Трубопроводная арматура

Литые vs Кованые - текущие споры принимают новое направление

Статья о выборе метода изготовления основных частей трубопроводной арматуры

Главная » Статьи » Литые vs Кованые

Литые vs Кованые

Спор по выбору материалов между литыми и коваными в арматуростроении существует уже много лет. Производство литья по-прежнему доминирует, однако изменение условий эксплуатации в энергетике, таких как переход к более высоким требованиям давления и температуры, привело к возобновлению споров о том, какой метод наиболее подходит для меняющихся требований.
Несмотря на то, что литые и кованые производства поставляют высококачественную трубопроводную арматуру, не всегда сразу видно, какое решение имеет наилучшее соотношение затрат и производительности для различных предприятий.

Проблемы применения

Поскольку мир требует все больше энергии, рабочие температуры на сверхкритических и сверхвысокотемпературных электростанциях, а также на электростанциях с комбинированным циклом значительно выросли. Тестирование в Европе в настоящее время составляет 1292°F (700°C) для котельных установок, а установки в США в скором времени будут работать при температуре выше 1112°F (600°C).

Комбинирование температурных режимов и высоких температур позволяет операторам увеличивать эффективность установки, а также оказывает огромное влияние на компоненты системы. Ухудшение качественных характеристик материала, происходящее вследствие ползучести и коррозионной усталости, выявляется в современных электростанциях с комбинированным циклом производства электроэнергии и тепла, а также в котлах-утилизаторах, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов и срокам устранения повреждений.

В результате многие производители трубопроводной арматуры начали пересматривать спецификации материалов и методы производства, в частности, при работе с компонентами для критических и тяжелых условий эксплуатаций.

На поведение и выбор материала арматуры влияют изменения рабочих параметров этих современных электростанций. В частности, роль перехода от статических к динамическим нагрузкам посредством операций комбинированного цикла. Так же возрастает температура удара и перепада давления, влияющая на нагрузку на клапаны и компоненты трубопровода в паровом контуре.

Колебания температуры создают напряжение и удлинение, так как клапаны расширяются и сжимаются под разными нагрузками до заданного предела текучести. Как только напряжения, установленные на клапане, превышают этот предел текучести, происходит деформация клапана, которая со временем влияет на размеры компонентов. Механическое напряжение в конечном итоге может вызвать усталость и отказ компонентов клапана.

Обсуждение материалов

Все материалы клапанов, будь то кованые или литые, должны удовлетворять требованиям к прочности на разрыв и коррозионной стойкости, обнаруженным в критических технологических средах. Чем прочнее материал клапана, тем лучше, чтобы клапан мог сопротивляться разрушению при нажатии под давлением. Эта прочность означает более высокую пластичность и, в конечном счете, более длительный срок службы. Однако в энергетической отрасли существует потенциал для отказа клапана от увеличения цикличности. Воздействие высокой цикличности на температуру и давление пара создает большие нагрузки на компоненты клапана. Это означает, что материалы должны выдерживать колебания и давления на протяжении всего срока службы клапана.

Литые материалы, как правило, имеют массу меньше, чем кованые изделия. Большая масса может привести к большему нагреву, что может привести к большему напряжению. В связи с этим необходимо учитывать литье и его связь с пустотами с учетом факторов безопасности и допустимого напряжения.

Еще один важный аспект - способность металла противостоять воздействию коррозии. Коррозия по-прежнему является серьезной проблемой в энергетике, что часто приводит к дорогостоящему ремонту и чрезмерному простою. Ухудшение материала клапана, возникающего в результате комбинированных действий кислорода, металлов и соли, усугубляется высокими рабочими температурами. Чем выше температура, тем мягче будет материал, что увеличивает риск термической усталости.

Конструктивные коды и стандарты Американского общества инженеров-механиков (ASME) позволяют использовать кованые и литые материалы в первичной цепи в зависимости от конструкции котла и рабочих параметров. Химический состав этих компонентов, в частности уровень хрома и метод изготовления, являются ключевыми факторами в определении прочности, ползучести и стабильности. Например, сплавы класса WC9, которые содержат 2,25% хрома, могут сохранять свою прочность при температурах до 1020°F (550°C), в то время как более высококачественные марки, такие как C12-A с 9% хрома, могут выдерживать температуры До 1130°F (610°C).

Изменения в операциях на электростанциях означают, что ситуация с коваными марками стали развивается. В то время как более низкокачественные стали, такие как F22, содержащие 2,25% хрома, могут быть пригодны для температуры до 1100°F (590°C), сталь F91 с 9% хрома может выдерживать температуры до 1200°F (650°C). Это важно, потому что увеличенные целевые показатели эффективности современных электростанций означают, что рабочие температуры превышают 1112°F (600°C). В результате заводские инженеры и производители клапанов переходят на сплавы класса F92, для которых не существует эквивалента литья в стандарте ASME.

