Défis des vannes de dérivation de turbine

Jan 13, 2024

Les vannes de dérivation de turbine sont l'une des applications les plus difficiles dans une centrale électrique. Maintenir le fonctionnement efficace de ces vannes et éviter les pannes inattendues est essentiel pour le fonctionnement de l'usine.

Lorsque les ingénieurs sont invités à répertorier les applications les plus difficiles des vannes de régulation, les vannes de dérivation de turbine sont invariablement mentionnées. Les cycles thermiques fréquents, les chutes de pression élevées et la nécessité d'une fermeture étanche poussent ces vannes à leurs limites. Malheureusement, de nombreuses usines ont tendance à ignorer ces vannes jusqu'à ce qu'elles tombent en panne, ce qui crée des arrêts imprévus, une perte de production et des coûts élevés pour la maintenance réactive. Cet article fournit des méthodes d'inspection suggérées pour anticiper et atténuer les problèmes à l'avance, et il propose des alternatives de mise à niveau si une vanne doit être réparée ou remplacée.

Les vannes de régulation de service sévère sont utilisées dans les installations les plus difficiles au sein des usines de traitement. Ces installations comprennent généralement des fluides cavitants, érosifs, corrosifs, bruyants, à haute pression, à haute température, à forte chute de pression ou à grande vitesse. Les vannes de dérivation de turbine sont exposées à bon nombre de ces conditions de processus ; pourtant, ils doivent répondre parfaitement et rester sans fuite lorsqu'ils sont fermés.

Comme leur nom l'indique, les vannes de dérivation de turbine sont utilisées pour contourner les turbines à vapeur lors du démarrage et de l'arrêt de la centrale, ainsi que lorsqu'une turbine s'arrête (Figure 1). En fonctionnement normal, les vannes sont complètement fermées, forçant toute la vapeur à travers une turbine. Lors du démarrage, les vannes de dérivation détournent la vapeur de la turbine jusqu'à ce que les propriétés et les conditions de la vapeur soient appropriées pour l'envoyer à la turbine. Ce processus se produit en sens inverse à l'arrêt. L'utilisation de vannes de dérivation au démarrage et à l'arrêt aide à protéger la turbine en détournant la vapeur potentiellement humide et en garantissant que seuls les conditions et les débits de vapeur appropriés parviennent à la turbine elle-même.

1. Selon la conception de la centrale électrique, plusieurs vannes de dérivation de turbine peuvent être utilisées pour dériver instantanément la vapeur autour d'une turbine en cas de déclenchement hors ligne. Avec l'aimable autorisation d'Emerson

Si une turbine se déclenche, la vapeur doit continuer à circuler pour éviter d'endommager l'équipement en raison de la surpression et de la température élevée, de sorte que la vanne de dérivation de la turbine s'ouvre immédiatement pour maintenir le débit dans le système.

Pendant son fonctionnement, une turbine utilise de la vapeur pour effectuer un travail, réduisant la température et la pression de la vapeur de sortie. Lorsqu'une vanne de dérivation de turbine s'ouvre, elle fait chuter la pression, mais la vapeur de sortie restera assez surchauffée, détruisant potentiellement les équipements en aval. Pour éviter cette situation, les vannes de dérivation de turbine intègrent soit un système d'injection d'eau dans le corps de vanne, soit utilisent un désurchauffeur d'injection d'eau séparé juste en aval, dans les deux cas pour abaisser la température de sortie de la vapeur.

En conséquence, les vannes de dérivation des turbines sont confrontées à une tempête parfaite de conditions de service sévères. Pendant le fonctionnement de l'usine, ces vannes doivent rester hermétiquement fermées pour éviter le gaspillage d'énergie. Lorsqu'un déclenchement de turbine se produit, les vannes de dérivation doivent réagir immédiatement, les exposant à des changements rapides de température et les obligeant à passer des débits très élevés à des chutes de pression élevées, créant un bruit élevé et des vibrations potentiellement extrêmes.

Compte tenu du service punitif, la réalité est que pratiquement toutes les soupapes de dérivation de turbine finiront par tomber en panne d'une manière ou d'une autre. Malheureusement, bon nombre de ces vannes sont installées dans des endroits difficiles d'accès, sont généralement soudées en place et ont tendance à être fortement isolées. En conséquence, ils sont souvent ignorés jusqu'à ce que les problèmes commencent à faire surface. Une fuite de vapeur à travers la vanne est généralement le premier symptôme remarqué, mais des dommages beaucoup plus importants et potentiellement dangereux peuvent survenir.

