Rủi ro ẩn trong hơi ẩm: Cách nước lơ lửng ảnh hưởng đến hiệu suất van an toàn

Nồi hơi của bạn đã được kiểm tra. Đồng hồ đo áp suất: bình thường. Đồng hồ đo nhiệt độ: bình thường. Đồng hồ đo lưu lượng: bình thường. Ba thiết bị đo, không phát hiện lỗi nào.

Nhưng hơi thoát ra từ nồi hơi của bạn có thể chưa bao giờ thực sự đạt độ khô hoàn toàn ngay từ đầu.

Ở điều kiện vận hành điển hình, hệ số độ khô của hơi dao động từ 0,95 đến 0,98 — nghĩa là mỗi tấn hơi mang theo từ 20 đến 50 kg nước lơ lửng. Cả đồng hồ đo áp suất lẫn đồng hồ đo nhiệt độ đều không thể phát hiện được điều này. Nhưng khi lượng nước đó đến van của bạn van an toàn , hậu quả lan rộng vượt xa việc giảm công suất bộ trao đổi nhiệt.

Có lò xo van an toàn (DN100/150, PN25/16) trong một cơ sở sản xuất. Lò xo điều khiển lực đóng lại và bị ảnh hưởng trực tiếp bởi dịch vụ hơi ẩm.

Bài viết này phân tích tác động của độ ẩm lơ lửng lên van xả áp suất, dựa trên các tiêu chuẩn đã công bố, kết luận từ cơ quan quản lý và dữ liệu thực nghiệm.

1. Van An Toàn Được xếp hạng cho hơi khô — nhưng hơi nồi hơi thường không hoàn toàn khô

Van an toàn việc chứng nhận công suất dựa trên hơi bão hòa khô. Theo yêu cầu của ASME và Hội đồng Quốc gia (National Board), công suất được chứng nhận ghi trên van được biểu thị bằng pound (hoặc kilogram) hơi bão hòa mỗi giờ. Phương pháp hệ số xả sử dụng các công thức dòng chảy lý thuyết được phát triển cho điều kiện hơi khô.

Trên thực tế, tuy nhiên, ở điều kiện vận hành định mức, hơi nước từ nồi hơi thường chỉ có độ khô trong khoảng 0,96 đến 0,97. Ví dụ, tiêu chuẩn nồi hơi của Trung Quốc giới hạn độ ẩm của hơi bão hòa ở mức 3% đối với nồi hơi ống nước và 4% đối với nồi hơi vỏ — tương ứng với độ khô lần lượt là 0,97 và 0,96.

Do đó, tồn tại một khoảng chênh lệch giữa điều kiện được chứng nhận và điều kiện thực tế: van được định mức cho một môi chất hiếm khi tồn tại chính xác như thông số kỹ thuật đã nêu.

Khi độ khô giảm xuống còn 0,95, mỗi tấn hơi nước sẽ mang theo 50 kg nước. Lượng nước này đi vào van an toàn cửa vào và làm thay đổi hiệu suất vận hành của van.

2. Dòng chảy hai pha: Một yếu tố bất định đã được công nhận

Khi van an toàn mở ra và xả hỗn hợp hơi-nước, chế độ dòng chảy sẽ là dòng hai pha. Đây không phải là một trường hợp ngoại lệ — mà là một thách thức kỹ thuật đã được công nhận, đối với đó hiện chưa có phương pháp tính toán kích thước nào được kiểm chứng đầy đủ.

Phụ lục D của API RP 520 đề cập đến việc xác định kích thước van xả cho dòng hai pha, nhưng lưu ý rằng chủ đề này vẫn còn gây tranh cãi: chưa có phương pháp nào được kiểm chứng bằng thử nghiệm, cũng như chưa tồn tại quy trình được công nhận để chứng nhận khả năng xả hai pha.

Các phương pháp hiện hành — Mô hình Cân bằng Đồng nhất (HEM) và Mô hình Không cân bằng Đồng nhất (HNE) — dựa trên các giả định đơn giản hóa. Dữ liệu thực nghiệm cho thấy HEM có thể đánh giá thấp lưu lượng khối lượng trong điều kiện thực tế. Các nhà nghiên cứu buộc phải đưa vào các hệ số hiệu chỉnh thực nghiệm cao hơn đáng kể so với hệ số xả khí để phù hợp với dữ liệu thử nghiệm.

