EN
Een drukontlastingsklep is de laatste verdedigingslinie tegen overdruk in drukvaten en leidingsystemen. API 520 (deel I en deel II) regelt de dimensionering, selectie en installatie van drukontlastingsapparatuur in de olie- en aardgasverwerkende industrie en aanverwante sectoren. API 521 biedt de technische methodologie om overdrukscenario’s te identificeren en ontlastingsystemen te ontwerpen. API 526 stelt de openingen, afmetingen en drukklassen van geflanste stalen drukontlastingskleppen standaard. Dit artikel, geschreven voor ingenieurs en inkoopprofessionals, vat de beginselen van de insteldrukselectie, de logica achter de klepkeuze en de methode voor de berekening van de ontlastingscapaciteit samen.
Fig. 1 Doorsnede van een conventionele veerbelaste klep veilheidsklep — zitting, schijf en veercombinatie
1. Apparatuur die drukontlasting vereist
API 521 vereist overdrukbeveiliging voor drukvaten, warmtewisselaars, vuurgevoede verwarmers en alle pijpleidingsegmenten die door thermische uitzetting of drukschommelingen stroomopwaarts kunnen worden afgesloten.
Groepsbeschermingsprincipe: een veiligheidsklep beschermt een groep apparatuur — namelijk de apparatuur tussen twee afscheidingkleppen die aan dezelfde overdrukbron is blootgesteld — in plaats van elk vat afzonderlijk. De volgende overdruksituaties moeten worden geëvalueerd:
- Afgesloten afvoer — sluiting van een stroomafwaartse afscheidingklep waardoor het systeem onder overdruk wordt opgesloten;
- Externe warmtetoevoer bij brandomstandigheden;
- Onbeheersbare chemische reactie of thermische uitzetting van de inhoud;
- Verlies van hulpsystemen (koelwater, elektrische stroom of instrumentenlucht);
- Drukoverschrijding veroorzaakt door uitval van een stroomopwaartse drukregelklep.
In een zwavelzuurinstallatie zijn de converter, het uitlaatbufferreservoir van de SO₂-blower, de stoomverzamelleiding en de stoomtrommel van de afvalwarmteketel voor stoom onder middeldruk de belangrijkste onderdelen die beschermd moeten worden.
2. Belangrijkste selectiecriteria
Kleptype: de veerbelaste veilheidsklep is het meest gebruikte type. API 526 definieert veertien standaardopeningstekens van D tot T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), die het volledige bereik van gangbare ontlastingscapaciteitsvereisten bestrijken. Wanneer de tegen-druk meer dan 10% van de insteldruk bedraagt, dient een gebalanceerde-klokventiel te worden gekozen. Pilotgestuurde kleppen kunnen hogere en wisselendere tegen-druk verdragen en zijn geschikt voor schone toepassingen met hoge drukval (ΔP).
Insteldruk: volgens ASME Section VIII en API 520 is de maximale ontlastingsdruk bij niet-brandgevallen 110% van de ontwerpdruk (10% accumulatie). Bij brandgevallen is 121% (21% overdruk) toegestaan.
Controle van tegen-druk: bij een conventionele veerbelaste klep leidt een tegen-druk hoger dan 10% van de insteldruk tot verminderde opengang en afvoercapaciteit. Een gebalanceerde-bellowsklep maakt gebruik van een balg waarvan het effectieve oppervlak gelijk is aan het zitoppervlak, waardoor het effect van tegen-druk op de insteldruk wordt geëlimineerd.
Fig. 2 Doorsnede van een veerbelaste veilheidsklep — met balgopstelling
3. Afvoercapaciteit en openingafmeting
Het keeloppervlak van de mondstuk moet worden afgestemd op de maximale afvoersnelheid onder de abnormale omstandigheid. API 520 Deel I geeft de dimensioneringsmethoden voor gas/damp, vloeistof en tweefasenstroming.
Toepassing voor gas/damp (kritieke stroming):
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
waarbij:
- A — vereist effectief afvoeroppervlak;
- W — massadebiet bij afvoer (kg/h);
- C — gascoëfficiënt, een functie van de specifieke warmteverhouding k;
- Kd — effectieve ontladingscoëfficiënt (0,975 voor gas/damp volgens API 520);
- P1 — ontlastingsdruk, absoluut;
- Kb — correctiefactor voor tegen-druk;
- T — ontlastingstemperatuur (K);
- Z — samendrukbaarheidsfactor;
- M — molecuulgewicht van het medium.
