Dobór i wymiarowanie zaworów bezpieczeństwa: inżynierski przewodnik zgodny ze standardami API

Zawór odpowietrzający to ostatnia linia obrony przed nadciśnieniem w zbiornikach ciśnieniowych i układach rurociągów. Norma API 520 (część I i część II) określa zasady wymiarowania, doboru oraz montażu urządzeń odpowietrzających w przemyśle rafinacji ropy naftowej i pokrewnych gałęziach przemysłu. Norma API 521 zawiera metodologię inżynierską identyfikacji scenariuszy nadciśnienia oraz projektowania układów odpowietrzających. Norma API 526 ujednolica powierzchnie przepływowe, wymiary oraz klasy ciśnień stalowych zaworów odpowietrzających z kołnierzami. Niniejszy artykuł, przeznaczony dla inżynierów oraz specjalistów ds. zakupów, podsumowuje zasady doboru ciśnienia nastawienia, logikę wyboru zaworu oraz metodę obliczania zdolności odpowietrzania.

Rys. 1 Przekrój zaworu sprężynowego typowego zawór bezpieczeństwa — zespół siedziska, tarczy i sprężyny

1. Sprzęt wymagający ochrony przed nadciśnieniem

API 521 wymaga ochrony przed nadciśnieniem zbiorników ciśnieniowych, richcienników, nagrzewnic paleniskowych oraz dowolnych odcinków rurociągów, które mogą zostać zamknięte przez rozszerzanie termiczne lub fluktuacje ciśnienia ze strony wlotu.

Zasada ochrony grupowej: zawór bezpieczeństwa chroni grupę sprzętu — czyli wszystkie urządzenia umieszczone pomiędzy dwoma zaworami izolacyjnymi i narażone na ten sam źródłowy przypadek nadciśnienia — a nie każdy zbiornik osobno. Należy ocenić następujące scenariusze nadciśnienia:

• Zablokowany wylot — zamknięcie zaworu izolacyjnego po stronie wylotu, powodujące uwięzienie układu pod nadciśnieniem;
• Dopływ ciepła zewnętrznego w warunkach pożaru;
• Niekontrolowana reakcja chemiczna lub rozszerzanie termiczne medium zawartego w urządzeniu;
• Utrata mediów pomocniczych (wody chłodzącej, zasilania elektrycznego lub powietrza pomiarowego);
• Przekroczenie ciśnienia spowodowane awarią zaworu regulacyjnego ciśnienia po stronie wlotu.

W zakładzie kwasu siarkowego konwerter, zbiornik buforowy na wyjściu dmuchawy SO₂, kolektor pary oraz bęben kotła odzysku ciepła średniego ciśnienia są kluczowymi elementami wymagającymi ochrony.

2. Kluczowe kryteria doboru

Typ zaworu: zawór obciążony sprężyną zawór bezpieczeństwa jest najbardziej powszechnie stosowanym typem. Norma API 526 definiuje czternastu standardowych oznaczeń otworów przepustowych od litery D do T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), obejmujących pełny zakres typowych wymagań dotyczących przepustowości odpowietrzania. Gdy ciśnienie zwrotne przekracza 10% ciśnienia nastawienia, należy wybrać zawór z równoważoną membraną. Zawory sterowane pilotowo mogą pracować przy wyższym i bardziej zmiennym ciśnieniu zwrotnym oraz nadają się do czystych usług o dużym spadku ciśnienia (ΔP).

Ciśnienie nastawienia: zgodnie z normą ASME Section VIII oraz API 520, w przypadkach innych niż pożar maksymalne ciśnienie odpowietrzania wynosi 110% ciśnienia projektowego (10% nadciśnienia). W przypadkach pożarowych dopuszcza się 121% (21% nadciśnienia).

Sprawdzenie ciśnienia zwrotnego: w przypadku tradycyjnego zaworu z obciążeniem sprężynowym ciśnienie zwrotne przekraczające 10% ciśnienia nastawienia pogarsza podnoszenie i wydajność odprowadzania. Zawór z równoważonym miechem wykorzystuje miech, którego skuteczna powierzchnia jest równa powierzchni siedziska, eliminując wpływ ciśnienia zwrotnego na ciśnienie nastawienia.

Rys. 2 Przekrój zaworu z obciążeniem sprężynowym zawór bezpieczeństwa — z zespołem miecha

3. Wydajność odprowadzania i doboru przekroju otworu

Powierzchnia gardzieli dyszy musi być dobrana tak, aby zapewnić maksymalną wydajność odprowadzania w warunkach awaryjnych. Norma API 520 Część I zawiera metody doboru dla przepływu gazowego/pary, cieczy oraz przepływu dwufazowego.

Zastosowanie gazowe/parowe (przepływ krytyczny):

A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)

gdzie:

• A — wymagana skuteczna powierzchnia odprowadzania;
• W — masa odprowadzana na godzinę (kg/h);
• C — współczynnik gazowy, zależny od stosunku ciepeł właściwych k;
• Kd — skuteczny współczynnik przepływu (0,975 dla gazu/parej zgodnie z API 520);
• P1 — ciśnienie odpowietrzania, bezwzględne;
• Kb — współczynnik korekcyjny ciśnienia zwrotnego;
• T — temperatura odpowietrzania (K);
• Z — współczynnik ściśliwości;
• M — masa cząsteczkowa medium.

