คู่มือวิศวกรรมการคำนวณขนาดและการเลือกวาล์วความปลอดภัยตามมาตรฐาน API

วาล์วปล่อยแรงดันเป็นแนวป้องกันขั้นสุดท้ายต่อภาวะแรงดันเกินในถังรับแรงดันและระบบท่อ ซึ่งมาตรฐาน API 520 (ส่วนที่ 1 และส่วนที่ 2) กำหนดหลักเกณฑ์สำหรับการคำนวณขนาด การเลือกใช้ และการติดตั้งอุปกรณ์ปล่อยแรงดันในอุตสาหกรรมกลั่นน้ำมันและอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง ส่วนมาตรฐาน API 521 ให้วิธีการทางวิศวกรรมในการระบุสถานการณ์ที่อาจเกิดแรงดันเกิน และการออกแบบระบบปล่อยแรงดัน ขณะที่มาตรฐาน API 526 กำหนดพื้นที่รูเปิด ขนาด และอันดับแรงดันของวาล์วปล่อยแรงดันแบบเหล็กที่ติดตั้งด้วยหน้าแปลน บทความนี้เขียนขึ้นสำหรับวิศวกรและผู้เชี่ยวชาญด้านการจัดซื้อ โดยสรุปหลักการในการเลือกค่าแรงดันที่ตั้งไว้ (set pressure) ตรรกะในการเลือกวาล์ว และวิธีการคำนวณความสามารถในการปล่อยแรงดัน

รูปที่ 1 ภาพตัดแสดงโครงสร้างภายในของวาล์วแบบสปริงทั่วไป วาล์วเซฟตี้ — ชุดที่นั่ง จาน และสปริง

1. อุปกรณ์ที่ต้องการการป้องกันจากการเกิดแรงดันเกิน

API 521 กำหนดให้ต้องมีระบบป้องกันแรงดันเกินสำหรับถังความดัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เตาเผาเชื้อเพลิง และส่วนใด ๆ ของท่อที่อาจถูกปิดกั้นเนื่องจากการขยายตัวจากความร้อนหรือการเปลี่ยนแปลงของแรงดันจากด้านต้นทาง

หลักการป้องกันแบบกลุ่ม: วาล์วปล่อยแรงดันจะทำหน้าที่ป้องกันอุปกรณ์กลุ่มหนึ่ง — คืออุปกรณ์ทั้งหมดที่อยู่ระหว่างวาล์วแยกสองตัว และได้รับผลกระทบจากแหล่งแรงดันเกินเดียวกัน — แทนที่จะติดตั้งวาล์วปล่อยแรงดันแยกตัวสำหรับแต่ละถังโดยตรง ต้องประเมินสถานการณ์ที่อาจทำให้เกิดแรงดันเกินต่อไปนี้:

• ทางออกถูกปิดกั้น — การปิดวาล์วแยกด้านปลายน้ำซึ่งทำให้ระบบถูกกักไว้ภายใต้แรงดันเกิน
• การรับความร้อนจากภายนอกในภาวะเพลิงไหม้
• ปฏิกิริยาเคมีที่ควบคุมไม่ได้ หรือการขยายตัวจากความร้อนของสารที่บรรจุอยู่ภายใน
• การสูญเสียสาธารณูปโภค (น้ำหล่อเย็น ไฟฟ้า หรืออากาศสำหรับเครื่องมือ)
• แรงดันเกินที่เกิดจากการล้มเหลวของวาล์วควบคุมแรงดันด้านต้นทาง

ในโรงงานกรดซัลฟิวริก ตัวแปลง (converter), ถังรองรับลมออกของปั๊มเป่า SO₂, ท่อจ่ายไอน้ำหลัก (steam header) และถังแยกไอน้ำของหม้อไอน้ำกู้คืนความร้อนระดับแรงดันปานกลาง (intermediate-pressure waste-heat boiler steam drum) คือส่วนสำคัญที่ต้องได้รับการป้องกัน

2. เกณฑ์สำคัญในการเลือก

ชนิดของวาล์ว: แบบสปริงโหลด (spring-loaded) วาล์วเซฟตี้ เป็นชนิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด มาตรฐาน API 526 กำหนดรหัสช่องเปิดมาตรฐานสิบสี่ตัว ตั้งแต่ D ถึง T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T) ครอบคลุมความต้องการความสามารถในการปล่อยแรงดันทั่วไปทั้งหมด เมื่อแรงดันย้อนกลับ (backpressure) เกิน 10% ของแรงดันที่ตั้งไว้ (set pressure) ควรเลือกใช้วาล์วแบบเบลโลว์สมดุล (balanced-bellows valve) สำหรับวาล์วแบบควบคุมด้วยหัวควบคุม (pilot-operated valves) สามารถรองรับแรงดันย้อนกลับที่สูงกว่าและเปลี่ยนแปลงได้มากกว่า และเหมาะสำหรับงานที่มีสื่อสะอาดและมีค่าความต่างของแรงดันสูง (high-ΔP)

