Cum să dimensionați o supapă de siguranță: un ghid tehnic complet

Răspunsul scurt: Cum să dimensionați o supapă de siguranță

La dimensiunea a supapa de siguranta , trebuie să calculați capacitatea de eliberare necesară în debit masic sau volumetric, apoi selectați o zonă a orificiului supapei suficient de mare pentru a trece acel debit la presiunea stabilită a supapei plus suprapresiune permisă. Formula de guvernare depinde de faza fluidă - gaz, abur sau lichid - și standarde precum API 520 Partea I , API 526 și ASME Secțiunea VIII Div. 1 definiți metoda exactă de calcul.

În practică, dimensionarea unei supape de limitare a presiunii sau a unei supape de siguranță implică patru intrări de bază:

• Debitul de eliberare necesar (kg/h sau lb/h)
• Presiunea de reglare și suprapresiune permisă (de obicei 10% pentru instalațiile cu o singură supapă conform ASME)
• Contrapresiune la ieșirea supapei
• Proprietățile fizice ale fluidului în condiții de eliberare

Odată ce ați calculat aria necesară a orificiului, selectați următoarea dimensiune standard a orificiului mai mare din tabelele API 526 - niciodată mai mică. O supapă de siguranță subdimensionată nu protejează vasul; unul supradimensionat zvâcnește, se erodează și se scurge.

De ce dimensionarea corectă a supapei de siguranță contează mai mult decât își dau seama majoritatea inginerilor

O supapă de siguranță este ultima linie de apărare între funcționarea normală și un eveniment catastrofal de suprapresiune. Subdimensionarea înseamnă că supapa nu poate curge suficient de rapid pentru a împiedica vasul să depășească presiunea maximă de lucru permisă (MAWP). Supradimensionarea creează o problemă diferită, dar la fel de gravă: supapa se deschide, eliberează o cantitate mică de lichid, se închide și apoi se deschide din nou în succesiune rapidă - o condiție distructivă numită vorbărie .

Chatter-ul provoacă deteriorarea scaunului în câteva minute. O supapă de siguranță care ar trebui să dureze 10 ani poate fi distrusă într-un singur eveniment care durează mai puțin de o oră. Costurile de întreținere pentru scaunele supapelor, discurile și duzele pot varia de la 2.000 USD la 20.000 USD per supapă, fără a lua în calcul pierderile de producție.

Dincolo de economie, respectarea reglementărilor este obligatorie. În majoritatea jurisdicțiilor, recipientele sub presiune trebuie protejate cu dispozitive de relief dimensionate și ștampilate în conformitate cu codurile recunoscute. In Statele Unite, Codul cazanelor și recipientelor sub presiune ASME Secțiunea VIII este standardul principal. În Europa, Directiva echipamentelor sub presiune (PED) și EN ISO 4126 guvernează proiectarea. Nerespectarea creează răspundere legală și poate anula asigurarea echipamentului.

Termeni cheie pe care trebuie să-i înțelegeți înainte de a mări

Dimensionarea supapei de siguranță are propriul vocabular. Neînțelegerea chiar și a unui singur termen poate duce la o eroare de calcul care se propagă pe parcursul întregului exercițiu de dimensionare.

Setare Presiune

Presiunea de intrare la care supapa de siguranță este setată să se deschidă. Pentru o navă cu un MAWP de 100 barg, presiunea stabilită nu trebuie să depășească 100 barg. Presiunea reglată este ștanțată pe plăcuța de identificare a supapei și testată în timpul setării pe banc.

Suprapresiune

Creșterea presiunii peste presiunea stabilită care are loc în timp ce supapa este deschisă și curge. ASME permite 10% suprapresiune pentru o singură supapă de siguranță și 16% pentru cazuri de incendiu. Presiunea de eliberare este egală cu presiunea setată plus suprapresiune.

Presiunea din spate

Presiune la ieșirea supapei, cauzată de sistemul de conducte de refulare. Contrapresiunea reduce presiunea diferențială pe valvă și, prin urmare, reduce capacitatea. Există două tipuri:

• Presiunea din spate suprapusă — există înainte ca supapa să se deschidă, din cauza unui colector presurizat sau a unei ieșiri închise.
• Presiune din spate acumulată — se dezvoltă numai când supapa curge, din cauza pierderilor prin frecare în conducta de refulare.

Supapele de siguranță convenționale sunt sensibile la contrapresiunea. Dacă contrapresiunea acumulată depășește 10% din presiunea setată, a burduf echilibrat sau supapă de suprapresiune acţionată pilot ar trebui luate în considerare.