Uwagi do obliczeń: każdy niezwykły źródło musi zostać zidentyfikowane osobno. Na przykład w przypadku kotła wykorzystującego ciepło odpadowe, natężenie odpowietrzania musi obejmować maksymalne wytwarzanie pary oraz dodatkową parowanie spowodowane ciepłem doprowadzanym przez pożar; w przeciwnym razie otwór będzie za mały, a ochrona zawiedzie.

Miejsce odprowadzania odpowietrzanego medium: API 521 wymaga, aby medium zapłonliwe i toksyczne były kierowane do paleniska lub zamkniętego systemu zbiorczego. Scenariusze odpowietrzania niosące ryzyko eksplozji chmury pary muszą być rozwiązywane poprzez zastosowanie paleniska, systemu niskociśnieniowego, systemu HIPS lub przeprojektowanie.

4. Wymagania dotyczące montażu i rurociągów

Rurociągi dopływowe: Norma API 520 część II wymaga, aby zawór bezpieczeństwa był umieszczony jak najbliżej chronionego urządzenia, a utrata ciśnienia w rurociągu dopływowym nie mogła przekraczać 3% ciśnienia nastawienia (tzw. „zasada 3%”). Nadmierna utrata powoduje drgania lub opóźnione otwarcie.

Rurociągi odpływowe: rurociąg odpływowy nie może być podparty na korpusie zaworu; wymaga on niezależnego podparcia i musi zapewniać swobodę rozszerzania się termicznego. Linię odpływową należy ułożyć tak, aby umożliwiała odpływ grawitacyjny i zapobiegała gromadzeniu się skroplin, które mogłyby wpływać na ciśnienie zwrotne.

Wiele zaworów na wspólnym kolektorze: gdy kilka zaworów bezpieczeństwa odprowadza medium do wspólnego kolektora, należy ocenić wpływ skumulowanego ciśnienia zwrotnego w kolektorze na charakterystykę otwarcia każdego z zaworów.

5. Przypadek praktyczny z terenu

Zbiornik do oczyszczania kwasu siarkowego o stężeniu 98,5 % H₂SO₄ w zakładzie produkującym kwas siarkowy zaprojektowano jako «zbiornik atmosferyczny» i nie wyposażono go w zawór bezpieczeństwa. Podczas uruchamiania zawór parowy uległ wyciekom, temperatura kwasu w zbiorniku wzrosła, a para zaczęła się gromadzić. Ciśnienie chwilowo wzrosło do 0,04 MPa, co spowodowało wyrwanie uszczelki otworu rewizyjnego na pokrywie zbiornika i wyciek kwasu siarkowego.

Następnie, zgodnie z wymaganiami API 2000 dotyczącymi odprowadzania gazów z zbiorników atmosferycznych i niskociśnieniowych, zainstalowano zespół zaworu oddechowego i zaworu bezpieczeństwa z ustawionym ciśnieniem 0,03 MPa oraz przepustowością odprowadzania dobraną na podstawie maksymalnego tempa generowania pary.

Kluczowy punkt: projektowanie jako zbiornika atmosferycznego nie oznacza, że nadciśnienie nigdy nie może wystąpić. Analiza scenariuszy nadciśnienia musi uwzględniać ogrzewanie, reakcje chemiczne oraz błędy obsługi.

Wniosek

Logika inżynierska dotycząca zaworów bezpieczeństwa może zostać podsumowana następująco: dobór zaworów według źródła nadciśnienia (ochrona grupowa), doboru przekroju otworu odpowiadającego niezwykłemu przepływowi, wyboru typu zaworu w oparciu o ciśnienie zwrotne i medium oraz kontrola spadku ciśnienia na wlocie zgodnie z regułą 3%. Ramy norm API 520/521/526 zapewniają kompleksowy łańcuch od identyfikacji scenariuszy i doboru rozmiarów po weryfikację montażu. W kolejnym artykule omówione zostaną dyski pękające oraz ich zastosowanie łącznie z zaworami bezpieczeństwa.

Źródła

API 520 Część I / Część II — Dobór rozmiarów, wybór i montaż urządzeń odpowietrzających, American Petroleum Institute (API).

API 521 — Systemy odpowietrzania i depresuryzacji, American Petroleum Institute (API).

API 526 — Zawory stalowe odpowietrzające z kołnierzami, American Petroleum Institute (API).

API 2000 — Odpowietrzanie zbiorników atmosferycznych i niskociśnieniowych, American Petroleum Institute (API).

Kod kotłów i zbiorników ciśnieniowych ASME, Sekcja VIII, Podział 1 — maksymalne nagromadzenie 10% w przypadkach niepowodzenia spowodowanych nieogrzewaniem oraz 21% w przypadkach pożarowych.

Shanghai Xiazhao Valve — zawory bezpieczeństwa oraz specjalne rozwiązania zaworowe. W celu uzyskania wsparcia w doborze zgodnym ze standardem API lub w sprawach technicznych skontaktuj się z naszym zespołem inżynierskim.