Về mặt thực tiễn: nếu độ khô của hơi nước giảm xuống dưới 0,95, khả năng thực tế của van trở nên không chắc chắn. Khả năng này có thể vượt quá giá trị ghi trên nhãn hoặc có thể thấp hơn. Cả hai trường hợp lệch đều gây ra rủi ro về an toàn.

3. Xói mòn do giọt: Một cơ chế hư hỏng kéo dài

Các giọt nước có độ đặc hơn hơi nước hàng trăm lần. Khi hỗn hợp hơi-nước tăng tốc qua khe hở giữa ghế van và đĩa van, những giọt nước này hoạt động như các hạt mài mòn.

Loại lò xo tải trọng gắn mặt bích van an toàn (Cấp áp lực 150, thân bằng thép WCB). Mặt bích đầu vào là nơi hơi nước ẩm đi vào và các giọt nước lẫn trong hơi nước va chạm lần đầu tiên vào bề mặt ghế van và đĩa van với vận tốc cao.

Các nhà sản xuất van hàng đầu hiện nay đều thừa nhận điều này. IMI Critical Engineering đã ban hành bản thông báo kỹ thuật năm 2024, nêu rõ hơi nước ẩm gây xói mòn các bộ phận nội tại quan trọng của van (đĩa van, ghế van), tạo ra rủi ro về an toàn và có thể dẫn đến tình trạng ngừng hoạt động ngoài kế hoạch. Công ty đã phát triển một dòng sản phẩm chuyên biệt mang tên EroSolve Wet Steam và ghi nhận hơn 200 lần lắp đặt — cho thấy xói mòn do hơi nước ẩm là một vấn đề vận hành tái diễn.

Đối với người vận hành: một van vượt qua các bài kiểm tra chấp nhận đối với hơi khô có thể bị xói mòn nhanh hơn khi vận hành trong môi trường hơi ẩm.

4. Bị kẹt ở vị trí mở sau khi tiếp xúc với nước

Mặc dù xói mòn là vấn đề mãn tính, thì hiện tượng kẹt mở sau khi tiếp xúc với nước lại là vấn đề cấp tính.

Ủy ban Quản lý Năng lượng Hạt nhân Hoa Kỳ (NRC) đã ghi nhận phát hiện rằng các van kiểu lò xo van An Toàn được thiết kế cho dịch vụ hơi nước, sau khi chịu thử nghiệm xả chất lỏng, có xác suất kẹt mở hoặc rò rỉ nghiêm trọng cao hơn ước tính trước đây là 3×10⁻².

Đánh giá của NRC nêu rõ xác suất này "cao hơn nhiều" so với con số 3×10⁻². Đánh giá kỹ thuật của NRC đối với dữ liệu thử nghiệm của EPRI ghi nhận rằng trong khoảng 26 van an toàn thử nghiệm với nước, khoảng một phần ba trường hợp dẫn đến hiện tượng rung giật giữa đĩa và ghế van — gây hư hỏng bên trong hoặc yêu cầu tắt thủ công trong vòng vài giây để ngăn chặn hiện tượng này.

Cơ Chế Hoạt Động: van an toàn các van này phụ thuộc vào sự giãn nở của chất lưu dưới đĩa để tạo lực nâng. Hơi khô giãn nở dễ dàng, tạo ra lực nâng ổn định. Với chất lỏng hoặc dòng hai pha có độ ẩm cao, hành vi bốc hơi đột ngột thay đổi. Đĩa có thể rung giật, không đạt được độ nâng tối đa, hoặc — trong trường hợp xấu nhất — kẹt ở vị trí mở sau khi lẽ ra phải đóng lại.

Bộ van an toàn điều khiển bằng van phụ (thân làm bằng gang xám, ống dẫn van phụ bằng thép không gỉ). Các đường ống van phụ và đường cảm biến khiến khả năng đóng kín trở lại một cách đáng tin cậy đặc biệt quan trọng — hiện tượng rung giật hoặc kẹt do nước trong mạch van phụ có thể gây ra các hậu quả dây chuyền.

Các sự cố trong quá khứ có liên quan ở đây. Vụ tai nạn tại Nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island, tổ máy số 2 (năm 1979), liên quan đến một van xả áp lực điều khiển bằng nguồn điện bị kẹt ở vị trí mở, dẫn đến việc xả nước và không thể đóng kín trở lại. Mặc dù van xả áp lực điều khiển bằng nguồn điện khác với van An Toàn , nhưng nguyên lý vật lý nền tảng — việc xả nước dẫn đến khả năng đóng kín trở lại không đáng tin cậy — vẫn còn giá trị tham khảo.