Coeficientul de descărcare (Kd)

Un factor adimensional care ține cont de pierderile de curgere prin corpul supapei. API 520 utilizează un coeficient nominal de descărcare, Kd, care este de obicei în jur 0,975 pentru serviciul gaz/vapori și 0,65 pentru serviciul lichid. Producătorii publică valori Kd certificate din testele de debit ASME.

Suprafața orificiului necesară (A)

Suprafața minimă de debit calculată din datoria dvs. de scutire. Apoi potriviți acest lucru cu următoarea denumire standard mai mare a orificiului din API 526 (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T).

Pas cu pas: Cum să dimensionați o supapă de siguranță pentru service cu gaz sau vapori

Dimensionarea gazelor și vaporilor utilizează ecuații de curgere compresibilă. Metodologia API 520 Partea I este standardul industrial pentru aceasta. Urmați acești pași în ordine.

Pasul 1: Identificați scenariul de bază de proiectare

Mai întâi trebuie să determinați ce cauzează suprapresiunea. Scenariile obișnuite includ priza blocată, defecțiunea apei de răcire, expunerea la foc, ruperea tubului schimbătorului de căldură și reacția de fugă. Fiecare scenariu produce un flux diferit necesar de eliberare. Dimensiunea pentru cel mai rău caz unic credibil, cu excepția cazului în care filosofia de instalare necesită cazuri simultane.

Pasul 2: Calculați fluxul de eliberare necesar

Aceasta provine dintr-o simulare a procesului sau dintr-un echilibru termic și material. Pentru o ieșire blocată a unui compresor, debitul necesar este egal cu debitul complet al compresorului. Pentru cazurile de incendiu, API 521 furnizează formula de aport de căldură:

Q = 43.200 × F × A ^0.82 (pentru suprafața umedă, în BTU/h, unități imperiale)

unde F este un factor de mediu (1,0 pentru vasele goale, 0,3 pentru vasele izolate corespunzător) și A este suprafața umedă în picioare pătrate.

Pasul 3: Verificați fluxul critic sau subcritic

Debitul printr-o duză a supapei de siguranță devine critic (înfundat) atunci când raportul dintre contrapresiunea și presiunea de reducere scade sub raportul de presiune critică Cf. Pentru un gaz ideal, Cf depinde de raportul căldurilor specifice (k sau γ):

Cf = (2/(k 1)) ^k/(k-1)

Pentru majoritatea hidrocarburilor și aerului, k ≈ 1,3–1,4, dând Cf ≈ 0,545–0,528. Dacă contrapresiunea / presiunea de eliberare este sub Cf, aveți debit critic și utilizați ecuația mai simplă a debitului critic. În caz contrar, utilizați corecția subcritică.

Pasul 4: Aplicați formula de dimensionare a gazelor API 520

Pentru debitul critic de gaz (API 520 Partea I, Ecuația 3):

A = W / (C × Kd × P1 × Kb × √(M / (T × Z)))

• A = suprafața orificiului necesară (in²)
• W = capacitatea de eliberare necesară (lb/h)
• C = constanta de gaz derivată din k (adimensională, tabelată în API 520 Anexa B)
• Kd = coeficient efectiv de descărcare (utilizați 0,975 pentru dimensionarea preliminară)
• P1 = eliberarea presiunii în psia (presiune stabilită × 1,1 14,7 pentru descărcarea atmosferică)
• Kb = factor de corecție a contrapresiunii (din cifrele API 520; 1,0 dacă contrapresiunea este neglijabilă)
• M = greutatea moleculară a gazului
• T = temperatură de ameliorare în Rankine (°F 460)
• Z = factor de compresibilitate în condiții de eliberare (1,0 pentru gazul ideal)

Pasul 5: Selectați dimensiunea orificiului standard

Luați aria calculată A și găsiți următoarea desemnare standard a orificiului mai mare în API 526. De exemplu, dacă A = 0,85 in², un orificiu D (0,110 in²) este prea mic, un E (0,196 in²) este prea mic și așa mai departe până când găsiți potrivirea potrivită. Nu rotunjiți niciodată în jos. Orificiul selectat trebuie să fie egal sau mai mare decât suprafața necesară.

