EN
Клапан сброса давления — это последняя линия защиты от превышения давления в сосудах и трубопроводных системах под давлением. Стандарт API 520 (часть I и часть II) регулирует подбор, выбор и монтаж устройств сброса давления в нефтеперерабатывающей и смежных отраслях. Стандарт API 521 определяет инженерную методику выявления ситуаций превышения давления и проектирования систем сброса давления. Стандарт API 526 устанавливает нормированные площади проходных сечений, габаритные размеры и классы давления фланцевых стальных клапанов сброса давления. В настоящей статье, предназначенной для инженеров и специалистов по закупкам, кратко изложены принципы выбора уставки давления срабатывания, логика выбора клапана и методика расчёта пропускной способности при сбросе.
Рис. 1 Разрез традиционного пружинного клапана предохранительный клапан — сиденье, диск и пружинный узел
1. Оборудование, требующее защиты от превышения давления
Стандарт API 521 требует установки устройств защиты от превышения давления на сосуды под давлением, теплообменники, печи и любые участки трубопроводов, которые могут быть перекрыты из-за теплового расширения или колебаний давления на входе.
Принцип групповой защиты: предохранительный клапан защищает группу оборудования — то есть оборудование, расположенное между двумя запорными клапанами и подверженное одному и тому же источнику превышения давления, — а не каждый сосуд по отдельности. Необходимо оценить следующие сценарии превышения давления:
- Перекрытие выхода — закрытие запорного клапана на выходе, приводящее к избыточному давлению в замкнутой системе;
- Внешний подвод тепла при пожаре;
- Неконтролируемая химическая реакция или тепловое расширение рабочей среды;
- Отказ вспомогательных систем (охлаждающая вода, электропитание или инструментальный воздух);
- Превышение давления из-за отказа регулирующего клапана давления на входе.
В заводе по производству серной кислоты конвертер, буферный резервуар на выходе из дутьевого вентилятора SO₂, паровой коллектор и паровой барабан промежуточного давления котла утилизационного тепла являются ключевыми элементами, требующими защиты.
2. Ключевые критерии выбора
Тип клапана: пружинный предохранительный клапан является наиболее распространённым типом. Стандарт API 526 определяет четырнадцать стандартных обозначений отверстий латинскими буквами от D до T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), охватывающих весь диапазон типовых требований к пропускной способности при сбросе. При превышении противодавления 10 % от уставки давления следует выбирать клапан с уравновешенной гофрированной мембраной. Клапаны с пилотным управлением допускают более высокое и изменчивое противодавление и подходят для чистых сред при больших перепадах давления.
Уставка давления: согласно ASME Раздел VIII и API 520, в неаварийных случаях максимальное давление сброса составляет 110 % от расчётного давления (накопление 10 %). В аварийных случаях, вызванных пожаром, допускается 121 % (перегрузка 21 %).
Проверка противодавления: для обычного пружинного клапана противодавление выше 10 % от уставки давления снижает подъём и пропускную способность сброса. Уравновешенный клапан с сильфоном использует сильфон, эффективная площадь которого равна площади седла, что устраняет влияние противодавления на уставку давления.
Рис. 2. Разрез пружинного клапана предохранительный клапан — с узлом сильфона
3. Пропускная способность сброса и подбор проходного сечения
Площадь горловины сопла должна быть рассчитана исходя из максимальной скорости сброса при аварийном режиме. В стандарте API 520 Часть I приведены методы расчёта проходного сечения для газов/паров, жидкостей и двухфазных потоков.
Эксплуатация с газами/парами (критический режим течения):
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
где:
- A — требуемая эффективная площадь сброса;
- W — массовая скорость сброса (кг/ч);
- C — коэффициент газа, зависящий от отношения удельных теплоёмкостей k;
- Kd — эффективный коэффициент расхода (0,975 для газа/пара по API 520);
- P1 — давление сброса, абсолютное;
- Kb — коэффициент коррекции обратного давления;
- T — температура сброса (K);
- Z — коэффициент сжимаемости;
- M — молекулярная масса среды.
