EN
Μια βαλβίδα απελευθέρωσης πίεσης αποτελεί την τελευταία γραμμή άμυνας κατά της υπερπίεσης σε δοχεία υπό πίεση και συστήματα σωληνώσεων. Το πρότυπο API 520 (Μέρος Ι και Μέρος ΙΙ) διέπει τη διαστασιολόγηση, την επιλογή και την εγκατάσταση συσκευών απελευθέρωσης πίεσης στις βιομηχανίες πετρελαϊκής διύλισης και συναφείς. Το API 521 παρέχει τη μηχανική μεθοδολογία για τον εντοπισμό σεναρίων υπερπίεσης και τον σχεδιασμό συστημάτων απελευθέρωσης. Το API 526 τυποποιεί τις επιφάνειες οπών, τις διαστάσεις και τις κατηγορίες πίεσης βαλβίδων απελευθέρωσης πίεσης από χάλυβα με φλάντζες. Αυτό το άρθρο, που απευθύνεται σε μηχανικούς και επαγγελματίες της προμήθειας, συνοψίζει τις αρχές επιλογής της ρυθμιζόμενης πίεσης, τη λογική επιλογής της βαλβίδας και τη μέθοδο υπολογισμού της ικανότητας απελευθέρωσης.
Σχ. 1 Τομή συμβατικής βαλβίδας με ελατήριο ασφαλείας φρένο — σύνολο καθίσματος, δίσκου και ελατηρίου
1. Εξοπλισμός που απαιτεί προστασία από υπερπίεση
Το API 521 απαιτεί προστασία από υπερπίεση για δοχεία υπό πίεση, εναλλάκτες θερμότητας, θερμαντικές συσκευές με καύσιμο και οποιαδήποτε τμήματα αγωγών που μπορούν να αποκλειστούν λόγω θερμικής διαστολής ή διακυμάνσεων της πίεσης στην πλευρά εισόδου.
Αρχή της ομαδικής προστασίας: μια βαλβίδα ασφαλείας προστατεύει μια ομάδα εξοπλισμού — δηλαδή τον εξοπλισμό που βρίσκεται μεταξύ δύο βαλβίδων απομόνωσης και υφίσταται την ίδια πηγή υπερπίεσης — αντί να προστατεύει κάθε δοχείο ξεχωριστά. Πρέπει να αξιολογηθούν τα ακόλουθα σενάρια υπερπίεσης:
- Αποκλεισμός εξόδου — κλείσιμο βαλβίδας απομόνωσης στην πλευρά εξόδου που προκαλεί εγκλωβισμό του συστήματος υπό υπερπίεση·
- Εξωτερική θερμική είσοδος σε περίπτωση πυρκαγιάς·
- Ανεξέλεγκτη χημική αντίδραση ή θερμική διαστολή του περιεχόμενου μέσου·
- Απώλεια υπηρεσιών (ψυκτικό νερό, ηλεκτρική ενέργεια ή αέρας οργάνων)·
- Υπερπίεση λόγω αστοχίας βαλβίδας ελέγχου πίεσης στην πλευρά εισόδου.
Σε μια εγκατάσταση θειικού οξέος, ο μετατροπέας, η δεξαμενή αποθήκευσης στην έξοδο του ανεμιστήρα SO₂, η κεφαλή ατμού και ο ατμοθάλαμος του λέβητα ανάκτησης θερμότητας μεσαίας πίεσης είναι τα βασικά στοιχεία που απαιτούν προστασία.
2. Κύρια κριτήρια επιλογής
Τύπος βαλβίδας: η ελατηριωτή ασφαλείας φρένο είναι ο πιο διαδεδομένος τύπος. Η προδιαγραφή API 526 ορίζει δεκατέσσερις τυποποιημένες ονομασίες οπών (από D έως T: D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), καλύπτοντας το πλήρες φάσμα των συνηθισμένων απαιτήσεων για ρυθμό απελευθέρωσης. Όταν η αντίσταση στην έξοδο υπερβαίνει το 10% της ρυθμισμένης πίεσης, πρέπει να επιλεγεί βαλβίδα με ισορροπημένο κουδούνι. Οι βαλβίδες με πιλότο είναι κατάλληλες για υψηλότερες και πιο μεταβλητές αντιστάσεις στην έξοδο και προσαρμόζονται σε καθαρές εφαρμογές με υψηλή διαφορά πίεσης (high-ΔP).
