Как подобрать предохранительный клапан: полное техническое руководство

Короткий ответ: как подобрать размер предохранительного клапана

Чтобы определить размер предохранительный клапан , вам необходимо рассчитать требуемую пропускную способность в массовом или объемном расходе, а затем выбрать площадь отверстия клапана, достаточно большую, чтобы пропустить этот поток при заданном давлении клапана плюс допустимое избыточное давление. Руководящая формула зависит от жидкой фазы — газа, пара или жидкости — и таких стандартов, как АПI 520, часть I , API 526 и ASМЭ, раздел VIII, разд. 1 определяют точный метод расчета.

На практике расчет предохранительного клапана или предохранительного клапана включает в себя четыре основных входа:

• Требуемая скорость сброса давления (кг/ч или фунт/ч)
• Установочное давление и допустимое избыточное давление (обычно 10 % для установок с одним клапаном согласно ASМE)
• Противодавление на выходе клапана
• Физические свойства жидкости в условиях сброса

После расчета необходимой площади отверстия вы выбираете следующий стандартный размер отверстия, больший из таблиц API 526, и никогда не меньший. Предохранительный клапан недостаточного размера не может защитить сосуд; слишком большой болтается, разрушается и протекает.

Почему правильный размер предохранительного клапана имеет большее значение, чем думает большинство инженеров

Предохранительный клапан — это последняя линия защиты между нормальной работой и катастрофическим превышением давления. Недостаточный размер означает, что клапан не может течь достаточно быстро, чтобы предотвратить превышение максимально допустимого рабочего давления в сосуде (MAВтP). Превышение размера создает другую, но столь же серьезную проблему: клапан открывается, выпускает небольшое количество жидкости, закрывается, а затем быстро открывается снова — деструктивное состояние, называемое болтовня .

Вибрация вызывает повреждение сиденья в течение нескольких минут. Вибрирующий предохранительный клапан, срок службы которого должен составлять 10 лет, может быть разрушен в результате одного события, продолжающегося менее часа. Затраты на техническое обслуживание седел клапанов, дисков и форсунок могут составлять от 2000 до 20 000 долларов за клапан, не считая производственных потерь.

Помимо экономики, соблюдение нормативных требований является обязательным. В большинстве юрисдикций сосуды под давлением должны быть защищены предохранительными устройствами, размеры и штампы которых соответствуют признанным нормам. В Соединенных Штатах, Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением, раздел VIII является основным стандартом. В Европе конструкция регулируется Директивой по оборудованию, работающей под давлением (PEД) и EН ISO 4126. Несоблюдение требований влечет за собой юридическую ответственность и может привести к аннулированию страхования оборудования.

Ключевые термины, которые вы должны понять перед определением размера

Определение размеров предохранительного клапана имеет свой собственный словарь. Неправильное понимание даже одного термина может привести к ошибке расчета, которая распространится на весь процесс определения размеров.

Установленное давление

Давление на входе, при котором предохранительный клапан открывается. Для резервуара с МДРД 100 бар ман. давление срабатывания не должно превышать 100 бар ман. Установочное давление указано на паспортной табличке клапана и проверяется во время стендовой настройки.

Избыточное давление

Увеличение давления выше заданного давления, которое происходит, когда клапан открыт и течет. ASME позволяет 10% избыточное давление для одного предохранительного клапана и 16% для случаев пожара. Давление сброса равно давлению срабатывания плюс избыточное давление.

Обратное давление

Давление на выходе клапана, вызванное системой выпускного трубопровода. Противодавление снижает перепад давления на клапане и, следовательно, снижает производительность. Есть два типа:

• Наложенное противодавление — существует до открытия клапана из-за находящегося под давлением коллектора или закрытого выпускного отверстия.
• Созданное противодавление — развивается только при проточном клапане из-за потерь на трение в нагнетательной трубе.

Обычные предохранительные клапаны чувствительны к противодавлению. Если созданное противодавление превышает 10 % от заданного давления, сбалансированный сильфон или предохранительный клапан с пилотным управлением следует учитывать.

