הנחיות הנדסיות של API לבחירת גודל וסוג שסתום בטיחות

שסתום שחרור לחץ מהווה את קו ההגנה האחרון נגד עליית לחץ יתר במיכלים הלחצים וברשתות הצינורות. תקן API 520 (חלק א' וחלק ב') קובע את הכללים לבחירת הגודל, הבחירה וההתקנה של מכשירי שחרור לחץ בתעשיית רתיחת הנפט ותחומים הקשורים לה. תקן API 521 מספק את השיטה ההנדסית לזיהוי מצבי לחץ יתר ולעיצוב מערכות שחרור. תקן API 526 מגדיר באופן אחיד את שטחי הפתחים, הממדים ודרגות הלחץ של שסתומי שחרור לחץ מפלדה עם פלנגות. מאמר זה, שנכתב מהנדסים ומקצועי קנייה, סוקר את עקרונות בחירת הלחץ שבו נפתח השסתום, הלוגיקה לבחירת סוג השסתום, ושיטת חישוב היכולת לשחרר.

תמונה 1: חתך של שסתום טיפוסי בעל קפיץ שסתום בטיחות — מושב, דיסק ומערכת קפיצים

1. ציוד שדורש הגנה מפני לחץ יתר

התקן API 521 דורשת הגנת לחץ יתר למכלי לחץ, מחליפים חום, מחממים מופעלים בדלק וכל קטעי הצינורות שיכולים להיפסלים עקב התפשטות תרמית או תנודות לחץ מהזרם העליון.

עקרון ההגנה הקבוצתית: שסתום ניקוז מגן על קבוצה של ציוד — כלומר על כל הציוד הנמצא בין שני שסתומי עיכוב והנמצא תחת אותו מקור לחץ יתר — ולא על כל מיכל בנפרד. יש לבדוק את סצנות הלחץ היתר הבאות:

• יציאה חסומה — סגירת שסתום עיכוב בזרם התחתון שגורמת לכידת המערכת תחת לחץ יתר;
• הטיה חיצונית של חום בתנאי שריפה;
• תגובה כימית לא מבוקרת או התפשטות תרמית של החומר הכלוא;
• איבוד שירותים (מים לקירור, חשמל או אוויר לבקרים);
• התגברות לחץ שנגרמת על ידי כשל בשסתום בקרת לחץ בזרם העליון.

במפעל חומצה גופרתית, הממיר, מיכל האיזון של פליטת המפוח ל־SO₂, רישום האדים והתוף של סיר אדי הפסולת בלחץ הביניים הם הפריטים המרכזיים שדורשים הגנה.

2. קריטריונים מרכזיים לבחירה

סוג השסתום: השסתום בעל הקפיץ שסתום בטיחות הוא הסוג הנפוץ ביותר. תקן API 526 מגדיר ארבעה עשר סימני פתח סטנדרטיים (מ־D עד T: D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), אשר מכסים את כל טווח דרישות היכולת להשתחרר הנפוצות. כאשר הלחצים האחוריים עולים על 10% מהלחץ המוגדר, יש לבחור בשסתום עם בלון מאוזן. שסתומים מנוהלים על־ידי פילוט יכולים לסבול לחצים אחוריים גבוהים יותר ושינויים גדולים בהם, ומתאימים לשירותים נקיים בעלי הפרש לחץ גבוה.

הלחץ המוגדר: לפי פרק VIII של ASME ו־API 520, במקרים שאינם קשורים לשריפה, הלחץ המרבי להשתחררות הוא 110% מהלחץ העיצובי (הצטברות של 10%). במקרים של שריפה, מותר 121% (עומס יתר של 21%).

בדיקת לחץ אחורי: עבור שסתום מסורתי בעל קפיץ, לחץ אחורי העולה על 10% מהלחץ המוגדר מפחית את הגובה של הפתיחה והקיבולת של הפליטה. שסתום מאוזן עם בלון משתמש בבלון ששטח הפעולה שלו שווה לשטח השרוול, ובכך מבטל את השפעת הלחץ האחורי על הלחץ המוגדר.

תרשים 2: חתך של שסתום עם קפיץ שסתום בטיחות — עם רכיב בלון

3. קיבולת הפליטה וקביעת גודל הפתח

שטח הצוואר של הזרקן חייב להיות מותאם לקצב הפליטה המרבי בתנאי חריגים. חלק I של תקן API 520 מציג שיטות לקביעת הגודל עבור זרימה של גז/אדים, נוזלים וזרימה דו-פאזית.

שימוש בגז/אדים (זרימה קריטית):

A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)

כאשר:‏

• A — שטח הפליטה האפקטיבי הנדרש;
• W — קצב הפליטה המוניתי (ק"ג/שעה);
• C — מקדם הגז, שהוא פונקציה של יחס החום הסגולי k;
• Kd — מקדם הזרימה האפקטיבי (0.975 לאדים/גז לפי API 520);
• P1 — לחץ השחרור, מוחלט;
• Kb — גורם התיקון ללחץ אחורי;
• T — טמפרטורת השחרור (קלווין);
• Z — גורם הלחיצות;
• M — המשקל המולקולרי של התווך.