Ρυθμισμένη πίεση: Σύμφωνα με το ASME Section VIII και το API 520, για περιπτώσεις χωρίς πυρκαγιά, η μέγιστη πίεση απελευθέρωσης είναι το 110% της σχεδιαστικής πίεσης (10% συσσώρευση). Για περιπτώσεις πυρκαγιάς, επιτρέπεται το 121% (21% υπερπίεση).
Έλεγχος αντίστασης: για μια συμβατική βαλβίδα με ελατήριο, μια αντίσταση πίσω από τη βαλβίδα που υπερβαίνει το 10% της ρυθμιζόμενης πίεσης μειώνει το άνοιγμα και την ικανότητα αποφόρτισης. Μια ισορροπημένη βαλβίδα με φυσαρμόνικο χρησιμοποιεί ένα φυσαρμόνικο του οποίου η αποτελεσματική επιφάνεια ισούται με την επιφάνεια του καθίσματος, εξουδετερώνοντας έτσι την επίδραση της αντίστασης πίσω από τη βαλβίδα στη ρυθμιζόμενη πίεση.
Σχ. 2 Τομή βαλβίδας με ελατήριο ασφαλείας φρένο — με σύνολο φυσαρμόνικου
3. Ικανότητα αποφόρτισης και διαστασιολόγηση οπής
Η επιφάνεια του λαιμού του ακροφυσίου πρέπει να διαστασιολογηθεί για το μέγιστο ρυθμό αποφόρτισης κατά τη διάρκεια της ανώμαλης κατάστασης. Το API 520 Μέρος Ι παρέχει τις μεθόδους διαστασιολόγησης για ροή αερίου/ατμού, υγρού και διφασικής ροής.
Εφαρμογή με αέριο/ατμό (κρίσιμη ροή):
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
όπου:
- A — απαιτούμενη αποτελεσματική επιφάνεια αποφόρτισης;
- W — ρυθμός αποφόρτισης μάζας (kg/h);
- C — συντελεστής αερίου, συνάρτηση του λόγου ειδικών θερμοτήτων k;
- Kd — αποτελεσματικός συντελεστής εκροής (0,975 για αέριο/ατμό σύμφωνα με το API 520);
- P1 — πίεση εκροής, απόλυτη;
- Kb — συντελεστής διόρθωσης για αντίσταση στην έξοδο;
- T — θερμοκρασία εκροής (K);
- Z — συντελεστής συμπιεστότητας;
- M — μοριακό βάρος του μέσου.
Σημειώσεις υπολογισμού: κάθε ατυχές αίτιο πρέπει να αναγνωρίζεται ξεχωριστά. Για έναν λέβητα ανάκτησης θερμότητας από απόβλητα, για παράδειγμα, ο ρυθμός εκροής πρέπει να περιλαμβάνει τη μέγιστη παραγωγή ατμού συν την επιπλέον εξάτμιση που προκαλείται από τη θερμότητα της φλόγας· διαφορετικά, η διάτρηση θα είναι υπερβολικά μικρή και η προστασία θα αποτύχει.
Προορισμός της εκροής: το API 521 απαιτεί τα εύφλεκτα και τοξικά μέσα να οδηγούνται σε φλόγα ή σε κλειστό σύστημα συλλογής. Οι καταστάσεις εκροής που ενέχουν κίνδυνο έκρηξης ατμού-ομίχλης πρέπει να αντιμετωπίζονται μέσω φλόγας, συστήματος χαμηλής πίεσης, HIPS ή επανασχεδιασμού.
4. Απαιτήσεις εγκατάστασης και σωληνώσεων
Σωληνώσεις εισόδου: Το Πρότυπο API 520 Μέρος II απαιτεί την εγκατάσταση της βαλβίδας ασφαλείας όσο το δυνατόν πιο κοντά στον εξοπλισμό που προστατεύεται, ενώ η απώλεια πίεσης στη σωλήνωση εισόδου δεν πρέπει να υπερβαίνει το 3 % της ρυθμιζόμενης πίεσης («κανόνας του 3 %»). Υπερβολική απώλεια προκαλεί δονήσεις (chattering) ή καθυστέρηση στο άνοιγμα.
Σωληνώσεις εξόδου: Η σωλήνωση εξόδου δεν πρέπει να στηρίζεται στο σώμα της βαλβίδας· απαιτείται ανεξάρτητη στήριξη και πρέπει να επιτρέπει τη θερμική διαστολή. Η γραμμή εκκένωσης πρέπει να διατάσσεται έτσι ώστε να επιτυγχάνεται αποστράγγιση με βαρύτητα, προκειμένου να αποφευχθεί η συσσώρευση συμπυκνώματος που θα επηρέαζε την πίεση εξόδου.