Коэффициент расхода (Кд)

Безразмерный коэффициент, учитывающий потери потока через корпус клапана. API 520 использует номинальный коэффициент расхода Кд, который обычно составляет около 0,975 для газа/пара и 0,65 для жидких услуг. Производители публикуют сертифицированные значения Кд, полученные в результате испытаний на поток ASME.

Требуемая площадь отверстия (A)

Минимальное проходное сечение, рассчитанное на основе вашей сменной обязанности. Затем вы сопоставляете его со следующим более крупным стандартным обозначением отверстия из API 526 (D, E, Ф, Г, Ч, Дж, К, л, M, N, P, вопрос, Р, Т).

Шаг за шагом: как подобрать предохранительный клапан для работы с газом или паром

Для определения размеров газа и пара используются уравнения потока сжимаемой жидкости. Методика API 520 Часть I является отраслевым стандартом для этого. Выполните следующие действия по порядку.

Шаг 1. Определите базовый сценарий проектирования

Сначала необходимо определить, что является причиной избыточного давления. Общие сценарии включают блокировку выпускного отверстия, отказ охлаждающей воды, возгорание, разрыв трубки теплообменника и неконтролируемую реакцию. Каждый сценарий создает различный необходимый разгрузочный поток. Размер для наихудшего достоверного отдельного случая, если только философия установки не требует одновременного применения.

Шаг 2. Рассчитайте необходимый сбросный поток

Это происходит на основе моделирования процесса или баланса тепла и материалов. Для заблокированного выпускного отверстия компрессора требуемый расход равен полной производительности компрессора. Для случаев пожара API 521 предоставляет формулу тепловложения:

вопрос = 43 200 × F × А ^0.82 (для смачиваемой поверхности, в БТЕ/ч, британские единицы)

где F — фактор окружающей среды (1,0 для непокрытых сосудов, 0,3 для сосудов с достаточной изоляцией), а A — площадь смачиваемой поверхности в квадратных футах.

Шаг 3. Проверка критического или подкритического потока

Поток через сопло предохранительного клапана становится критическим (запирается), когда отношение противодавления к давлению сброса падает ниже критического соотношения давлений Сf. Для идеального газа Cf зависит от соотношения теплоемкостей (k или γ):

Ср = (2/(к 1)) ^к/(к-1)

Для большинства углеводородов и воздуха k ≈ 1,3–1,4, что дает Cf ≈ 0,545–0,528. Если противодавление/давление сброса ниже Cf, у вас критический расход и используйте более простое уравнение критического расхода. В противном случае используйте докритическую поправку.

Шаг 4. Примените формулу определения размера газа API 520.

Для критического расхода газа (API 520, часть I, уравнение 3):

A = W/(C×Kd×П1×Кб×√(M/(Т×З)))

• A = требуемая площадь отверстия (дюйм²)
• W = требуемая производительность сброса (фунт/ч)
• C = газовая постоянная, полученная из k (безразмерная, указана в таблице API 520, Приложение B)
• Kd = эффективный коэффициент расхода (для предварительного расчета используйте 0,975)
• P1 = давление сброса в фунтах на квадратный дюйм (установочное давление × 1,1 14,7 для атмосферного сброса)
• Kb = поправочный коэффициент противодавления (из значений API 520; 1,0, если противодавление незначительное)
• M = молекулярная масса газа
• T = температура сброса по Рэнкину (°F 460)
• Z = коэффициент сжимаемости в условиях сброса давления (1,0 для идеального газа)

Шаг 5. Выберите стандартный размер отверстия

Возьмите вычисленную площадь A и найдите следующее стандартное обозначение отверстия, большее по API 526. Например, если A = 0,85 дюйма², отверстие D (0,110 дюйма²) слишком маленькое, отверстие E (0,196 дюйма²) слишком маленькое и так далее, пока не найдете подходящее. Никогда не округляйте в меньшую сторону. Выбранное отверстие должно быть равно или больше требуемой площади.

