Підбір і вибір запобіжного клапана: інженерний посібник зі стандартів API

Клапан зниження тиску — це остання лінія захисту від перевищення тиску в посудинах під тиском і трубопровідних системах. API 520 (частина I та частина II) регулює підбір, вибір і монтаж пристроїв зниження тиску в нафтопереробній та пов’язаних галузях. API 521 визначає інженерну методологію виявлення сценаріїв перевищення тиску та проектування систем зниження тиску. API 526 стандартизує площі отворів, розміри та номінальні тисків фланцевих сталевих клапанів зниження тиску. У цій статті, призначеній для інженерів і фахівців з закупівель, узагальнено принципи вибору заданого тиску спрацьовування, логіку вибору клапана та метод розрахунку пропускної здатності зниження тиску.

Рис. 1 Розріз звичайного пружинного клапана запорозний клапан — збірка сидіння, диска й пружини

1. Обладнання, що потребує захисту від перевищення тиску

API 521 вимагає захисту від перевищення тиску для резервуарів під тиском, теплообмінників, печей і будь-яких ділянок трубопроводу, які можуть бути заблоковані через теплове розширення або коливання тиску на вході.

Принцип групового захисту: клапан зниження тиску захищає групу обладнання — тобто всі агрегати між двома запірними клапанами, що підлягають одному й тому самому джерелу перевищення тиску — замість того, щоб захищати кожен резервуар окремо. Потрібно оцінити такі сценарії перевищення тиску:

• Заблокований вихід — закриття нижчорозташованого запірного клапана, що призводить до утримання системи під перевищеним тиском;
• Зовнішнє теплове навантаження у разі пожежі;
• Неконтрольна хімічна реакція або теплове розширення середовища всередині агрегату;
• Втрата допоміжних систем (охолоджувальної води, електроживлення або інструментального повітря);
• Перевищення тиску через відмову регулюючого клапана тиску на вході.

У заводі сірчаної кислоти конвертер, буферна ємність на виході з дувака SO₂, паровий колектор та паровий барабан котла утилізації тепла середнього тиску є ключовими об’єктами, які потребують захисту.

2. Ключові критерії вибору

Тип клапана: пружинний запорозний клапан є найпоширенішим типом. Стандарт API 526 визначає чотирнадцять стандартних літерних позначень отворів від D до T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), що охоплюють повний діапазон поширених вимог до пропускної здатності при звільненні. Якщо протитиск перевищує 10 % встановленого тиску, слід вибрати клапан із урівноваженою мішечкою. Клапани з пілотним керуванням можуть працювати при вищому та змінному протитиску й придатні для чистих середовищ із високою різницею тисків (ΔP).

Встановлений тиск: згідно з ASME Section VIII та API 520, у випадках, не пов’язаних із пожежею, максимальний тиск звільнення становить 110 % від розрахункового тиску (накопичення 10 %). У випадках пожежі дозволено 121 % (перетиск 21 %).

Перевірка протитиску: для звичайного пружинного клапана протитиск понад 10 % встановленого тиску погіршує підйом і пропускну здатність. Урівноважений клапан із гофрованим елементом використовує гофру, ефективна площа якої дорівнює площі сідла, що усуває вплив протитиску на встановлений тиск.

Рис. 2 Розріз пружинного клапана запорозний клапан — з гофрованим вузлом

3. Пропускна здатність при аварійному звільненні та розміри отвору

Площа горловини сопла має бути розрахована для максимальної швидкості звільнення за аварійних умов. Стандарт API 520, частина I, надає методики розрахунку розмірів для газу/пари, рідини та двофазного потоку.

Експлуатація з газом/парою (критичний потік):

A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)

де:

• A — необхідна ефективна площа випуску;
• W — масова швидкість звільнення (кг/год);
• C — коефіцієнт газу, що залежить від співвідношення питомих теплоємностей k;
• Kd — ефективний коефіцієнт витрати (0,975 для газу/пари за API 520);
• P1 — тиск звільнення, абсолютний;
• Kb — коефіцієнт корекції зворотного тиску;
• T — температура звільнення (K);
• Z — коефіцієнт стисливості;
• M — молекулярна маса середовища.

