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圧力解放弁は、圧力容器および配管システムにおける過圧に対する最終的な防衛線です。API RP 520（第1部および第2部）は、石油精製および関連産業における圧力解放装置のサイズ選定、選定、設置を規定しています。API RP 521は、過圧事象の特定および解放システムの設計に必要なエンジニアリング手法を提供します。API RP 526は、フランジ接続式鋼製圧力解放弁の開口面積、寸法、耐圧等級を標準化しています。本稿は、エンジニアおよび調達担当者を対象としており、設定圧力の選定原則、弁の選定ロジック、および解放能力の算出方法について概説します。
図1 従来型スプリング式弁の断面図 安全弁 — シート、ディスク、およびスプリングアセンブリ
1. 圧力解放保護を要する機器
API 521では、圧力容器、熱交換器、火炎加熱装置、および熱膨張や上流側の圧力変動により閉塞される可能性のある配管区間について、過圧保護が要求されています。
グループ保護方式：1台の安全弁が、2つの遮断弁間に位置し、同一の過圧源にさらされる複数の機器（グループ）全体を保護する方式であり、各容器を個別に保護するものではありません。以下の過圧事象について評価を行う必要があります：
- 出口閉塞 — 下流側遮断弁が閉じられ、システムが過圧状態で閉じ込められる事象；
- 火災時の外部からの熱入力；
- 暴走反応または充填媒体の熱膨張；
- 補助動力の喪失（冷却水、電源、制御空気）；
- 上流側圧力制御弁の故障による圧力オーバーライド。
硫酸製造プラントにおいて、コンバータ、SO₂ブロワー吐出用バッファ容器、蒸気ヘッダー、中圧廃熱ボイラーの蒸気ドラムは、保護が特に重要な機器である。
2. 主な選定基準
弁の種類：スプリング式弁 安全弁 が最も広く使用されているタイプである。API 526では、DからTまでの14種類（D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、Q、R、T）の標準口径記号が定義されており、一般的な開放流量要件の全範囲をカバーしている。背圧が設定圧力の10％を超える場合、バランスベルローズ式弁を選定すべきである。パイロット式弁は、より高いおよび変動する背圧に対応可能であり、清浄な流体かつ高差圧（高ΔP）の用途に適している。
設定圧力：ASME第VIII巻およびAPI 520によれば、火災以外の場合、最大開放圧力は設計圧力の110％（10％の過圧）である。火災の場合には、121％（21％の過圧）まで許容される。
バックプレッシャーの確認：従来型のスプリング式安全弁の場合、設定圧力の10％を超えるバックプレッシャーが発生すると、弁のリフト量および排出能力が低下します。バランス式ベルローズ弁では、シート面積と等しい有効面積をもつベルローズを用いるため、バックプレッシャーが設定圧力に与える影響がなくなります。
図2 スプリング式安全弁の断面図 安全弁 — ベルローズアセンブリ付き
3．排気能力および流路口径の選定
ノズルの喉部断面積は、異常状態下における最大排気流量に対応して設計する必要があります。API RP 520 第1部には、気体／蒸気、液体および二相流それぞれに対する口径選定方法が規定されています。
気体／蒸気サービス（臨界流）：
A ＝ （W ／ （C・Kd・P1・Kb）） × √（T・Z ／ M）
ただし：
- A — 必要有効排気断面積；
- W — 質量排気流量（kg／h）；
- C — 気体係数（比熱比kの関数）；
- Kd — 有効流量係数（API 520によると、気体／蒸気の場合0.975）
- P1 — 放散圧力（絶対圧）
- Kb — 背圧補正係数
- T — 放散温度（K）
- Z — 圧縮率因子
- M — 流体の分子量
計算に関する備考：すべての異常発生源は個別に特定する必要がある。たとえば、排熱ボイラーの場合、放散流量には、最大蒸気発生量に加えて、火災による入熱によって生じる追加蒸発量を含める必要がある。さもないと、ノズル径が不足し、保護機能が失敗する。
放散先：API 521では、可燃性および有毒な流体について、フレアまたは密閉型回収システムへ導くことを要求している。蒸気雲爆発のリスクを伴う放散事象については、フレア、低圧系、HIPS（高整合性保護システム）、または装置の再設計によって対応しなければならない。
4．設置および配管要件
入口配管：API 520 第2部では、安全弁を保護対象設備にできるだけ近い位置に設置すること、および入口配管における圧力損失を設定圧力の3％以内（「3％ルール」）に抑えることが求められています。圧力損失が大きすぎると、弁の振動（チャタリング）や開弁遅れが生じます。
出口配管：出口配管は弁本体で支持してはならず、独立した支持構造とし、熱膨張に対応できるようにする必要があります。また、排出配管は重力による排水が確保されるよう配置し、凝縮水の滞留によって背圧に影響が出ないよう配慮します。
共通ヘッダーへの複数弁接続：複数の安全弁が共通のヘッダーへ排出される場合、各弁の作動性能に及ぼすヘッダー内の累積背圧を評価する必要があります。
5．現場事例
硫酸製造プラント内の98.5％H₂SO₄リサイクルタンクは「常圧タンク」として設計されており、圧力解放弁が設置されていなかった。起動時に蒸気トラシング用バルブから漏れが発生し、タンク内の酸の温度が上昇、蒸気が蓄積した。その結果、一時的にタンク内圧が0.04 MPaまで上昇し、屋根部のマンホールガスケットが吹き飛ばされ、硫酸が漏洩した。
その後、API RP 2000（常圧および低圧貯蔵タンクの換気要件）に基づき、呼吸弁と圧力解放弁を一体化した装置を設置した。設定圧力は0.03 MPaであり、蒸気発生の最大流量に対応できるよう、解放能力が設計された。
要点：常圧設計とは、過圧が決して発生しないことを意味するものではない。加熱、化学反応、誤操作など、あらゆる過圧要因を過圧シナリオ解析に含める必要がある。
まとめ
安全弁の設計ロジックは、以下の通りに要約できます。過圧源ごとに弁を配置（グループ保護）、異常な流量に対応する開口部径を選定、背圧および流体の性質に応じて弁の種類を選択、入口圧力損失を3％ルール以内に制御します。API 520／521／526の枠組みは、シナリオの特定・選定計算から設置確認に至るまで、一貫した設計フローを提供します。次回の記事では、破裂板および安全弁との併用について解説します。
参考文献
API 520 第1部／第2部――圧力解放装置の選定計算、選定および設置、米国石油協会（API）
API 521――圧力解放および減圧システム、米国石油協会（API）
API 526――フランジ形鋼製圧力解放弁、米国石油協会（API）
API 2000――常圧および低圧貯槽の換気、米国石油協会（API）
ASMEボイラーおよび圧力容器規格（第VIII巻、第1部）——火災以外の場合の最大積算圧力は10％、火災時の場合は21％。
上海シャオチャオ・バルブ社——圧力解放弁および特殊バルブのソリューションを提供。API規格に基づく選定サポートや技術に関するお問い合わせは、当社エンジニアリングチームまでご連絡ください。