Выбор предохранительного клапана для работы с паром

Для определения размера пара используется упрощенная версия газового уравнения, поскольку свойства пара при насыщении хорошо охарактеризованы. API 520, часть I, содержит формулу, специфичную для пара:

А = Вт/(51,45×Кд×Кш×Кн×Кб×Р1)

• Кш = поправочный коэффициент перегрева (1,0 для насыщенного пара; менее 1,0 для перегретого пара, из API 520, таблица 6)
• Кн = Поправка Нейпира для пара высокого давления (применяется, когда установленное давление превышает 1500 фунтов на квадратный дюйм)
• Остальные переменные определены как для газового сервиса.

Например, предохранительный клапан котла с требуемой пропускной способностью 50 000 фунтов/ч насыщенного пара при заданном давлении 250 фунтов на квадратный дюйм (давление сброса = 275 фунтов на квадратный дюйм), и никакого значительного противодавления не потребуется:

А = 50 000 / (51,45 × 0,975 × 1,0 × 1,0 × 1,0 × 275) ≈ 3,62 дюйма²

Следующим стандартным отверстием большего размера, начиная с API 526, размером более 3,62 дюйма² будет отверстие P диаметром 6,38 дюйма², что является увеличенным размером. На практике вы можете использовать два клапана меньшего размера параллельно, чтобы каждый клапан имел более подходящий размер относительно площади его отверстия — это также обеспечивает избыточность.

Выбор предохранительного клапана для работы с жидкостями

Калибровка жидкости принципиально отличается от калибровки сжимаемой жидкости. Жидкости несжимаемы, поэтому производительность определяется квадратным корнем из дифференциального давления, а не абсолютного давления.

Формула жидкой проклейки API 520:

A = Q/(38 × Kd × кВт × Кс × КВ × √(ΔП/Г))

• Q = требуемый расход сброса в галлонах США в минуту (галлонов в минуту)
• Kd = 0,65 для жидких услуг (не 0,975)
• Kw = поправка на противодавление для сбалансированных клапанов (1,0 для обычных клапанов)
• Kc = коррекция комбинации (1,0, если разрывной диск не установлен на входе, 0,9, если разрывной диск установлен последовательно)
• Kv = поправочный коэффициент вязкости (1,0 для первоначального размера; повторите, если жидкость вязкая)
• ΔP = перепад давления на клапане в фунтах на квадратный дюйм (давление сброса минус противодавление)
• G = удельный вес жидкости по отношению к воде при температуре 60°F

Жидкостные предохранительные клапаны часто требуют УФ-маркировки ASME Раздел VIII, и необходимо использовать специальные версии стандартных корпусов клапанов с жидкостным тримом. Использование корпуса газового/парового клапана для работы с жидкостью без триммера жидкости обычно приводит к значительное снижение мощности и возможная нестабильность.

Поправка на вязкость для густых жидкостей

Если вязкость жидкости в условиях сброса превышает примерно 100 SSU (Saybolt Seconds Universal), коэффициент коррекции вязкости Kv становится значимым. Для коррекции используется число Рейнольдса через отверстие. Начните с Kv = 1,0, рассчитайте площадь пробного отверстия, определите число Рейнольдса, найдите Kv в таблице API 520, а затем пересчитайте. Повторяйте до тех пор, пока площадь отверстия не сойдется — обычно в течение двух или трех итераций для типичных технологических жидкостей.

Стандартные размеры отверстий: справочная таблица API 526

После расчета необходимой площади отверстия вы выбираете следующее стандартное обозначение отверстия из API 526. В таблице ниже показаны стандартные обозначения отверстий и их номинальные площади. Всегда сверяйтесь с техническими данными конкретного производителя, поскольку фактическая эффективная площадь отверстия может незначительно отличаться от номинальных значений API 526.