Примітки до розрахунку: кожне аномальне джерело має бути ідентифіковано окремо. Наприклад, для котла утилізації тепла витрата при звільненні має включати максимальну продукцію пари плюс додаткове випаровування, спричинене теплом від пожежі; в іншому разі отвір буде недостатнього розміру й захист не спрацює.

Місце виведення струменя: API 521 вимагає, щоб горючі й токсичні речовини направлялися на факельну установку або в закриту систему збору. Сценарії звільнення, що несуть ризик вибуху парової хмари, мають бути усунуті за допомогою факельної установки, низькотискової системи, HIPS або шляхом перепроектування.

4. Вимоги до монтажу та трубопроводів

Вхідні трубопроводи: API 520 Частина II вимагає розміщення звільнювального клапана якомога ближче до обладнання, що захищається, а втрати тиску у вхідному трубопроводі не повинні перевищувати 3 % встановленого тиску («правило 3 %»). Надмірні втрати призводять до дрижання або затримки відкриття.

Вихідні трубопроводи: вихідну трубу заборонено підтримувати корпусом клапана; для неї потрібна незалежна опора, і вона має забезпечувати компенсацію теплового розширення. Лінію скидання слід організувати так, щоб забезпечити стікання рідини під дією сили тяжіння, щоб запобігти накопиченню конденсату, що може впливати на протитиск.

Кілька клапанів на загальному колекторі: коли кілька звільнювальних клапанів скидають середовище в загальний колектор, необхідно оцінити сумарний протитиск у колекторі щодо роботи кожного клапана під час підйому.

5. Польовий випадок

Резервуар для рециркуляції 98,5 % розчину H₂SO₄ на заводі сірчаної кислоти був спроектований як «атмосферний резервуар» і не оснащувався звільнювальним клапаном. Під час пуску паропровідний кран витік, температура кислоти в резервуарі підвищилася, і в ньому накопичився пар. Тиск короткочасно зріс до 0,04 МПа, внаслідок чого вийшов з ладу прокладка люка на даху резервуара й сірчана кислота почала витікати.

Пізніше, згідно з вимогами API 2000 щодо вентиляції атмосферних та низькотискових резервуарів для зберігання, було встановлено комбінований блок дихального й звільнювального клапанів із налаштованим тиском спрацювання 0,03 МПа та пропускною здатністю, розрахованою на максимальну швидкість утворення пари.

Ключовий момент: проектування як атмосферного не означає, що перевищення тиску ніколи не може виникнути. У аналіз сценаріїв перевищення тиску мають бути включені нагрівання, хімічні реакції та помилки в експлуатації.

Висновок

Інженерну логіку для клапанів зниження тиску можна підсумувати так: налаштовувати клапани за джерелом надлишкового тиску (групова захистна схема), визначати розмір отвору для аномального потоку, вибирати тип клапана залежно від протитиску та середовища й контролювати втрати тиску на вході відповідно до правила 3 %. Рамкова методологія API 520/521/526 забезпечує повний ланцюжок — від ідентифікації сценаріїв і розрахунку розмірів до перевірки монтажу. У наступній статті буде розглянуто руйнівні диски та їх сумісне використання з клапанами зниження тиску.

Джерела

API 520 Частина I / Частина II — Розрахунок розмірів, вибір і монтаж пристроїв зниження тиску, American Petroleum Institute (API).

API 521 — Системи зниження тиску та депресурізації, American Petroleum Institute (API).

API 526 — Фланцеві сталеві клапани зниження тиску, American Petroleum Institute (API).

API 2000 — Вентиляція атмосферних і низькотискових резервуарів для зберігання, American Petroleum Institute (API).

Код ASME для котлів і посудин під тиском, розділ VIII, підрозділ 1 — максимальне накопичення 10 % для випадків, що не пов’язані з пожежею, і 21 % — для пожежних випадків.

Shanghai Xiazhao Valve — клапани звільнення тиску та спеціальні клапани. Для підтримки вибору за стандартом API або технічних запитань звертайтеся до нашої інженерної команди.