Dimenzování a výběr pojistných ventilů: technický průvodce normami API

Tlakový pojistný ventil je poslední obrannou linií proti přetlaku v tlakových nádobách a potrubních systémech. Norma API 520 (část I a část II) upravuje dimenzování, výběr a instalaci zařízení pro uvolňování tlaku v petrochemickém rafinérském průmyslu a souvisejících odvětvích. Norma API 521 stanovuje inženýrskou metodiku pro identifikaci scénářů přetlaku a návrh systémů pro uvolňování tlaku. Norma API 526 standardizuje průtočné plochy, rozměry a tlakové třídy přírubových ocelových tlakových pojistných ventilů. Tento článek, určený pro inženýry a odborníky na zakázky, shrnuje zásady volby nastavovacího tlaku, logiku výběru ventilu a metodu výpočtu propustnosti pro uvolňování tlaku.

Obr. 1 Řez běžným pružinovým ventilem bezpečnostní ventil — sedlo, kotouč a pružinový soubor

1. Zařízení vyžadující ochranu proti přetlaku

API 521 vyžaduje ochranu proti přetlaku pro tlakové nádoby, výměníky tepla, ohřívače se spalováním a jakékoli úseky potrubí, které mohou být uzavřeny v důsledku tepelné roztažnosti nebo kolísání tlaku v horním toku.

Princip skupinové ochrany: pojistný ventil chrání skupinu zařízení – tedy zařízení mezi dvěma uzavíracími ventily, která jsou vystavena stejnému zdroji přetlaku – nikoli každou nádobu zvlášť. Je třeba vyhodnotit následující scénáře přetlaku:

• Uzavřený výstup – uzavření dolního uzavíracího ventilu, které ucpává systém za podmínky přetlaku;
• Vnější tepelný příkon za požárních podmínek;
• Nekontrolovatelná chemická reakce nebo tepelná roztažnost obsahovaného prostředí;
• Výpadek pomocných prostředků (chlazení vodou, elektrický proud nebo řídící vzduch);
• Přetlaková chyba způsobená poruchou regulátoru tlaku v horním toku.

V závodě na výrobu sírové kyseliny jsou konvertor, vyrovnávací nádoba na výstupu SO₂ ventilátoru, párový kolektor a parní bublinový kotel pro odpadní teplo středního tlaku klíčovými prvky, které je třeba chránit.

2. Klíčová kritéria výběru

Typ uzavíracího prvku: pružinový bezpečnostní ventil je nejrozšířenějším typem. Norma API 526 definuje čtrnáct standardních označení průtokových otvorů písmeny od D do T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), která pokrývají celý rozsah běžných požadavků na propouštěcí kapacitu. Pokud přetlak za uzavíracím prvkem překročí 10 % nastaveného tlaku, je třeba zvolit uzavírací prvek s vyváženým kovovým měchýřem. Uzavírací prvky řízené pilotním tlakem umožňují vyšší a proměnnější přetlak za uzavíracím prvkem a jsou vhodné pro čisté provozy s vysokým rozdílem tlaků (ΔP).

Nastavený tlak: podle ASME Oddíl VIII a API 520 je u případů bez ohně maximální propouštěný tlak 110 % návrhového tlaku (10 % přeplnění). U případů s ohněm je povolen tlak 121 % (21 % přetlaku).

Kontrola protitlaku: U běžné pružinové uzávěrky způsobuje protitlak vyšší než 10 % nastaveného tlaku snížení zdvihu a výtokové kapacity. U vyvážené uzávěrky s kovovým měchýřem je efektivní plocha měchýře rovná ploše sedla, čímž se eliminuje vliv protitlaku na nastavený tlak.

Obr. 2 Řez pružinovou uzávěrkou bezpečnostní ventil — s montáží měchýře

3. Vypouštěcí kapacita a rozměrování otvoru

Plocha krčku trysky musí být navržena tak, aby zajišťovala maximální vypouštěcí průtok za abnormálních podmínek. Norma API 520 Část I uvádí metody pro rozměrování pro plyny / páry, kapaliny a dvoufázové proudění.