Как противодавление влияет на выбор и размер предохранительного клапана

Противодавление является одним из наиболее часто неправильно используемых аспектов определения размера предохранительного клапана. Инженеры, которые игнорируют это, в конечном итоге получают клапаны, которые работают не так, как задумано, а иногда даже опасно.

Обычные предохранительные клапаны

В обычном предохранительном клапане с прямой пружиной полость пружины выведена на выпускное отверстие. Это означает, что противодавление действует непосредственно против силы пружины, эффективно повышая установочное давление. Если наложенное противодавление постоянный и известный , клапан можно отрегулировать на стенде для компенсации. Но если противодавление является переменным, давление срабатывания меняется вместе с ним — опасная ситуация. API 520 рекомендует, чтобы Создаваемое противодавление на обычном клапане не превышает 10 % от давления срабатывания. в калибре.

Сбалансированные сильфонные предохранительные клапаны

В сбалансированном сильфонном предохранительном клапане используется гибкий элемент, который изолирует пружину от противодавления, поддерживая стабильное установленное давление независимо от условий на выходе. Эти клапаны могут выдерживать противодавление до примерно 50% от заданного давления без существенного ухудшения производительности, хотя емкость по-прежнему снижается с ростом противодавления, и поправка Kb все еще применяется.

Предохранительные клапаны с пилотным управлением

Предохранительный клапан с пилотным управлением использует технологическое давление, чтобы удерживать седло главного клапана закрытым. Главный клапан открывается только тогда, когда пилот чувствует избыточное давление. Эти клапаны по существу невосприимчивы к влиянию противодавления на давление срабатывания и могут работать при противодавлении до 80% давления срабатывания в некоторых конструкциях . Их часто выбирают для применений с высоким давлением, факельных коллекторов со значительным противодавлением и ситуаций, когда точное установленное давление имеет решающее значение.

Двухфазная и смешанная помощь: особые соображения

Когда сбрасывающая жидкость представляет собой двухфазную смесь жидкости и пара, ни газовый, ни жидкостный метод калибровки не применяется напрямую. Жидкости для испарения, реактивные системы и холодильные контуры часто приводят к двухфазным сценариям сброса давления. Занижение размера в этих случаях является обычным и опасным.

К общепризнанным методам двухфазной калибровки относятся:

• Методика DIERS (Проектный институт систем аварийной помощи) — наиболее строгий подход, разработанный специально для реактивных и неравновесных двухфазных систем.
• Омега-метод — упрощенная модель равновесия Люнга (1986), принятая в API 520, Приложение C; использует один параметр ω, полученный на основе расчетов вспышки при 90% и 100% давления сброса.
• HEM (Homogeneous Equilibrium Model) — предполагает полное термодинамическое равновесие и гомогенное перемешивание; консервативен для большинства приложений

Для двухэтапного определения размеров обычно требуется симулятор процесса (например, Aspen HYSYS, SimSci PRO/II или VMGSim) для генерации флэш-данных в условиях разгрузки. Полученная требуемая площадь отверстия часто оказывается в 2-5 раз больше чем то, что предполагает расчет чистого пара для той же скорости потока. Вот почему многие заводы, определявшие размеры предохранительных клапанов, предполагающие работу только с парами, обнаружили, что их размеры сильно занижены, когда фактическая жидкость была двухфазной.

Падение давления на входе: правило 3%, которое игнорируется

Давление на входе клапана в режиме потока не должно падать более чем на 3 % ниже установленного давления (согласно API 520, часть II и API 526). Этот предел падения давления на входе в 3 % является одним из наиболее часто нарушаемых ограничений в практике монтажа и вызывает вибрацию.

И вот почему: подпружиненный предохранительный клапан начинает закрываться, когда давление на входе падает. Если впускной трубопровод имеет высокое сопротивление, давление на входе клапана резко падает при открытии клапана. Если это падение превышает продувку (снижение давления, необходимое для повторного закрытия клапана — обычно 7–10% от установочного давления для технологических клапанов), клапан закрывается до восстановления давления в системе, а затем открывается снова. Цикл повторяется — это дребезг, и он разрушает седло клапана.