Berekeningsopmerkingen: elke abnormale bron moet afzonderlijk worden geïdentificeerd. Bij een afvalwarmteketel moet de ontlastingsstroom bijvoorbeeld de maximale stoomopwekking plus de extra verdamping door warmte-invoer van brand omvatten; anders wordt het openingoppervlak te klein uitgevoerd en mislukt de bescherming.
Ontlastingsbestemming: API 521 vereist dat brandbare en giftige media naar een fakkel of een gesloten verzamelsysteem worden geleid. Ontlastingsscenario’s die een risico op dampwolkexplosie vormen, moeten worden aangepakt via een fakkel, een laagdruksysteem, HIPS of herontwerp.
4. Installatie- en leidingseisen
Inlaatleiding: API 520 Deel II vereist dat de veiligheidsklep zo dicht mogelijk bij de te beschermen apparatuur wordt geplaatst en dat het drukverlies in de inlaatleiding niet meer bedraagt dan 3% van de insteldruk (de "3%-regel"). Te veel verlies veroorzaakt trillen of vertraagd openen.
Uitlaatleiding: de uitlaatpijp mag niet door het kleplichaam worden ondersteund; deze vereist een onafhankelijke ondersteuning en moet ruimte bieden voor thermische uitzetting. De afvoerleiding moet zodanig zijn aangelegd dat afvoer door zwaartekracht mogelijk is, om condensatetecte voorkomen die de tegen-druk zou kunnen beïnvloeden.
Meerdere kleppen op een gemeenschappelijke hoofdleiding: wanneer meerdere veiligheidskleppen in een gemeenschappelijke hoofdleiding ontluchten, moet de opgehoopte tegen-druk in de hoofdleiding op de opendrukprestaties van elke klep worden geëvalueerd.
5. Praktijkvoorbeeld uit het veld
Een 98,5% H₂SO₄-recyclagetank in een zwavelzuurinstallatie was ontworpen als een ‘atmosferische tank’ en was niet voorzien van een veiligheidsklep. Tijdens de opstart lekte de stoomtraceringklep, waardoor de zuurtemperatuur in de tank steeg en stoom zich ophoopte. De druk steeg kortstondig tot 0,04 MPa, waardoor de mansluisklem op het tankdak werd weggeblazen en zwavelzuur kon ontsnappen.
Daarna werd, conform de API 2000-ontluchtingsvereisten voor atmosferische en lagedrukopslagtanks, een gecombineerde adem- en veiligheidsklep geïnstalleerd met een instel-druk van 0,03 MPa en een ontlastingscapaciteit die is afgestemd op het maximale stoomproductietempo.
Belangrijk punt: een atmosferische ontwerpuitvoering betekent niet dat overdruk nooit kan optreden. Verwarming, chemische reacties en foutieve bediening moeten allemaal worden meegenomen in de analyse van overdruksituaties.
Conclusie
De technische logica voor veiligheidskleppen kan als volgt worden samengevat: kleppen configureren op basis van de oorzaak van overdruk (groepsbescherming), het openingoppervlak dimensioneren voor de abnormale stroming, het kleptype kiezen op basis van tegen-druk en medium, en de ingangsdrukverliezen beperken tot maximaal 3%. Het API 520/521/526-kader biedt een complete keten van scenario-identificatie en dimensionering tot installatieverificatie. Een vervolgartikel zal ingaan op scheurplaten en hun gecombineerd gebruik met veiligheidskleppen.
Referenties
API 520 Deel I / Deel II — Dimensionering, selectie en installatie van drukontlastingsapparatuur, American Petroleum Institute (API).
API 521 — Drukontlastings- en ontlastingsystemen, American Petroleum Institute (API).
API 526 — Flensstalen drukontlastingskleppen, American Petroleum Institute (API).
API 2000 — Ventilatie van atmosferische en lage-druk opslagtanks, American Petroleum Institute (API).
ASME-boiler- en drukvatcode, sectie VIII, afdeling 1 — maximaal 10% accumulatie voor niet-brandgevallen en 21% accumulatie voor brandgevallen.
Shanghai Xiazhao Valve — oplossingen voor drukontlastingskleppen en speciale kleppen. Voor ondersteuning bij de keuze volgens API-normen of technische vragen kunt u contact opnemen met ons engineeringteam.