แรงดันที่ตั้งไว้ (set pressure): ตาม ASME Section VIII และ API 520 สำหรับกรณีที่ไม่เกี่ยวข้องกับเพลิงไหม้ แรงดันสูงสุดที่วาล์วปล่อยแรงดันคือ 110% ของแรงดันออกแบบ (สะสมเพิ่ม 10%) ส่วนกรณีเพลิงไหม้ อนุญาตให้ใช้แรงดันได้สูงสุด 121% (เกินแรงดันออกแบบ 21%)

การตรวจสอบแรงดันย้อนกลับ: สำหรับวาล์วแบบสปริงทั่วไป แรงดันย้อนกลับที่สูงกว่า 10% ของแรงดันตั้งค่าจะทำให้ความสามารถในการยกตัวและอัตราการปล่อยลดลง วาล์วแบบเบลโลว์สมดุลใช้เบลโลว์ที่มีพื้นที่มีประสิทธิภาพเท่ากับพื้นที่ของที่นั่ง จึงขจัดผลกระทบของแรงดันย้อนกลับต่อแรงดันตั้งค่าได้

รูปที่ 2 ภาพตัดผ่านของวาล์วแบบสปริง วาล์วเซฟตี้ — พร้อมชุดเบลโลว์

3. ความสามารถในการปล่อยและขนาดของรูเปิด

พื้นที่คอของหัวฉีดต้องออกแบบให้รองรับอัตราการปล่อยสูงสุดภายใต้สภาวะผิดปกติ มาตรฐาน API 520 ส่วนที่ 1 ให้วิธีการคำนวณขนาดสำหรับของไหลในรูปแบบก๊าซ/ไอน้ำ ของเหลว และของไหลสองเฟส

การใช้งานกับก๊าซ/ไอน้ำ (การไหลวิกฤต):

A = (W ÷ (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z ÷ M)

ที่ไหน:

• A — พื้นที่ปล่อยที่จำเป็น (พื้นที่มีประสิทธิภาพ);
• W — อัตราการปล่อยมวล (กิโลกรัมต่อชั่วโมง);
• C — สัมประสิทธิ์ของก๊าซ ซึ่งขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความร้อนจำเพาะ k;
• Kd — สัมประสิทธิ์การปล่อยที่มีผล (0.975 สำหรับก๊าซ/ไอน้ำ ตามมาตรฐาน API 520);
• P1 — ความดันขณะปล่อย แบบสัมบูรณ์;
• Kb — ปัจจัยการแก้ไขจากความดันย้อนกลับ;
• T — อุณหภูมิขณะปล่อย (เคลวิน);
• Z — ปัจจัยความบีบอัด;
• M — น้ำหนักโมเลกุลของตัวกลาง;

หมายเหตุการคำนวณ: แหล่งที่ผิดปกติแต่ละแหล่งต้องระบุแยกกันอย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น สำหรับหม้อไอน้ำรีไซเคิลความร้อนจากของเสีย อัตราการปล่อยต้องรวมปริมาณไอน้ำสูงสุดที่เกิดขึ้น บวกกับการระเหยเพิ่มเติมที่เกิดจากความร้อนจากเปลวไฟ มิฉะนั้น รูเปิดจะมีขนาดเล็กเกินไป และระบบป้องกันจะล้มเหลว;

ปลายทางของการปล่อย: มาตรฐาน API 521 กำหนดให้สื่อที่ติดไฟได้และเป็นพิษต้องส่งไปยังระบบเผาไหม้ (flare) หรือระบบเก็บแบบปิด สถานการณ์ที่อาจก่อให้เกิดการระเบิดของเมฆไอ (vapor-cloud explosion) ต้องจัดการด้วยระบบเผาไหม้ ระบบแรงดันต่ำ HIPS หรือการออกแบบใหม่;

4. ข้อกำหนดด้านการติดตั้งและท่อ

ท่อเข้า: มาตรฐาน API 520 ส่วนที่สอง กำหนดให้ติดตั้งวาล์วปล่อยแรงดันให้อยู่ใกล้อุปกรณ์ที่ต้องการป้องกันมากที่สุด และการสูญเสียแรงดันในท่อเข้าต้องไม่เกินร้อยละ 3 ของแรงดันที่ตั้งไว้ (เรียกว่า "กฎข้อ 3%") การสูญเสียแรงดันมากเกินไปอาจทำให้เกิดอาการสั่นหรือเปิดช้า

ท่อออก: ท่อออกห้ามยึดหรือรับน้ำหนักจากตัววาล์ว ต้องมีระบบรองรับอิสระแยกต่างหาก และต้องออกแบบให้สามารถขยายตัวได้ตามอุณหภูมิ ท่อปล่อยควรจัดวางให้ระบายน้ำตามแรงโน้มถ่วง เพื่อป้องกันไม่ให้น้ำควบแน่นสะสมและส่งผลต่อแรงดันย้อนกลับ

