Auslegung und Auswahl von Sicherheitsventilen: Ein technischer Leitfaden nach API-Normen

Ein Druckentlastungsventil ist die letzte Verteidigungslinie gegen Überdruck in Druckbehältern und Rohrleitungssystemen. API 520 (Teil I und Teil II) regelt die Auslegung, Auswahl und Installation von Druckentlastungseinrichtungen in der Erdölraffination und verwandten Industrien. API 521 liefert die ingenieurtechnische Methodik zur Identifizierung von Überdruckszenarien und zur Konstruktion von Entlastungssystemen. API 526 standardisiert die Öffnungsquerschnitte, Abmessungen und Druckstufen von flanschverbundenen Stahl-Druckentlastungsventilen. Dieser Artikel richtet sich an Ingenieure und Einkaufsfachleute und fasst die Grundsätze der Einstell-Druckauswahl, die Logik der Ventilauswahl sowie die Methode zur Berechnung der Entlastungskapazität zusammen.

Abb. 1 Schnittzeichnung eines herkömmlichen federbelasteten Ventils sicherheitsventil — Sitz-, Scheiben- und Federanordnung

1. Ausrüstung, die einen Überdruckschutz erfordert

API 521 verlangt einen Überdruckschutz für Druckbehälter, Wärmeaustauscher, befeuerte Heizungen sowie alle Rohrleitungsabschnitte, die durch thermische Ausdehnung oder Druckschwankungen stromaufwärts abgesperrt werden können.

Gruppenschutzprinzip: Ein Sicherheitsventil schützt eine Gruppe von Geräten – also jene zwischen zwei Absperreinrichtungen, die derselben Überdruckquelle ausgesetzt sind – statt jedes Behälters einzeln. Folgende Überdruckszenarien müssen bewertet werden:

• Abgesperrter Auslass – Schließen eines stromabwärtigen Absperrelements, das das System unter Überdruck einschließt;
• Externe Wärmezufuhr bei Brandbedingungen;
• Ungesteuerte chemische Reaktion oder thermische Ausdehnung des eingeschlossenen Mediums;
• Ausfall von Versorgungseinrichtungen (Kühlwasser, elektrische Energie oder Messluft);
• Drucküberschreitung infolge eines Ausfalls eines stromaufwärtigen Druckregelventils.

In einer Schwefelsäureanlage sind der Konverter, der Austragspufferbehälter des SO₂-Gebläses, der Dampfsammelrohr und die Dampftrommel des Zwischendruck-Abwärme-Dampfkessels die wichtigsten zu schützenden Komponenten.

2. Wichtige Auswahlkriterien

Ventilart: das federbelastete sicherheitsventil ist die am weitesten verbreitete Ventilart. API 526 definiert vierzehn Standard-Öffnungsgrößen mit Buchstaben von D bis T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), die das gesamte Spektrum üblicher Entlastungskapazitätsanforderungen abdecken. Wenn der Gegendruck mehr als 10 % des Einstelldrucks beträgt, ist ein ausgewogenes Faltenbalg-Ventil zu wählen. Druckgesteuerte Ventile können höhere und stärker schwankende Gegendrücke bewältigen und eignen sich für saubere Dienste mit hohem ΔP.

Einstelldruck: Gemäß ASME Section VIII und API 520 beträgt der maximale Entlastungsdruck bei Nicht-Brand-Fällen 110 % des Auslegungsdrucks (10 % Überdruck). Bei Brand-Fällen ist ein Wert von 121 % (21 % Überdruck) zulässig.

Gegendruckprüfung: Bei einem herkömmlichen federbelasteten Ventil verschlechtert ein Gegendruck über 10 % des Einstellungsdrucks den Hub und die Abblasleistung. Ein balanciertes Balgventil verwendet einen Balg, dessen wirksame Fläche der Sitzfläche entspricht, wodurch der Einfluss des Gegendrucks auf den Einstellungsdruck eliminiert wird.

Abb. 2 Schnittansicht eines federbelasteten sicherheitsventil — mit Balgbaugruppe

3. Abblasleistung und Düsenbemessung

Der Düsenhalsquerschnitt muss für die maximale Entlastungsrate unter abnormalen Bedingungen bemessen werden. API 520 Teil I enthält die Bemessungsmethoden für Gas/Dampf, Flüssigkeit und Zweiphasenströmung.

Gas/Dampf-Betrieb (kritische Strömung):

A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)

wo:

• A — erforderliche wirksame Abblasfläche;
• W — Massenentlastungsrate (kg/h);
• C — Gasbeiwert, eine Funktion des spezifischen Wärmeverhältnisses k;
• Kd — wirksamer Auslasskoeffizient (0,975 für Gas/Dampf gemäß API 520);
• P1 — Entlastungsdruck, absolut;
• Kb — Korrekturfaktor für Gegendruck;
• T — Entlastungstemperatur (K);
• Z — Kompressibilitätsfaktor;
• M — Molmasse des Mediums.