Dimensionarea unei supape de siguranță pentru service cu abur

Dimensionarea aburului utilizează o versiune simplificată a ecuației gazului, deoarece proprietățile aburului la saturație sunt bine caracterizate. API 520 Partea I oferă o formulă specifică pentru abur:

A = W / (51,45 × Kd × Ksh × Kn × Kb × P1)

• Ksh = factor de corecție a supraîncălzirii (1,0 pentru aburul saturat; mai puțin de 1,0 pentru aburul supraîncălzit, din API 520 Tabelul 6)
• Kn = Corecție Napier pentru abur de înaltă presiune (se aplică atunci când presiunea setată depășește 1.500 psia)
• Alte variabile sunt definite ca pentru serviciul de gaz

De exemplu, o supapă de siguranță a cazanului cu o capacitate de eliberare necesară de 50.000 lb/h de abur saturat la 250 psig presiune stabilită (de eliberare a presiunii = 275 psia) și nicio contra-presiune semnificativă ar necesita:

A = 50.000 / (51,45 × 0,975 × 1,0 × 1,0 × 1,0 × 275) ≈ 3,62 inchi pătrați

Din API 526, următorul orificiu standard mai mare de peste 3,62 in² ar fi un orificiu P la 6,38 in², care este supradimensionat. În practică, s-ar putea să utilizați două supape mai mici în paralel pentru a menține fiecare supapă dimensionată mai adecvat în raport cu zona orificiului său - acest lucru oferă, de asemenea, redundanță.

Dimensionarea unei supape de siguranță pentru serviciul lichid

Dimensionarea lichidului este fundamental diferită de dimensionarea fluidului compresibil. Lichidele sunt incompresibile, astfel încât capacitatea este determinată de rădăcina pătrată a presiunii diferențiale, mai degrabă decât de presiunea absolută.

Formula de calibrare a lichidului API 520 este:

A = Q / (38 × Kd × Kw × Kc × Kv × √(ΔP / G))

• Q = debitul de eliberare necesar în galoane SUA pe minut (gpm)
• Kd = 0,65 pentru servicii lichide (nu 0,975)
• Kw = corectarea contrapresiunii pentru supape echilibrate (1,0 pentru supape convenționale)
• Kc = corecție combinată (1,0 dacă nu există un disc de rupere în amonte, 0,9 dacă discul de rupere este instalat în serie)
• Kv = factor de corecție a vâscozității (1,0 pentru dimensionarea inițială; repetați dacă fluidul este vâscos)
• ΔP = presiune diferențială pe valvă în psi (presiunea de eliberare minus contrapresiunea)
• G = greutatea specifică a lichidului în raport cu apa la 60°F

Supapele de siguranță pentru lichide necesită adesea ștampila UV ASME Secțiunea VIII și trebuie utilizate versiuni speciale de garnitură de lichid ale corpurilor de supape standard. Utilizarea unui corp de supapă de gaz/abur pentru serviciul de lichide fără reglaj lichid are ca rezultat de obicei reducerea semnificativă a capacității și posibilă instabilitate.

Corecția vâscozității pentru fluide groase

Dacă vâscozitatea fluidului în condiții de ameliorare depășește aproximativ 100 SSU (Saybolt Seconds Universal), factorul de corecție a vâscozității Kv devine semnificativ. Corecția folosește numărul Reynolds prin orificiu. Începeți cu Kv = 1,0, calculați o zonă a orificiului de probă, determinați numărul Reynolds, căutați Kv din diagrama API 520, apoi recalculați. Iterați până când zona orificiului converge - de obicei în două sau trei iterații pentru fluidele tipice de proces.

Dimensiuni standard ale orificiilor: Tabel de referință API 526

Odată ce ați calculat aria necesară a orificiului, selectați următoarea denumire standard a orificiului din API 526. Tabelul de mai jos arată denumirea orificiului standard și zonele lor nominale. Verificați întotdeauna cu fișa de date a producătorului specific, deoarece suprafețele efective efective ale orificiilor pot varia ușor față de valorile nominale API 526.

Cum afectează contrapresiunea selecția și dimensionarea supapei de siguranță

Contrapresiunea este unul dintre aspectele cel mai frecvent manipulate greșit ale dimensionării supapei de reducere a presiunii. Inginerii care o ignoră ajung cu supape care funcționează diferit față de proiectare – uneori periculos.

Supape de siguranță convenționale

O supapă de siguranță convențională cu arc direct are cavitatea arcului aerisită la ieșire. Aceasta înseamnă că contrapresiunea acționează direct împotriva forței arcului, ridicând efectiv presiunea setata. Dacă contrapresiunea suprapusă este constantă și cunoscută , supapa poate fi setată pe banc pentru a compensa. Dar dacă contrapresiunea este variabilă, presiunea setată se schimbă odată cu ea - o situație periculoasă. API 520 recomandă ca contrapresiunea acumulată pe o supapă convențională nu depășește 10% din presiunea de reglare în gabarit.