หลายวาล์วเชื่อมต่อกับท่อรวมร่วมกัน: เมื่อวาล์วปล่อยแรงดันหลายตัวปล่อยของไหลเข้าสู่ท่อรวมร่วมกัน จำเป็นต้องประเมินแรงดันย้อนกลับสะสมที่เกิดขึ้นในท่อรวมต่อประสิทธิภาพการยกตัวของแต่ละวาล์ว

5. กรณีศึกษาภาคสนาม

ถังรีไซเคิลกรดซัลฟูริกความเข้มข้น 98.5% แห่งหนึ่งในโรงงานผลิตกรดซัลฟูริกถูกออกแบบให้เป็น "ถังแบบบรรยากาศ" และไม่ได้ติดตั้งวาล์วปล่อยแรงดันไว้ เมื่อเริ่มเดินเครื่อง วาล์วควบคุมอุณหภูมิด้วยไอน้ำรั่ว ทำให้อุณหภูมิของกรดในถังสูงขึ้นและเกิดการสะสมของไอน้ำ แรงดันเพิ่มขึ้นชั่วคราวจนถึง 0.04 เมกะพาสคาล ส่งผลให้ซีลฝาเปิดตรวจสอบบนหลังคาถังหลุดออก และกรดซัลฟูริกไหลรั่วออกมา

ต่อมา ตามข้อกำหนด API 2000 ว่าด้วยการระบายอากาศสำหรับถังเก็บแบบบรรยากาศและแรงดันต่ำ จึงติดตั้งชุดวาล์วรวมที่ทำหน้าที่ทั้งเป็นวาล์วหายใจและวาล์วปล่อยแรงดัน โดยตั้งค่าแรงดันเปิดที่ 0.03 เมกะพาสคาล และออกแบบความสามารถในการปล่อยแรงดันให้สอดคล้องกับอัตราการผลิตไอน้ำสูงสุด

ประเด็นสำคัญ: การออกแบบแบบบรรยากาศไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีกรณีเกิดแรงดันเกินขึ้นเลย ทั้งการให้ความร้อน การเกิดปฏิกิริยาเคมี และการปฏิบัติงานผิดพลาด ล้วนต้องนำมาพิจารณาอย่างครบถ้วนในการวิเคราะห์สถานการณ์แรงดันเกิน

สรุป

หลักการวิศวกรรมสำหรับวาล์วปล่อยแรงดันสามารถสรุปได้เป็นข้อ ๆ ดังนี้: จัดวางวาล์วตามแหล่งที่ทำให้เกิดแรงดันเกิน (การป้องกันแบบกลุ่ม) กำหนดขนาดรูเปิดให้รองรับอัตราการไหลผิดปกติ เลือกชนิดของวาล์วตามแรงดันย้อนกลับและสื่อที่ใช้งาน และควบคุมการสูญเสียแรงดันที่ทางเข้าให้อยู่ภายในเกณฑ์ร้อยละ 3 แนวทางตามมาตรฐาน API 520/521/526 ครอบคลุมกระบวนการอย่างครบถ้วน ตั้งแต่การระบุสถานการณ์ การคำนวณขนาด ไปจนถึงการตรวจสอบการติดตั้ง บทความฉบับต่อไปจะกล่าวถึงแผ่นระเบิด (rupture discs) และการใช้งานร่วมกับวาล์วปล่อยแรงดัน

ส่งเสริม

API 520 ส่วนที่ 1 / ส่วนที่ 2 — การคำนวณขนาด การเลือก และการติดตั้งอุปกรณ์ปล่อยแรงดัน สถาบันปิโตรเลียมอเมริกัน (American Petroleum Institute: API)

API 521 — ระบบปล่อยแรงดันและลดแรงดัน สถาบันปิโตรเลียมอเมริกัน (American Petroleum Institute: API)

API 526 — วาล์วปล่อยแรงดันแบบเหล็กพร้อมหน้าแปลน สถาบันปิโตรเลียมอเมริกัน (American Petroleum Institute: API)

API 2000 — การระบายอากาศจากถังเก็บแบบเปิดและถังเก็บแรงดันต่ำ สถาบันปิโตรเลียมอเมริกัน (American Petroleum Institute: API)

รหัสหม้อไอน้ำและภาชนะรับแรงดันของ ASME ส่วนที่ VIII ฉบับที่ 1 — การสะสมสูงสุด 10% สำหรับกรณีที่ไม่เกิดเพลิง และ 21% สำหรับกรณีที่เกิดเพลิง

Shanghai Xiazhao Valve — วาล์วปล่อยแรงดันและโซลูชันวาล์วพิเศษ สำหรับการเลือกใช้ตามมาตรฐาน API หรือข้อสอบถามเชิงเทคนิค กรุณาติดต่อทีมวิศวกรของเรา