Berechnungshinweise: Jede ungewöhnliche Quelle ist einzeln zu identifizieren. Bei einem Abhitzekessel beispielsweise muss die Entlastungsrate die maximale Dampferzeugung sowie die zusätzliche Verdampfung durch Wärmezufuhr aus Feuer umfassen; andernfalls wird die Öffnung zu klein ausgelegt und der Schutz versagt.

Ableitungsort: API 521 verlangt, dass entzündliche und giftige Medien an eine Fackel oder ein geschlossenes Sammelsystem geleitet werden. Entlastungsszenarien, die ein Risiko einer Dampfwolkenexplosion darstellen, sind mittels Fackel, eines Niederdrucksystems, eines HIPS oder einer Neugestaltung zu behandeln.

4. Einbau- und Rohrleitungsanforderungen

Einlassrohrleitung: API 520 Teil II verlangt, dass das Sicherheitsventil so nahe wie möglich an der zu schützenden Anlage angeordnet wird; der Druckverlust in der Einlassrohrleitung darf 3 % des Einstelldrucks nicht überschreiten (die sogenannte „3-%-Regel“). Ein zu hoher Verlust führt zu Klopfen (Chattering) oder verzögertem Öffnen.

Auslassrohrleitung: Die Auslassrohrleitung darf nicht vom Ventilgehäuse getragen werden; sie erfordert eine eigenständige Abstützung und muss thermische Dehnung zulassen. Die Ablaufleitung ist so zu verlegen, dass Schwerkraftentwässerung gewährleistet ist, um eine Ansammlung von Kondensat zu vermeiden, die den Gegendruck beeinträchtigen könnte.

Mehrere Ventile an einer gemeinsamen Sammelleitung: Wenn mehrere Sicherheitsventile in eine gemeinsame Sammelleitung entlasten, muss der sich kumulierende Gegendruck in der Sammelleitung hinsichtlich der Hubleistung jedes einzelnen Ventils bewertet werden.

5. Praxisbeispiel aus dem Feld

Ein 98,5-prozentiger H₂SO₄-Recycletank in einer Schwefelsäureanlage wurde als „atmosphärischer Tank“ ausgelegt und mit keinem Sicherheitsventil ausgestattet. Während des Anfahrens trat Dampf durch das Dampfheizungsventil aus, die Säuretemperatur im Tank stieg an und Dampf sammelte sich. Der Druck stieg kurzfristig auf 0,04 MPa an, wodurch die Mannlochdichtung auf dem Tankdeckel herausgedrückt wurde und Schwefelsäure austrat.

Anschließend wurde gemäß den API-2000-Entlüftungsanforderungen für atmosphärische und niedrigdruckbelastete Lagertanks eine kombinierte Atem- und Sicherheitsventilanordnung installiert, mit einem Ansprechdruck von 0,03 MPa und einer Entlastungskapazität, die für die maximale Dampferzeugungsrate dimensioniert ist.

Schlüsselpunkt: Eine atmosphärische Auslegung bedeutet nicht, dass ein Überdruck niemals auftreten kann. Erwärmung, chemische Reaktionen und Fehlbedienung müssen sämtlich in der Überdruckszenario-Analyse berücksichtigt werden.

Fazit

Die technische Logik für Sicherheitsventile lässt sich wie folgt zusammenfassen: Ventile nach der Ursache für Überdruck konfigurieren (Gruppenschutz), die Öffnungsfläche für den abnormalen Durchfluss dimensionieren, den Ventiltyp anhand des Gegendrucks und des Mediums auswählen und den Druckverlust am Einlass auf die 3-%-Regel begrenzen. Der API-520/521/526-Rahmen bietet eine vollständige Kette von der Szenario-Identifikation und Dimensionierung bis zur Verifizierung der Installation. Ein Folgeartikel wird sich mit Berstmembranen und deren kombinierter Anwendung mit Sicherheitsventilen befassen.

Referenzen

API 520 Teil I / Teil II — Dimensionierung, Auswahl und Installation von Druckentlastungseinrichtungen, American Petroleum Institute (API).

API 521 — Druckentlastungs- und Druckabbau-Systeme, American Petroleum Institute (API).

API 526 — Flansch-Stahl-Druckentlastungsventile, American Petroleum Institute (API).

API 2000 — Entlüftung von atmosphärischen und niedrigdruckbelasteten Lagertanks, American Petroleum Institute (API).

ASME-Kessel- und Druckbehälter-Norm, Abschnitt VIII, Abteilung 1 — maximale Überlastung von 10 % bei Nicht-Brand-Fällen und 21 % bei Brand-Fällen.

Shanghai Xiazhao Valve — Sicherheitsventil- und Spezialventillösungen. Für die Auswahl nach API-Norm oder technische Anfragen wenden Sie sich bitte an unser Ingenieurteam.