Les chutes de pression extrêmes génèrent invariablement un bruit élevé et de fortes vibrations. Au fil du temps, ces vibrations, associées à de fréquents changements de température, fatiguent le métal de la vanne, les raccords d'eau et la tuyauterie elle-même (Figure 2). Une telle fatigue du métal peut entraîner une défaillance catastrophique sous pression.

2. Au fil du temps, les fortes vibrations et les chocs thermiques subis par les soupapes de dérivation de la turbine fatigueront le métal et créeront des fissures à la fois dans la soupape elle-même et dans la tuyauterie environnante. Avec l'aimable autorisation d'Emerson

Pour éviter ce problème, chaque vanne de dérivation de turbine et sa tuyauterie associée doivent être régulièrement inspectées. Un certain type d'examen non destructif doit être utilisé périodiquement pour détecter les problèmes de fatigue du métal qui peuvent se développer mais qui ne sont pas encore visuellement apparents. Si une usine n'a pas les connaissances ou l'équipement nécessaires pour effectuer ces inspections, le fournisseur de vannes ou son représentant autorisé peut être utilisé pour effectuer des services de vérification de l'état de la dérivation de la turbine (Figure 3).

3. Une vérification de routine de l'état de la soupape de dérivation de la turbine et une inspection complète sont fortement recommandées. La fatigue du métal peut se développer dans diverses soudures situées sur la vanne elle-même et dans les conduites d'entrée, de sortie et d'alimentation en eau (zones encerclées). Avec l'aimable autorisation d'Emerson

Les soudures de fabrication sur le corps et le collecteur d'eau, les soudures de connexion client, les soudures de diffuseur et la tuyauterie environnante peuvent être inspectées pour identifier tout problème en développement avant que l'équipement ne soit compromis. Les buses d'injection d'eau et les désurchauffeurs doivent être inspectés et entretenus de manière appropriée pour éviter les problèmes liés à la trempe et à la fissuration.

Il existe également des menaces pour les composants de garniture, telles que l'érosion de la surface du siège. Une expression courante d'une telle érosion, spécifiquement sur le bouchon, est souvent appelée « denture d'engrenage ». Cela se produit plus fréquemment dans les vannes à débit descendant, où la vapeur accélère à travers les trous de la cage, puis frappe directement la zone de garniture/siège, provoquant une usure excessive et réduisant la durée de vie. Au fil du temps, cette vapeur à grande vitesse, qui peut contenir de l'eau pendant les conditions de démarrage et de la magnétite dans n'importe quelle condition, érodera et endommagera le siège et les éléments internes de la vanne (Figure 4).

4. Les conceptions de corps de vanne à écoulement descendant sont susceptibles d'être endommagées lorsque la vapeur humide et érosive traverse la cage et impacte le siège. Avec l'aimable autorisation d'Emerson

Les éléments d'entretien courants tels que les produits souples et les buses de pulvérisation peuvent généralement être remplacés relativement facilement et à un coût minime. Les composants de garniture qui doivent être remplacés en raison d'une forte usure, comme la denture des engrenages, peuvent être assez coûteux, surtout si leur livraison doit être accélérée. Le pire scénario pour une vanne de dérivation de turbine est la fatigue du métal se développant dans le corps de vanne ou le diffuseur, avec des procédures de réparation extrêmes, voire un remplacement complet de la vanne, requis.

De nombreuses vannes de dérivation de turbine actuellement en service ont été installées à l'apogée de la construction de centrales à cycle combiné de 1998 à 2004. La plupart de ces vannes et systèmes de tuyauterie montrent leur âge et présentent souvent des signes importants de fatigue du métal. D'autres ont encore beaucoup de vie mais pourraient bénéficier de mises à niveau technologiques. La technologie et les pratiques se sont améliorées, et la mise à niveau vers la dernière technologie d'étanchéité pourrait insuffler une nouvelle vie à la vanne.

Un autre exemple de mise à niveau technologique est lorsqu'il y a eu des pannes répétées avec un diffuseur soudé. Dans ce cas, un diffuseur de siège amovible deux en un réduira l'entretien requis.

Si une vanne de dérivation de turbine doit être remplacée, le personnel de l'usine est fortement encouragé à regarder au-delà d'un remplacement direct et à évaluer les améliorations potentielles. Un élément particulièrement important à prendre en compte lors de l'examen des opportunités de remplacement et d'amélioration est l'orientation de la valve.

Vannes à écoulement descendant avec actionneurs horizontaux. Historiquement, la plupart des vannes de dérivation de turbine utilisaient une conception de garniture à écoulement descendant associée à un actionneur horizontal (Figure 5, à gauche). Cet agencement est idéal pour les emplacements à faible hauteur libre, et il place l'actionneur plus près du pont ou du sol pour un accès facile, mais il crée un certain nombre de problèmes opérationnels à long terme. La gravité a tendance à entraîner une usure accrue et inégale des composants de garniture, et l'actionneur monté sur le côté est sujet à des problèmes de réponse.

