Drošības vārsta izmēru noteikšana un izvēle: API standartu inženierijas pamācība

Spiediena izlaižu vārsts ir pēdējā aizsardzības līnija pret pārspiediem spiediena traukos un cauruļvadu sistēmās. API 520 (daļa I un daļa II) reglamentē spiediena izlaižu ierīču izmēru noteikšanu, izvēli un uzstādīšanu naftas pārstrādes un saistītajās nozarēs. API 521 sniedz inženierijas metodoloģiju pārspiediena situāciju identificēšanai un izlaižu sistēmu projektēšanai. API 526 standartizē flančveida tērauda spiediena izlaižu vārstu atveru laukumus, izmērus un spiediena klases. Šis raksts, kas sastādīts inženieriem un iepirkumu speciālistiem, kopsavilkumā izklāsta uzstādītā spiediena izvēles principus, vārsta izvēles loģiku un izlaižu jaudas aprēķināšanas metodi.

Att. 1 Parasta svira darbināta vārsta griezums drošības vērtulis — sēdekļa, diska un atsperes komplekts

1. Iekārtas, kurām nepieciešama pārspiediena aizsardzība

API 521 prasa pārspiediena aizsardzību spiediena traukiem, siltummaiņiem, ugunsgrāmatu sildītājiem un jebkurām cauruļvadu daļām, kuras var tikt bloķētas termiskās izplešanās vai augšupvirzienā esoša spiediena svārstību dēļ.

Grupas aizsardzības princips: drošības vārsts aizsargā iekārtu grupu — tās, kas atrodas starp diviem izolācijas vārstiem un ir pakļautas vienam un tam pašam pārspiediena avotam — nevis katru trauku atsevišķi. Jānovērtē šādas pārspiediena situācijas:

• Bloķēts izejas caurums — lejupvirzienā esoša izolācijas vārsta aizvēršana, kas ierobežo sistēmu pārspiediena apstākļos;
• Ārēja siltuma pievade uguns gadījumā;
• Nekontrolēta ķīmiska reakcija vai ietvertās vides termiskā izplešanās;
• Pakalpojumu zudums (dzesēšanas ūdens, elektroenerģija vai instrumentu gaiss);
• Spiediena pārsniegšana, ko izraisa augšupvirzienā esošā spiediena regulēšanas vārsta atteice.

Sērskābes rūpnīcā konvertors, SO₂ ventilatora izplūdes buferkrūze, tvaika kolektors un starpniekspiediena atlikumenerģijas izmantošanas katla tvaika bungas ir galvenie objekti, kas jāaizsargā.

2. Galvenie izvēles kritēriji

Vārsta tips: ar atsperes darbību drošības vērtulis ir visplašāk izmantotais tips. API 526 definē četrpadsmit standarta atveru burtu apzīmējumus no D līdz T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), kas aptver visu parastās atbrīvošanas jaudas prasību diapazonu. Ja pretspiediens pārsniedz 10 % no iestatītā spiediena, jāizvēlas līdzsvarots zvana vārsts. Pilotdarbināmi vārsti var izturēt augstāku un mainīgāku pretspiedienu un ir piemēroti tīriem, liela ΔP apstākļiem.

Iestatītais spiediens: saskaņā ar ASME VIII sadaļu un API 520, neuguns gadījumiem maksimālais atbrīvošanas spiediens ir 110 % no projektētā spiediena (10 % uzkrāšanās). Uguns gadījumiem atļauts 121 % (21 % pārspiediens).

Atpakaļspiediena pārbaude: parastai atsperes darbināmās vārstam atpakaļspiediens, kas pārsniedz 10 % no iestatītā spiediena, samazina pacelšanos un izplūdes jaudu. Līdzsvarota zvana vārsta zvans ir izgatavots tā, ka tā efektīvā platība ir vienāda ar sēdekļa platību, tādējādi novēršot atpakaļspiediena ietekmi uz iestatīto spiedienu.

Att. 2. Atsperes darbināmā vārsta šķērsgriezums drošības vērtulis — ar zvana komplektu

3. Atbrīvošanas jauda un cauruma izmēri

Dūmu caurules kakla laukumam jābūt izvēlētam tā, lai tas nodrošinātu maksimālo atbrīvošanas ātrumu neparedzētās situācijas apstākļos. API 520 1. daļā sniegtas izmēru noteikšanas metodes gāzēm/tvaikiem, šķidrumiem un divfāžu plūsmai.

Gāzes/tvaika lietojums (kritiskā plūsma):

A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)

kur:

• A — nepieciešamā efektīvā izplūdes platība;
• W — masas atbrīvošanas ātrums (kg/h);
• C — gāzes koeficients, kas ir funkcija no īpatnējās siltumietilpības attiecības k;
• Kd — efektīvais izplūdes koeficients (0,975 gāzei/tvaikam saskaņā ar API 520);
• P1 — atbrīvošanas spiediens, absolūtais;
• Kb — pretspiediena korekcijas koeficients;
• T — atbrīvošanas temperatūra (K);
• Z — kompresijas koeficients;
• M — vidēs molekulārā masa.