Различия в характеристиках для сплавов по классу F91 также очевидны. Например, клапан F92 Class 2500 при температуре 1112°F (600°C) обеспечивает специальный класс 223,4 бар по сравнению с 203,1 бар для F91. При температуре 1067°F (575°C) оценки одинаковы для обоих материалов (F91 и F92). Однако при 1157°F (625°C) разница составляет 190,6 бар для F92 по сравнению с 152,1 для F91.

Хотя химический состав является важным параметром, поскольку он влияет на механические свойства материала, термическая обработка материала также является важным параметром. Термическая обработка определяет общую прочность клапана при работе в условиях высокой температуры и при интенсивных механических нагрузках. Независимо от того, требуется ли ковка или литье, каждый клапан необходимо нагреть до нормализованной температуры - обычно около 1832°F (1000°C) и охлаждать менее чем за 4000 секунд для достижения очень долговечного конечного продукта.

Небольшие клапаны можно охлаждать относительно быстро, клапаны с более высокой массой (и, как правило, большим диаметром) имеют гораздо более сложный процесс охлаждения. Это повлияет на механические свойства клапана, в частности его рабочие характеристики при высоких температурах, что может привести к сокращению жизненного цикла продукта.

Стандарты качества

Хотя большинство международных стандартов обеспечивают руководство по ожидаемому гарантированному сроку службы материала при температуре окружающей среды, официальные данные не доступны для испытаний при высоких температурах. Тем не менее, изменяющаяся среда энергетики, особенно стрессы, связанные с более высоким циклом и регулярным отключением, требуют изменений в тестировании. В результате тесты, учитывающие дополнительные параметры, такие как часы работы, количество остановок и температурный диапазон, становятся все более важными для точной оценки продолжительности жизни продуктов.

С неизбежным изменением материальных руководящих принципов и правил многие инженеры уже регламентируют материалы, выходящие за рамки текущих требований, чтобы они могли обеспечить соблюдение в будущем. Фактически, некоторые руководящие органы, такие как Американское общество испытаний и материалов (ASTM) и ASME, начали включать подробные требования к производственным процессам в свои стандарты. Помимо выполнения строгих критериев с точки зрения химического состава, процедур испытаний и физических свойств материала, многие клапаны теперь также должны быть либо литыми, либо коваными, в зависимости от отрасли и применения.

Ультразвуковые угольные установки, например, могут работать при температуре выше 1112°F (600°C), что делает их идеально подходящими для кованых материалов F92. В ближайшие годы рынок комбинированного цикла будет двигаться в направлении этих температурных диапазонов, и использование F92 станет более распространенным в этих областях.

Применение литого клапана

Литье по-прежнему представляет собой значительную долю промышленности по производству клапанов. Фактически, большинство стальных компонентов начинаются как отливки, процесс, в котором расплавленный металл выливается в индивидуальную форму, а затем затвердевает. К преимуществам этой процедуры относятся:

  • Гибкость в дизайне. Клапаны могут быть отлиты по форме, что дает большее разнообразие и сложность формы.
  • Большой выбор металла (специальные сплавы), потому что литейные цеха имеют полный контроль над химическим составом металла для удовлетворения уникальных требований по доступной цене. Это может гарантировать, что клапаны модифицированы для соответствия точной спецификации (т.е. Уровень феррита можно контролировать для повышения коррозионной стойкости и т.д.)
  • Снижение затрат на механическую обработку, потому что литье требует меньше механической обработки, чем ковка, когда требуются более сложные формы.
  • Большая доступность, что означает, что замена клапана гораздо проще.
  • Различные формы. Литые клапаны могут иметь контурную форму (закругленные края).

Несмотря на то, что отливки остаются неотъемлемой частью промышленности по производству клапанов, переход к более высокому давлению в последние несколько лет выявил недостатки, которые включают:

  • Процесс затвердевания может давать небольшие примеси, такие как пустоты и трещины. Это может означать более низкие механические свойства и дорогостоящий и долговременный ремонт сварных швов.
  • Сварочная и послесварочная термообработка изменяет микроструктуру отливок, что приводит к более высокой ползучести и значительно более низкой твердости. Это требует тщательного осмотра клапана, чтобы обеспечить его устойчивость и сопротивление ползучести.
  • Более высокие характеристики материала могут быть достигнуты только после интенсивной термообработки, что приводит к увеличению времени производства.