5. Il y a quelques décennies, les vannes à écoulement descendant avec actionneurs horizontaux (à gauche) étaient la principale option pour les vannes de dérivation de turbine. De nouvelles conceptions de vannes de débit ascendant (à droite) peuvent être installées sans modification de la tuyauterie dans la plupart des cas, offrant une durée de vie prolongée et des performances améliorées. Avec l'aimable autorisation d'Emerson

Vannes à écoulement descendant avec actionneurs verticaux. Une option supérieure pour l'écoulement vers le bas est le montage vertical de l'actionneur. Cet agencement se traduit par une usure réduite et plus uniforme, des courses plus longues entre les arrêts de maintenance et une meilleure réponse de l'actionneur. Le défi avec cette orientation est que les opportunités de remplacement sont généralement pour les actionneurs montés horizontalement, et les deux conceptions ne sont pas facilement interchangeables sans modifications importantes de la tuyauterie.

Vannes de dérivation de turbine à écoulement ascendant . Lorsqu'un espace aérien suffisant est disponible avec les conceptions à écoulement descendant d'actionneur horizontal existantes, une conception à écoulement ascendant peut facilement répondre aux exigences existantes face à face de l'ancienne vanne, tout en réduisant une partie de l'usure commune aux conceptions à écoulement descendant avec un actionneur horizontal, comme la denture des engrenages. Étant donné que la garniture passe simplement du flux descendant au flux ascendant, ce changement peut être effectué sans modification de la tuyauterie existante.

Les vannes de débit ascendant (Figure 5, à droite) prolongent considérablement la durée de vie du siège et des éléments internes car la vapeur se déplace relativement lentement lorsqu'elle passe sur le clapet et le siège (Figure 6). Lorsque la vapeur se déplace à travers les petits trous de la cage, elle accélère considérablement, mais cette énergie se dissipe dans la grande cavité du corps de la vanne au lieu de frapper la surface du siège.

6. Les vannes à écoulement descendant soumettent le siège à une vapeur érosive à grande vitesse. Les vitesses de vapeur circulant vers le haut sont beaucoup plus faibles car elles passent au-dessus du siège et accélèrent plus tard lorsque la vapeur se déplace à travers les petits trous de garniture, prolongeant considérablement la durée de vie de la garniture. Avec l'aimable autorisation d'Emerson

Remarquez comment la garniture d'écoulement vers le haut (Figure 7) montre certainement de l'érosion, mais par rapport à la garniture d'écoulement vers le bas illustrée ci-dessus (Figure 4 à droite), la surface d'appui sur le siège et le clapet reste relativement intacte, permettant à la vanne de se fermer. complètement, le mode requis en fonctionnement normal.

7. Ces images de la garniture d'écoulement ascendant montrent clairement l'impact érosif de la vapeur à grande vitesse, mais contrairement aux dommages de la garniture d'écoulement descendant montrés précédemment, cette vanne n'a aucun dommage à la surface du siège et peut toujours se fermer hermétiquement. Avec l'aimable autorisation d'Emerson

La conception de type vanne à débit ascendant offre toujours la même réactivité de contrôle et la même capacité de débit, mais le nouvel agencement de débit prolonge considérablement la durée de vie des joints, du siège et des composants internes de la vanne.

Les vannes de dérivation de turbine sont des pièces d'équipement hautement spécialisées qui doivent être soigneusement spécifiées, installées et entretenues. Il est donc sage d'être proactif en contactant des experts de confiance avant l'achat, car ils peuvent vous aider avec le dimensionnement et les spécifications des vannes en fonction de conditions de fonctionnement spécifiques.

Pour les installations existantes où des défaillances imprévues des vannes de dérivation de la turbine perturbent votre installation, ou si cela fait un certain temps que les vannes de dérivation de la turbine de l'usine n'ont pas été entièrement inspectées, il serait sage de consulter votre fournisseur de vannes de dérivation de la turbine pour obtenir de l'aide et de l'assistance.

Bon nombre de ces fournisseurs proposent des services d'inspection et de bilan de santé complets pour identifier les zones où la fatigue du métal et la fissuration sous contrainte se développent. Idéalement, la vanne peut être réparée, mais si un remplacement de vanne est justifié, le fournisseur peut également fournir des conseils pour évaluer les styles de conception de vanne de dérivation et choisir la meilleure option pour l'application spécifique.

—Chris roulantest ingénieur produit au sein du Steam Conditioning Group chez Emerson.

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