Provoz s plyny / párami (kritické proudění):

A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)

kde:

• A — požadovaná účinná vypouštěcí plocha;
• W — hmotnostní vypouštěcí průtok (kg/h);
• C — plynový koeficient, funkce poměru měrných tepel k;
• Kd — účinný součinitel průtoku (0,975 pro plyn/páru podle API 520);
• P1 — tlak uvolnění, absolutní;
• Kb — součinitel opravy zpětného tlaku;
• T — teplota uvolnění (K);
• Z — součinitel stlačitelnosti;
• M — molekulová hmotnost média.

Poznámky k výpočtu: každý neobvyklý zdroj musí být identifikován samostatně. U odpadního tepelného kotle například musí být průtok uvolnění roven maximálnímu výkonu páry plus dodatečnému odpařování způsobenému teplem z požáru; jinak bude průtokový otvor nedimenzovaný a ochrana selže.

Cíl vypouštění: API 521 vyžaduje, aby hořlavá a toxická média byla vedena do plamenového zařízení (flare) nebo uzavřeného sběrného systému. Scénáře uvolnění, které představují riziko exploze párového mraku, je nutno řešit pomocí plamenového zařízení (flare), nízkotlakového systému, HIPS nebo přepracováním konstrukce.

4. Požadavky na instalaci a potrubí

Přívodní potrubí: API 520 Část II vyžaduje, aby byl pojistný ventil umístěn co nejblíže chráněnému zařízení a tlaková ztráta v přívodním potrubí nesměla překročit 3 % nastaveného tlaku (tzv. „pravidlo 3 %“). Nadměrná ztráta způsobuje chvění nebo zpožděné otevření.

Výstupní potrubí: výstupní potrubí nesmí být podepřeno tělesem ventilu; vyžaduje nezávislé podepření a musí umožňovat tepelnou roztažnost. Výtoková trubka musí být uspořádána tak, aby umožňovala odvod kondenzátu gravitační cestou, čímž se zabrání hromadění kondenzátu, který by mohl ovlivnit protitlak.

Více ventilů na společném sběrném potrubí: pokud několik pojistných ventilů vypouští do společného sběrného potrubí, je nutné vyhodnotit kumulativní protitlak ve sběrném potrubí vliv na zdvihový výkon každého ventilu.

5. Případ z praxe

Recyklační nádrž pro 98,5% H₂SO₄ v závodě na výrobu sírové kyseliny byla navržena jako „atmosférická nádrž“ a nebyla vybavena pojistným ventilem. Během uvádění do provozu unikl párový izolační ventil, teplota kyseliny v nádrži stoupla a pára se začala hromadit. Tlak krátce vzrostl na 0,04 MPa, čímž byla vyfouknuta těsnicí podložka otvoru pro obsluhu na střeše nádrže a sírová kyselina unikla.

Následně byla podle požadavků API 2000 na větrání atmosférických a nízkotlakých skladovacích nádrží instalována kombinovaná sestava dýchacího a pojistného ventilu se nastaveným tlakem 0,03 MPa a propustností pojistného ventilu dimenzovanou pro maximální rychlost tvorby páry.

Klíčový bod: atmosférický návrh neznamená, že přetlak nemůže nikdy vzniknout. Při analýze scénářů přetlaku je nutno zohlednit zahřívání, chemické reakce i chybné ovládání.

Závěr

Inženýrská logika pro pojistné ventily lze shrnout takto: ventily se konfigurují podle zdroje přetlaku (skupinová ochrana), průtokový otvor se dimenzuje pro abnormální průtok, typ ventilu se vybírá podle protitlaku a média a tlakové ztráty na vstupu se řídí pravidlem 3 %. Rámec API 520/521/526 poskytuje kompletní řetězec od identifikace scénáře a dimenzování až po ověření instalace. Následující článek se bude zabývat trhacími deskami a jejich kombinovaným použitím s pojistnými ventily.

Odkazy

API 520 Část I / Část II – Dimenzování, výběr a instalace tlakových pojistných zařízení, American Petroleum Institute (API).

API 521 – Tlakové pojistné a depreseční systémy, American Petroleum Institute (API).

API 526 – Přírubové ocelové tlakové pojistné ventily, American Petroleum Institute (API).

API 2000 – Větrání atmosférických a nízkotlakých zásobníků, American Petroleum Institute (API).

ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1 — maximální akumulace 10 % pro případy bez požáru a 21 % pro případy s požárem.

Shanghai Xiazhao Valve — řešení pro pojistné ventily a speciální ventily. Pro podporu výběru dle standardu API nebo technické dotazy se obraťte na náš inženýrský tým.