Тем не менее, значительные улучшения в процессах изготовления форм и сердечников уменьшили дефекты на литых клапанах. Например, все большее число литейных цехов применяют методы литья под низким давлением для улучшения общей механической целостности конечного продукта.

Применение кованого клапана

Для клапанов, используемых в критических и тяжелых областях промышленности, в последние несколько лет наблюдается сдвиг в сторону использования кованой стали. Это отражается в использовании высокопроизводительных сплавов при температурах свыше 1112°F (600°C). Процессы ковки начинаются с твердого куска металла или прутка, который выкован в форму с помощью молотков или прессов. Несмотря на трудоемкость, этот процесс обеспечивает преимущества, которые включают:

  • Меньше материальных отходов, потому что требуется меньше переработок. (Клапан выкован в форму из одной твердой детали / прутка).
  • Из-за огромного давления, связанного с производственным процессом, процесс ковки уменьшает пористость поверхности и закрывает внутренние полости и пустоты. Это позволяет кованым клапанам сохранять структурную целостность, что приводит к механически более прочному и долговечному изделию (с большей пластичностью и прочностью на разрыв).
  • Гибкость в возможности изготовления кованого материала для промежуточной оценки означает меньшую толщину стенки для повышения производительности от усталости от термического цикла. Меньшая толщина стенки имеет меньший температурный диапазон, что требует меньшего времени, чтобы толщина материала достигла равновесия. Таким образом, существует меньше возможностей для термической усталости, которая предлагает надежное решение для электростанций, которые циклически проходят через пуск и поэтапный отказ на ежедневной основе.
  • Кованый материал может обрабатываться в соответствии с конкретными условиями проектирования с использованием промежуточных оценок. Это дает конечным пользователям и владельцам активов еще одну альтернативу. С использованием промежуточной оценки может быть изготовлен более легкий вес, более подходящий для циклических нагрузок. Клапан с более легким весом может уменьшить напряжение нагрева / охлаждения, когда агрегаты включаются и выключаются, особенно потому, что более тонкие компоненты стены могут нагреваться и охлаждаться быстрее, что приводит к меньшему количеству термических напряжений.

Не смотря на все положительные аспекты кованого метода изготовления клапанов приведем некоторые последствия и ограничения, о которых следует знать:

  • Ковка - экономичная и энергоемкая. Это требует большой работы по выточке детали и достижению требуемой формы и чистоты.
  • Существуют ограничения по размеру, форме и толщине, поскольку обработка происходит в твердом состоянии.
  • Большие поковки должны быть изготовлены из двух или более деталей и свариваться вместе.

Зависимость выбора от условий от областей применения

Высокие стандарты производства и внимание к деталям имеют первостепенное значение для обеспечения того, чтобы каждый клапан, будь то литой или кованый, соответствовал требуемым критериям конструкции и эффективности. Кованые материалы преобладают в областях применения высокого давления и температуры, однако некоторых отраслях промышленности, литье будет по-прежнему обеспечивать экономически эффективную и надежную альтернативу.

Окончательный выбор сводится к оценке эксплуатационных потребностей конкретного завода для определения наилучшего решения для клапана. Кованые клапаны обеспечивают повышенную производительность для высокотемпературных и тяжелых условий эксплуатации, но стоимость и сложность продуктов могут ограничивать использование.

Один из способов снижения риска является работа с опытным производителем, который имеет знания как в литых, так и кованых клапанах, а также может рекомендовать наиболее подходящий продукт, совместимый с необходимыми стандартами, для удовлетворения конкретных потребностей в установках при необходимых условиях эксплуатации.


Arvo Eilau - менеджер по маркетингу, - Power, Valve & Controls Pentair

Новости рынка

10.07.17

Unique Mixproof Horizontal Tank (HT) и Unique Mixproof – это новые модульные противосмесительные ...продолжить чтение

23.11.16

В новой товарной линии представлены высококачественные набивки, ...продолжить чтение

24.04.15

Известный итальянский бренд PC Progetti объявил об очередном расширении ...продолжить чтение

Архив новостей

Интересные статьи

Затворы с тройным эксцентриситетом

Затвор с тройным эксцентриситетом является эффективным решением опасных… продолжить чтение

Червячные редукторы

Редукторы продолжают оставаться надежным решением в области ручного управления на протяжении… продолжить чтение

Роль отрасли в изменении климата

Мир может не согласиться со всеми причинами изменения климата, но большинство людей понимают, что наши действия за последние 150 лет способствовали накоплению парниковых газов… продолжить чтение

Архив статей