Πολλαπλές βαλβίδες σε κοινή συλλέκτρια γραμμή: Όταν πολλές βαλβίδες ασφαλείας εκκενώνουν σε μία κοινή συλλέκτρια γραμμή, πρέπει να αξιολογείται η συσσωρευμένη πίεση εξόδου στη συλλέκτρια όσον αφορά την απόδοση ανύψωσης (lift performance) κάθε βαλβίδας.
5. Μελέτη περίπτωσης από το πεδίο
Μια δεξαμενή ανακύκλωσης H₂SO₄ με συγκέντρωση 98,5 % σε εργοστάσιο θειικού οξέος σχεδιάστηκε ως «δεξαμενή ατμόσφαιρας» και δεν είχε εφοδιαστεί με βαλβίδα ασφαλείας. Κατά την εκκίνηση, η βαλβίδα θερμαντικής παροχής ατμού διέρρεε, η θερμοκρασία του οξέος στη δεξαμενή ανέβηκε και συσσωρεύτηκε ατμός. Η πίεση ανέβηκε προσωρινά σε 0,04 MPa, προκαλώντας την εκτόνωση της επιστομίδας στην οροφή της δεξαμενής και τη διαρροή θειικού οξέος.
Αργότερα, σύμφωνα με τις απαιτήσεις εξαερισμού API 2000 για δεξαμενές αποθήκευσης ατμόσφαιρας και χαμηλής πίεσης, εγκαταστάθηκε συνδυασμένη μονάδα βαλβίδας αναπνοής και βαλβίδας ασφαλείας, με ρυθμισμένη πίεση 0,03 MPa και ικανότητα απελευθέρωσης πίεσης προσαρμοσμένη στο μέγιστο ρυθμό παραγωγής ατμού.
Βασικό σημείο: ένα σχέδιο ατμόσφαιρας δεν σημαίνει ότι η υπερπίεση δεν μπορεί ποτέ να συμβεί. Η θέρμανση, οι χημικές αντιδράσεις και οι λάθος χειρισμοί πρέπει όλες να συμπεριληφθούν στην ανάλυση σεναρίων υπερπίεσης.
Συμπέρασμα
Η μηχανική λογική για τις βαλβίδες ασφαλείας μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: εγκατάσταση βαλβίδων βάσει της πηγής υπερπίεσης (προστασία ομάδας), διαστασιολόγηση της οπής για την ανώμαλη ροή, επιλογή του τύπου βαλβίδας βάσει της πίεσης επιστροφής και του μέσου, και έλεγχος της απώλειας πίεσης στην είσοδο ώστε να τηρείται ο κανόνας του 3%. Το πλαίσιο API 520/521/526 παρέχει μια πλήρη αλυσίδα, από την αναγνώριση σεναρίων και τη διαστασιολόγηση μέχρι την επαλήθευση της εγκατάστασης. Ένα επόμενο άρθρο θα αναφερθεί στους δίσκους θραύσης και στη συνδυασμένη τους χρήση με βαλβίδες ασφαλείας.
Αναφορές
API 520 Μέρος Ι / Μέρος ΙΙ — Διαστασιολόγηση, Επιλογή και Εγκατάσταση Συσκευών Απελευθέρωσης Πίεσης, American Petroleum Institute (API).
API 521 — Συστήματα Απελευθέρωσης και Αποπίεσης, American Petroleum Institute (API).
API 526 — Φλανζαρισμένες Χαλύβδινες Βαλβίδες Ασφαλείας, American Petroleum Institute (API).
API 2000 — Αερισμός Ατμοσφαιρικών και Χαμηλής Πίεσης Δεξαμενών Αποθήκευσης, American Petroleum Institute (API).
Κώδικας Λέβητων και Δοχείων Υπό Πίεση της ASME, Τμήμα VIII, Διαίρεση 1 — μέγιστη συσσώρευση 10% για μη πυρκαγιακές περιπτώσεις και 21% για πυρκαγιακές περιπτώσεις.
Shanghai Xiazhao Valve — βαλβίδες ασφαλείας πίεσης και ειδικές λύσεις βαλβίδων. Για υποστήριξη επιλογής σύμφωνα με το πρότυπο API ή τεχνικά ερωτήματα, επικοινωνήστε με τη μηχανική ομάδα μας.