На практике правило 3% означает, что впускная труба должна быть короткой и большого диаметра. Грубый ориентир: впускной патрубок должен быть по крайней мере такого же размера, как размер входного соединения клапана из таблицы API 526, а эквивалентную длину впускного трубопровода следует свести к минимуму. Перед окончательным проектированием установки рассчитайте фактическое падение давления при полном сбросном расходе, используя уравнение Дарси-Вейсбаха.

Определение размеров пожарного корпуса: когда преобладает тепловая разгрузка

Случаи пожара часто определяют размеры предохранительных клапанов для резервуаров для хранения и технологического оборудования, расположенного в зонах с легковоспламеняющимися материалами. Сценарий предполагает возгорание бассейна вокруг судна, нагревание содержимого и образование пара, который необходимо удалить.

API 521 предоставляет два уравнения для тепловложения при пожаре: одно для смоченной поверхности (жидкость под пламенем) и одно для несмачиваемой поверхности (паровое пространство). Уравнение смачиваемой поверхности обычно определяет и дает тепловложение в БТЕ/ч или кВт. Затем это подводимое тепло делится на скрытую теплоту испарения жидкости в условиях разгрузки, чтобы получить требуемую скорость потока пара.

Одна важная деталь: пожарный корпус позволяет 21% избыточного давления согласно разделу VIII ASME (по сравнению с 10% для обычных случаев), что несколько уменьшает требуемую площадь отверстия. Однако ASME также требует, чтобы в случае пожара использовался либо специальный противопожарный клапан, установленный на 110 % от максимального рабочего давления (в то время как первичный клапан находится на уровне 100 %), либо путем демонстрации того, что первичный клапан имеет достаточную пропускную способность для обоих сценариев.

Пример: горизонтальный резервуар, содержащий 10 000 галлонов нафты, с смоченной поверхностью 2 000 футов², без дренажа, без изоляции и без подачи воды для пожаротушения (F = 1,0):

Q = 43 200 × 1,0 × 2000 ^0.82 ≈ 34 200 000 БТЕ/ч

Если скрытая теплота нафты в условиях сброса составляет 120 БТЕ/фунт, требуемый расход пара составляет 285 000 фунтов/час — очень большое требование для сброса, которое, вероятно, повлечет за собой выбор нескольких предохранительных клапанов с большим отверстием или клапана с пилотным управлением.

Распространенные ошибки при выборе размеров и как их избежать

Использование неправильной жидкой фазы

Если предположить, что весь сброс представляет собой пар, а фактическая жидкость в условиях сброса давления является двухфазной, это может привести к уменьшению размера клапана в 3 и более раз. Всегда выполняйте мгновенный расчет при сбросе давления и температуры, чтобы определить фактическую фазу и состав текущей жидкости.

Игнорирование противодавления в факельных системах

По мере того, как установка стареет и к факельному коллектору добавляются дополнительные нагрузки, противодавление возрастает. Клапан, рассчитанный на противодавление 5 фунтов на квадратный дюйм в год, может увидеть обратное давление 25 фунтов на квадратный дюйм десять лет спустя, когда расширение производства нагружает факельную систему. Перепроверьте предположения о противодавлении во время проверок Управления изменениями.

Выбор клапанов увеличенного размера «в целях безопасности»

Инстинкт увеличения прибыли за счет выбора клапана большего размера контрпродуктивен. Предохранительный клапан слишком большого размера дребезжит, что приводит к механическим повреждениям и утечкам. API 520, часть I, прямо предупреждает: выбранное отверстие должно находиться как можно ближе к расчетной требуемой площади, не заходя ниже нее. Если при следующем увеличении стандартного размера клапан будет больше необходимого более чем на 10%, рассмотрите возможность использования меньшего давления срабатывания или двух клапанов меньшего размера параллельно.

