8 so với kiểu nắp kín)

Được xuất bản bởi Phòng Kỹ thuật Kỹ thuật, Công ty TNHH Van Thượng Hải Hạ Chiêu.

Từ khóa mục tiêu: Van an toàn nhiệt độ cao, giãn nở lò xo, van xả an toàn kiểu nắp hở, van an toàn hơi nước API 526, lớp phủ cứng Stellite

1. Bài toán nhiệt độ cao: Vì sao van an toàn kiểu nắp kín tiêu chuẩn không đáp ứng được

Trong các bộ phân phối nồi hơi áp suất cao, các trạm xả hơi phụ trợ tuabin hơi và các cơ sở nhiệt điện vận hành trong khoảng nhiệt độ "400°C đến 538°C (750°F đến 1000°F)", van an toàn xả áp (SRV) là hàng rào cuối cùng chống lại hiện tượng quá áp gây thảm họa. Tuy nhiên, nhật ký bảo trì từ các nhà máy điện trên toàn cầu liên tục cho thấy một xu hướng đáng lo ngại: các van an toàn xả áp kiểu nắp đậy kín tiêu chuẩn thường bắt đầu sôi lục bục, rò rỉ hoặc lệch khỏi giá trị hiệu chuẩn chỉ sau 3 đến 6 tháng kể từ khi đưa vào vận hành.

Hậu quả về mặt tài chính và vận hành rất nghiêm trọng:

• Tổn thất hơi liên tục tốn kém: Một vết rò vi mô 1,5 mm trên đường ống hơi quá nhiệt ở áp suất 10,0 MPa (1450 psig) làm thất thoát hơn
• Lệch giá trị áp suất đặt trước thời hạn: Tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ cao làm giảm mô-đun cắt ($G$) của lò xo, khiến van mở sớm hơn so với áp suất vận hành bình thường và gây ra các lần ngắt nhà máy không theo lệnh.
• Hiện tượng dây cáp ghế bị kéo giãn nghiêm trọng: Dòng hơi tốc độ cao chảy qua các bề mặt ghế bị tổn hại tạo ra những rãnh sâu trên đĩa thép không gỉ thông thường, khiến van không thể tái niêm phong được.

ĐƯỜNG DẪN TĂNG NHIỆT TRONG VAN CÓ NẮP ĐẬY KÍN SO VỚI VAN CÓ NẮP ĐẬY HỞ

Nắp đậy kín (tiêu chuẩn):

[Hơi 538°C] --- [Khoang thân van] --- [Không khí bị giữ lại trong nắp đậy: 380°C~430°C] --- [Lò xo giãn 18%]

(Mở sớm và rò rỉ)

Nắp đậy kiểu ống khói có yoke hở (Xiazhao Loại 4N8):

[Hơi 538°C] --- [Khoang thân van] === [Dòng không khí tự nhiên qua ống khói] ====== [Khoang lò xo: <140°C]

(Không mất tải / Điểm đặt ổn định)

2. Phân tích nguyên nhân gốc rễ: Vật lý nhiệt bên trong khoang lò xo

2.1 Vai trò then chốt của hiện tượng giãn lò xo

Tất cả các loại thép lò xo mùa xuân đều chịu hiện tượng biến dạng dẻo do nhiệt dưới ứng suất xoắn kéo dài. Khi van an toàn nắp đậy kín được lắp trên đường ống hơi ở nhiệt độ 500°C, nhiệt bức xạ và dẫn nhiệt làm tăng nhanh nhiệt độ bên trong nắp đậy lên mức "380°C–430°C". Trong điều kiện này:

1. Thép lò xo hợp kim tiêu chuẩn (ví dụ như thép Chrome-Vanadium AISI 6150) mất hơn "15% đến 22% lực tải ban đầu" do hiện tượng chùng dẻo về mặt luyện kim.

2. Lực ép xuống của đĩa van ($F_s = k \cdot \Delta x$) giảm mạnh so với lực đẩy lên từ áp suất hệ thống ($F_p = P \cdot A_{seat}$).

3. Khoảng chênh lệch giữa áp suất vận hành và áp suất cài đặt thu hẹp lại, dẫn đến hiện tượng sôi liu riu liên tục và tiếng kêu rè rè có thể nghe rõ.