הערות חישוב: יש לזהות כל מקור חריג בנפרד. למשל, במחמם שאריות, קצב השחרור חייב לכלול את ייצור האדים המרבי בתוספת אידוי נוסף הנגרם על ידי חום השריפה; אחרת, הקוטר יהיה קטן מדי והגנה תיכשל.

יעד הזריקה: API 521 דורשת שהחומר הדריך להצתה והחומר הרעיל יועברו לפלר או למערכת איסוף סגורה. תרחישים של שחרור שעלולים ליצור סיכון להתפוצצות ענן אדים חייבים להטופל באמצעות פלר, מערכת נמוכה ללחץ, HIPS או עיצוב מחדש.

4. דרישות התקנה וצינורות

צינור הכניסה: תקן API 520 חלק שני מחייב להתקין את שסתום ההשתחררות קרוב ככל האפשר לציוד המוגן, ואובדן הלחץ בצינור הכניסה לא חייב לעלות על 3% מהלחץ המכוון (הכלל של ה־3%). אובדן יתר גורם לרעידה או לפתיחת מאוחרת.

צינור היציאה: אסור לתמוך בצינור היציאה בגוף השסתום; יש לתמוך בו באופן עצמאי ולוודא שהוא מאפשר התפשטות תרמית. קווי הפליטה צריכים להיות מסודרים כך שיאפשרו ניקוז כבידתי כדי למנוע הצטברות של מים מưngשים שיכולה להשפיע על הלחץ האחורי.

מספר שסתומים על ראש משותף: כאשר מספר שסתומי השתחררות פולטים לאותו ראש משותף, יש להעריך את הלחץ האחורי המצטבר בראש המשותף על ביצוע הפתיחה של כל שסתום.

5. מקרה מעשי בשטח

מיכל מחזור של חומצה גופרתית בריכוז 98.5% במפעל חומצה גופרתית תוכנן כ"מיכל אטמוספירי" ולא צויד בשסתום ניקוז. במהלך ההפעלה הראשונית, שסתום התחממות באדים דלף, טמפרטורת החומצה במיכל עלתה והאדים הצטברו. הלחץ עלה לזמן קצר עד 0.04 מפ"א, מה שהוביל להתנתקות החבישה של פתח הנגיעה בקופסה העליונה של המיכל ויציאת החומצה הגופרתית.

לאחר מכן, בהתאם לדרישות הניקוז של API 2000 למיכלי אחסון אטמוספריים ולנמוך-לחץ, הותקן צירוף שסתום נשימה ושסתום ניקוז משולב, עם לחץ הגדרה של 0.03 מפ"א וקיבולת ניקוז מתוכננת עבור קצב הפקת האדים המרבי.

נקודה מפתח: תכנון אטמוספרי אינו אומר שמערכת לא יכולה להיחשף ללחצים מעורפלים. חימום, תגובות כימיות ותפעול שגוי חייבים להיות כלולים בניתוח סצנות הלחץ העודף.

סיכום

הלוגיקה ההנדסית לשלבי הלחיצה יכולה להיסכם כעולה על: הגדרת שסתומים לפי מקור הלחץ העודף (הגנה קבוצתית), קביעת גודל הפתח עבור זרימה לא תקינה, בחירת סוג השסתום בהתאם ללחץ האחורי ולתערובת, ופיקוח על אובדן הלחץ בכניסה לפי כלל ה-3%. מסגרת ה-API 520/521/526 מספקת שרשרת שלמה מהזיהוי של הסצנות וקביעת הגודל ועד לאימות ההתקנה. מאמר עוקב ידון בשסתומי פיצוץ והשימוש המשולב שלהם עם שסתומי לחיצה.

מקורות

API 520 חלק I / חלק II — קביעת גודל, בחירה והתקנה של ציוד לשחרור לחץ, המכון האמריקאי לתעשיית הנפט (API).

API 521 — מערכות לשחרור לחץ ולניפוץ, המכון האמריקאי לתעשיית הנפט (API).

API 526 — שסתומי שחרור לחץ מפלדה עם חיבורים מפרצים, המכון האמריקאי לתעשיית הנפט (API).

API 2000 — שחרור לחץ ממאגרים אטמוספריים וממאגרים נמוכי לחץ, המכון האמריקאי לתעשיית הנפט (API).

קוד ספקי הקיטור והכלי לחץ של ASME, חלק VIII, חלוקה 1 — הצטברות מקסימלית של 10% למקרים שאינם קשורים באש ו-21% למקרים הקשורים באש.

Shanghai Xiazhao Valve — פתרונות שסתומים להשתחררות לחץ ושסתומים מיוחדים. לשם תמיכה בבחירת שסתומים לפי תקן API או לצורך בקשות טכניות, יש לפנות לצוות ההנדסה שלנו.