Забывание комбинированного поправочного коэффициента Kc

Если разрывная мембрана установлена перед предохранительным клапаном, комбинация действует как единое устройство, и производительность снижается. API 520 определяет Kc = 0,9, если конкретная комбинация не была протестирована и сертифицирована. Многие инженеры применяют этот коэффициент только к формуле определения размера жидкости и забывают, что он применим и к определению размера газа.

Не учитывается рабочее давление по сравнению с заданным давлением

Раздел VIII ASME требует, чтобы предохранительный клапан оставался закрытым и не давал утечек при нормальных условиях эксплуатации. API рекомендует минимум 10% рабочий запас между нормальным рабочим давлением и заданным давлением (т. е. установочное давление должно быть как минимум в 1,1 раза больше максимального нормального рабочего давления). Клапаны, работающие слишком близко к заданному давлению, вызывают закипание, утечку седла и преждевременный износ.

Программное обеспечение и инструменты для расчета предохранительных клапанов

Ручной расчет с использованием уравнений API 520 прост для однофазных жидкостей, но требует много времени для больших систем сброса давления со многими клапанами. Несколько программных инструментов автоматизируют этот процесс:

• Aspen FLARENET / Анализатор факельной системы Aspen — отраслевой стандарт моделирования факельной сети; одновременно определяет размеры предохранительных клапанов и анализирует противодавление в коллекторе
• API ЭПКОН — dedicated API 520/521/526 sizing tool; широко используется для индивидуального определения размеров клапана
• Crosby Engineering Handbook online sizing tool — предоставлено Emerson/Crosby для быстрого определения размеров их клапанов.
• Лезер VALVESTAR — Европаan manufacturer tool; applies both API and EN ISO 4126 methods
• КОМПРЕСС / ФЭ Элит — в основном программное обеспечение для проектирования сосудов, но включает встроенные модули для определения размеров предохранительных клапанов

Эти инструменты уменьшают количество ошибок в расчетах и создают документацию для подачи в регулирующие органы. Однако они требуют правильных входных данных. Мусор на входе, мусор на выходе — понимание основных уравнений и предположений необходимо для выявления ошибок в выходных данных программного обеспечения.

Regulatory and Code Requirements Summary

В разных регионах и отраслях применяются разные нормы для определения размеров и установки предохранительных клапанов. В таблице ниже приведены основные стандарты:

Practical Checklist for Safety Valve Sizing

Используйте этот контрольный список перед окончательным расчетом размеров предохранительного клапана и спецификацией закупки.

1. Определите все вероятные сценарии избыточного давления и определите основной случай (максимально необходимый сбросный поток).
2. Подтвердите максимальное рабочее давление и установите давление, обеспечив рабочий запас как минимум на 10 % выше максимального нормального рабочего давления.
3. Определите фазу сбрасывающей жидкости (газ, жидкость, пар, двухфазная фаза) при заданном давлении плюс избыточное давление.
4. Соберите свойства жидкости: молекулярный вес, коэффициент k, сжимаемость Z, вязкость, скрытое тепло, удельный вес.
5. Оцените противодавление (наложенное и накопленное) и выберите соответствующий тип клапана.
6. Примените правильную формулу API 520 для жидкой фазы и рассчитайте необходимую площадь отверстия A.
7. Примените все поправочные коэффициенты (Kb, Kc, Kw, Kv), применимые к вашей установке.
8. Выберите следующее стандартное отверстие большего размера из API 526; убедитесь, что выбранная область не более чем примерно на 10 % больше требуемой (во избежание риска дребезга)
9. Убедитесь, что падение давления на впускном трубопроводе при полном сбросе давления не превышает 3 % от установленного давления.
10. Убедитесь, что противодавление в выпускном трубопроводе при полном сбросе давления находится в пределах допустимого предела для данного типа клапана.
11. Укажите конструкционные материалы, совместимые с технологической жидкостью и температурой.
12. Убедитесь, что на клапане имеется правильный код (UV для раздела VIII ASME, V для обслуживания котла раздела I)