2.2 Biến dạng vi mô tại bề mặt tiếp xúc của đĩa van

Khi gradient nhiệt làm cong vênh giá đỡ đĩa van và bạc dẫn hướng, áp suất tiếp xúc trên bề mặt ghế van trở nên không đồng đều. Các khe hở vi mô cho hơi đi qua hình thành, gây xói mòn cục bộ với vận tốc cao (hiện tượng wire-drawing).

3. Giải pháp kỹ thuật: Kiến trúc thiết kế chịu nhiệt cao Xiazhao

Ảnh sản phẩm thực tế: Van an toàn chịu nhiệt độ cao ASME Class 600 kiểu ống khói cổ họng hở Xiazhao Thượng Hải mã 3K4

Để giải quyết dứt điểm hiện tượng suy giảm do nhiệt, "Van an toàn xả áp chịu nhiệt độ cao loạt TOS của Xiazhao Thượng Hải (API 526 Class 600 / 3K4 & 3K6)" tích hợp ba đặc điểm thiết kế then chốt:

3.1 Ống khói đối lưu tự nhiên kiểu yoke hở (loại nắp 4N8)

Bằng cách thay thế nắp kín bằng một "cấu trúc yoke hở được thiết kế kỹ thuật (loại 4N8)", không khí xung quanh lưu thông tự nhiên quanh lò xo nhờ lực nổi nhiệt. Nhiệt truyền từ phần cổ thân van được giải nhiệt ra môi trường trước khi tới các tấm đệm lò xo. Hình ảnh nhiệt thực nghiệm xác nhận rằng khi thân van vận hành ở 538°C, khoang lò xo vẫn duy trì dưới mức "140°C (284°F)".

3.2 Vật liệu lò xo siêu hợp kim Inconel X-750

Đối với nhiệt độ vượt quá 427°C, Xiazhao trang bị van an toàn bằng các lò xo làm từ "hợp kim niken–crôm cứng hóa kết tủa Inconel X-750". Inconel X-750 thể hiện khả năng chống giãn và chống biến dạng dẻo vượt trội, duy trì hơn "98,5% độ cứng ban đầu của lò xo" trong suốt hơn 10.000 giờ vận hành nhiệt.

3.3 Bề mặt cứng hóa coban Stellite với mài bóng vi quang học

Cả vòi phun ren vít đặc và đĩa đều được phủ lớp bề mặt cứng hóa "hợp kim coban Stellite (cấp 6)" dày (độ dày tối thiểu 2,5 mm, độ cứng 40–45 HRC ở nhiệt độ cao). Các bề mặt trải qua quá trình mài kim cương nhiều cấp và mài bóng vi quang học để đạt "1–2 dải ánh sáng heli đơn sắc (độ phẳng 0,3–0,6 µm)", loại bỏ hoàn toàn nguy cơ kéo sợi.

4. Thực hành lắp đặt tại hiện trường và danh sách kiểm tra bảo trì

Để đạt tuổi thọ không cần bảo trì trên 5 năm cho các đường ống hơi nước nhiệt độ cao, hãy tuân thủ các hướng dẫn trong Tiêu chuẩn ASME Phần VIII sau:

Giới hạn cách nhiệt: Không bao giờ cách nhiệt phần nắp bonnet hoặc buồng lò xo của van an toàn kiểu yoke hở. Chỉ được cách nhiệt phần vòi phun đầu vào và thân van, từ đầu vào đến mặt bích thân dưới.

Tổn thất áp suất đầu vào: Đảm bảo tổng tổn thất áp suất đầu vào ở công suất định mức đầy đủ luôn thấp hơn nghiêm ngặt

Cổng thoát nước: Luôn nối cổng thoát nước trên thân van (1/2" NPT) với đường ống thoát nước hở để ngăn tích tụ ngưng tụ và sốc nhiệt trong quá trình khởi động lạnh.

Để được tư vấn kỹ thuật, tính toán kích thước theo tiêu chuẩn API 520 đã được chứng nhận, và báo giá van chịu nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn ASME Class 600/900 tùy chỉnh, vui lòng liên hệ Công ty TNHH Van Thượng Hải Hạ Chiêu.