Aprēķinu piezīmes: katrs nenormāls avots jāidentificē atsevišķi. Piemēram, atlikum­siltuma katlā atbrīvošanas ātrumam jāiekļauj maksimālā tvaika ražošana un papildu iztvaikošana, ko izraisa uguns ievadītā siltuma daudzums; pretējā gadījumā cauruma izmērs būs pārāk mazs un aizsardzība nevienoties.

Izplūdes galamērķis: API 521 prasa, ka degami un toksiski materiāli jānovirza uz degšanas torņa sistēmu vai noslēgtu savākšanas sistēmu. Tādas atbrīvošanas situācijas, kurās pastāv tvaika mākla sprādziena risks, jārisina, izmantojot degšanas torņa sistēmu, zemspiediena sistēmu, HIPS vai konstrukcijas pārveidošanu.

4. Uzstādīšanas un cauruļvadu prasības

Ieejas caurules: API 520 2. daļa prasa drošības vārstu novietot pēc iespējas tuvāk aizsargāmajam aprīkojumam, un ieejas cauruļu spiediena zudumam nedrīkst pārsniegt 3 % no iestatītā spiediena („3 % noteikums”). Pārmērīgs zudums izraisa vārsta drebēšanu vai kavētu atvēršanos.

Izejas caurules: izvades cauruli nedrīkst balstīt uz vārsta korpusa; tai ir jābūt neatkarīgai balstībai un jānodrošina termiskās izplešanās iespēja. Izplūdes līnijai jābūt izvietotai tā, lai notekētu pa gravitāciju, lai novērstu kondensāta uzkrāšanos, kas var ietekmēt pretspiedienu.

Vairāki vārsti kopējā kolektorā: ja vairāki drošības vārsti izplūst kopējā kolektorā, ir jānovērtē katram vārstam radītais kopējais kolektora pretspiediens un tā ietekme uz vārsta pacelšanas raksturlielumiem.

5. Prakses piemērs laukā

98,5 % H₂SO₄ atgriezeniskās izmantošanas tvertne sērskābes rūpnīcā tika projektēta kā "atmosfēras spiediena tvertne" un tai netika uzstādīts drošības vārsts. Startējot iekārtu, tvaika apsildes vārsts noplūda, tvertnei esošās skābes temperatūra paaugstinājās un tvaiks uzkrājās. Spiediens īsu brīdi paaugstinājās līdz 0,04 MPa, kas izraisīja tvertnes vāka cilindra blīvējuma izspiešanu un sērskābes izplūdi.

Vēlāk, ievērojot API 2000 prasības par gaisa apmaiņu atmosfēras spiediena un zema spiediena krātuves tvertnēs, tika uzstādīta kombinēta elpošanas vārsta un drošības vārsta ierīce ar iestatīto spiedienu 0,03 MPa un atbrīvošanas jaudu, kas aprēķināta maksimālajai tvaika ražošanas ātrumam.

Galvenais punkts: atmosfēras spiediena projektēšana nenozīmē, ka pārspiediens nekad nevar rasties. Pārspiediena scenāriju analīzē jāiekļauj sildīšana, ķīmiskā reakcija un nepareiza ekspluatācija.

Secinājums

Inženierijas loģika drošības vārstiem var tikt apkopota šādi: vārsti jāuzstāda pēc pārspiediena avota (grupas aizsardzība), cauruma izmērs jāizvēlas atkarībā no neatbilstošā plūsmas daudzuma, vārsta tips jāizvēlas, ņemot vērā pretspiedienu un vidējo vidi, un ieejas spiediena zudumam jābūt ierobežotam līdz 3 % noteikumam. API 520/521/526 sistēma nodrošina pilnu ķēdi — no scenāriju identifikācijas un izmēru noteikšanas līdz uzstādīšanas verifikācijai. Sekojošā raksta daļā tiks apspriesti plīsumu diski un to kombinētā lietošana kopā ar drošības vārstiem.

Atsauces

API 520 1. daļa / 2. daļa — Spiediena izlaižošo ierīču izmēru noteikšana, izvēle un uzstādīšana, American Petroleum Institute (API).

API 521 — Spiediena izlaižošās un dekompresijas sistēmas, American Petroleum Institute (API).

API 526 — Flanцевi tērauda spiediena izlaižošie vārsti, American Petroleum Institute (API).

API 2000 — Atmosfērisku un zema spiediena krājumu tvertnju ventilācija, American Petroleum Institute (API).

ASME katlu un spiediena trauku kodekss, sadaļa VIII, nodaļa 1 — maksimālā 10 % pārpildījuma nepiesardzības gadījumiem un 21 % pārpildījuma ugunsgrēku gadījumiem.

Shanghai Xiazhao Valve — spiediena izlaižu vārsti un speciāli vārstu risinājumi. API standarta izvēles atbalstam vai tehniskiem jautājumiem, lūdzu, sazinieties ar mūsu inženieru komandu.