5. Khoảng trống về tiêu chuẩn

ASME Phần I và Phần VIII chứng nhận van an toàn khả năng thông qua dựa trên hơi bão hòa khô. Dữ liệu khả năng thông qua của Hội đồng Quốc gia (National Board) cũng tuân theo cùng cơ sở này.

Kết quả là một sự không khớp hệ thống: các van được chọn dựa trên hơi bão hòa khô, nhưng lại vận hành trong điều kiện hơi ẩm.

Có một ngoại lệ duy nhất. Tiêu chuẩn Nga GOST 24570-81 cho phép — nhưng không bắt buộc — việc xem xét tỷ lệ hỗn hợp hơi-nước khi xác định kích thước van An Toàn cho nồi hơi nước nóng và bộ hâm nước. Phần lớn khu vực pháp lý và dự án vẫn mặc định sử dụng kích thước van cho hơi khô.

6. Các khuyến nghị thực tiễn dành cho người vận hành nồi hơi

1. Đặt câu hỏi về độ khô. Khi lựa chọn một van an toàn , đừng giả định độ khô bằng 1,0. Nếu độ khô của hơi ở đầu ra nồi hơi thường xuyên giảm xuống dưới 0,95, thì khả năng thông lưu của van cần được đánh giá lại dựa trên điều kiện thực tế.

2. Kiểm soát nước trước khi nước đến van. Van an toàn ống dẫn vào có ngưng tụ tích tụ sẽ xả nước khi van mở. Bẫy hơi phải hoạt động đúng và đường xả phải luôn thông suốt.

3. Chọn vật liệu có tính đến hiện tượng xói mòn. Vật liệu làm đệm van tiêu chuẩn bị suy giảm nhanh hơn dưới tác động của hơi ẩm. Hãy cân nhắc sử dụng vật liệu bề mặt kín chắc hơn cho ứng dụng hơi ẩm.

4. Rút ngắn chu kỳ kiểm tra. Ngay cả khi van không nâng lên, van an toàn trong điều kiện hơi ẩm vẫn có thể bị hư hại phần đệm do va chạm liên tục của các giọt nước. Các khoảng thời gian kiểm tra do NBIC đề xuất nên được coi là giới hạn tối đa chứ không phải mục tiêu áp dụng trong điều kiện hơi ẩm.

TỔNG QUAN

Mỗi tấn mét khối hơi nước mang theo từ 20 đến 50 kg nước ở các tỷ lệ khô điển hình. Không có thiết bị đo áp suất hay nhiệt độ nào phát hiện được lượng nước này.

Lượng nước đó làm giảm hiệu suất của bộ trao đổi nhiệt. Tại van an toàn , nó ảnh hưởng đến độ chính xác về công suất, tuổi thọ của đệm van và — trong trường hợp nghiêm trọng nhất — khả năng đóng kín lại của van sau khi nâng lên.

Nhà máy của bạn có đo độ khô của hơi nước tại đầu ra lò hơi không? Áp suất và nhiệt độ hơi nước của bạn là bao nhiêu, và hợp đồng cung cấp của bạn có quy định tỷ lệ khô không?

Các tài liệu tham khảo

• Cơ sở chứng nhận công suất: Tiêu chuẩn ASME Phần I/VIII và tiêu chuẩn Hội đồng Quốc gia (National Board) dành cho van xả an toàn hơi bão hòa.

• Hạn chế về tính toán kích thước cho dòng hai pha: API RP 520, Phụ lục D — Tính toán kích thước van xả an toàn cho dòng hai pha.

• Dự báo thiếu lưu lượng HEM: các nghiên cứu thực nghiệm đã công bố về thử nghiệm dòng chảy qua van xả an toàn hai pha.

• Xác suất van bị kẹt ở trạng thái mở: Đánh giá kỹ thuật của Ủy ban Điều tiết Hạt nhân Hoa Kỳ (U.S. NRC) đối với van an toàn trong điều kiện xả chất lỏng (tổng quan dữ liệu thử nghiệm của EPRI).

• Cơ chế xói mòn: tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất van, bao gồm bản tin sản phẩm EroSolve Wet Steam của IMI Critical Engineering (2024).

• Bối cảnh sự cố TMI-2: tài liệu lịch sử của Ủy ban Điều tiết Hạt nhân Hoa Kỳ (U.S. NRC) về tai nạn tại Nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island Unit 2.