Примечания к расчёту: каждый аномальный источник должен быть идентифицирован отдельно. Например, для котла утилизационного тепла расчётный расход сброса должен включать максимальную паропроизводительность плюс дополнительное испарение, вызванное теплотой от пожара; в противном случае проходное сечение будет недостаточным и защита окажется неэффективной.
Направление сбрасываемого потока: API 521 требует направлять горючие и токсичные среды на факел или в закрытую систему сбора. Сценарии сброса, создающие риск взрыва парового облака, должны быть устранены путём направления потока на факел, в низконапорную систему, с помощью HIPS или за счёт перепроектирования.
4. Требования к монтажу и трубопроводам
Входные трубопроводы: стандарт API 520, часть II требует размещения предохранительного клапана как можно ближе к защищаемому оборудованию; при этом потеря давления во входном трубопроводе не должна превышать 3 % от уставки давления («правило 3 %»). Избыточная потеря вызывает вибрацию (chattering) или задержку открытия.
Выходные трубопроводы: выходной трубопровод не должен опираться на корпус клапана; он требует независимой поддержки и должен обеспечивать компенсацию теплового расширения. Линия сброса должна быть спроектирована так, чтобы обеспечивался самотёк для предотвращения накопления конденсата, которое может повлиять на противодавление.
Несколько клапанов на общем коллекторе: при сбросе нескольких предохранительных клапанов в общий коллектор необходимо оценить суммарное противодавление в коллекторе и его влияние на характеристики срабатывания каждого клапана.
5. Полевой пример
Резервуар для рециркуляции 98,5 % H₂SO₄ на заводе по производству серной кислоты был спроектирован как «атмосферный резервуар» и не оснащён предохранительным клапаном. Во время пуска паровой обогревательный клапан протекал, температура кислоты в резервуаре повысилась, и пар начал накапливаться. Давление кратковременно возросло до 0,04 МПа, что привело к выбиванию уплотнительной прокладки люка на крыше резервуара и выходу серной кислоты.
Впоследствии, в соответствии с требованиями API 2000 к вентиляции атмосферных и низконапорных резервуаров хранения, была установлена комбинированная сборка дыхательного и предохранительного клапанов с давлением срабатывания 0,03 МПа и пропускной способностью, рассчитанной на максимальную скорость генерации пара.
Ключевой момент: атмосферная конструкция не означает, что превышение давления невозможно в принципе. Нагрев, химические реакции и ошибки эксплуатации должны обязательно учитываться при анализе сценариев превышения давления.
Заключение
Инженерную логику для предохранительных клапанов можно кратко сформулировать так: подбор клапанов по источнику превышения давления (групповая защита), расчёт проходного сечения под аномальный расход, выбор типа клапана в зависимости от противодавления и рабочей среды, а также ограничение потери давления на входе в соответствии с правилом 3 %. Рамочная методология API 520/521/526 охватывает полную цепочку — от выявления сценариев и расчёта пропускной способности до проверки монтажа. В следующей статье будут рассмотрены разрывные диски и их совместное применение с предохранительными клапанами.
References
API 520 Часть I / Часть II — Расчёт, подбор и монтаж устройств для сброса давления, American Petroleum Institute (API).
API 521 — Системы сброса и депрессуризации давления, American Petroleum Institute (API).
API 526 — Фланцевые стальные клапаны для сброса давления, American Petroleum Institute (API).
API 2000 — Вентиляция атмосферных и низконапорных резервуаров для хранения, American Petroleum Institute (API).
Код ASME для котлов и сосудов под давлением, раздел VIII, подраздел 1 — максимальное накопление 10 % для случаев, не связанных с пожаром, и 21 % для случаев пожара.
Shanghai Xiazhao Valve — решения для клапанов сброса давления и специальных клапанов. Для поддержки при выборе по стандарту API или технических вопросов обращайтесь в нашу инженерную группу.