Supape de siguranță cu burduf echilibrat

O supapă de limitare a presiunii cu burduf echilibrat folosește un element flexibil pentru a izola arcul de contrapresiunea, menținând stabilă presiunea stabilită indiferent de condițiile de ieșire. Aceste supape pot face față contrapresiunii până la aproximativ 50% din presiunea setata fără o degradare semnificativă a performanței, deși capacitatea încă scade odată cu creșterea contrapresiunii și corecția Kb încă se aplică.

Supape de reducere a presiunii acţionate cu pilot

O supapă de siguranță acționată pilot folosește presiunea procesului pentru a menține scaunul principal al supapei închis. Supapa principală se deschide numai atunci când pilotul detectează suprapresiune. Aceste supape sunt în esență imune la efectele contrapresiunii asupra presiunii setate și pot funcționa cu contrapresiuni de până la 80% din presiunea stabilită în unele modele . Acestea sunt adesea alese pentru aplicații de înaltă presiune, colectoare de flare cu contra-presiune acumulată semnificativă și situații în care presiunea setată precisă este critică.

Relief în două faze și mixte: considerații speciale

Când fluidul de eliberare este un amestec lichid-vapori în două faze, nici metoda de dimensionare a gazului, nici a lichidului nu se aplică direct. Fluidele intermitente, sistemele reactive și circuitele de refrigerare produc adesea scenarii de relief în două faze. Subdimensionarea în aceste cazuri este obișnuită și periculoasă.

Metodele recunoscute pentru dimensionarea în două faze includ:

• Metodologia DIERS (Institutul de proiectare pentru sisteme de ajutor de urgență) — cea mai riguroasă abordare, dezvoltată special pentru sistemele reactive și neechilibrate în două faze
• Metoda Omega — un model simplificat de echilibru din Leung (1986), adoptat în API 520 Anexa C; utilizează un singur parametru ω derivat din calcule flash la 90% și 100% din presiunea de eliberare
• HEM (Model de echilibru omogen) — presupune echilibru termodinamic complet și amestecare omogenă; conservatoare pentru majoritatea aplicațiilor

Dimensionarea în două faze necesită de obicei un simulator de proces (cum ar fi Aspen HYSYS, SimSci PRO/II sau VMGSim) pentru a genera date flash în condiții de ușurare. Zona orificiului necesară rezultată este adesea De 2 până la 5 ori mai mare decât ceea ce ar sugera un calcul cu vapori puri pentru același debit. Acesta este motivul pentru care multe instalații care au dimensionat supapele de siguranță presupunând funcționarea exclusivă a vaporilor au descoperit că acestea sunt foarte subdimensionate atunci când fluidul real era în două faze.

Căderea presiunii la intrare: regula de 3% care este ignorată

Presiunea la intrarea supapei atunci când curge nu trebuie să scadă cu mai mult de 3% sub presiunea stabilită (conform API 520 Partea II și API 526). Această limită de 3% a căderii presiunii la admisie este una dintre constrângerile cel mai frecvent încălcate în practica de instalare și provoacă vibrații.

Iată de ce: o supapă de siguranță cu arc începe să se închidă când presiunea de admisie scade. Dacă conducta de admisie are rezistență ridicată, presiunea la admisia supapei scade brusc atunci când supapa se deschide. Dacă această scădere depășește timpul de purjare (reducerea presiunii necesară pentru reașezarea supapei - de obicei 7-10% din presiunea stabilită pentru supapele de proces), supapa se închide înainte ca presiunea din sistem să fie recuperată, apoi se deschide din nou. Ciclul se repetă – acesta este zgomot și distruge scaunul supapei.

În practică, regula 3% înseamnă că conducta de admisie trebuie să fie scurtă și cu diametru mare. Un ghid aproximativ: duza de admisie ar trebui să fie cel puțin la fel de mare ca dimensiunea conexiunii la intrarea supapei din tabelul API 526, iar lungimea echivalentă a conductei de admisie trebuie redusă la minimum. Calculați căderea reală de presiune la debitul de eliberare complet folosind ecuația Darcy-Weisbach înainte de a finaliza proiectarea instalării.

Dimensiunea carcasei de incendiu: când domină relieful termic

Cazurile de incendiu guvernează adesea dimensionarea supapelor de siguranță pentru recipientele de depozitare și echipamentele de proces situate în zone cu stocuri inflamabile. Scenariul presupune un incendiu în piscină care înconjoară vasul, încălzind conținutul și generând vapori care trebuie eliberați.

API 521 furnizează două ecuații pentru aportul de căldură de foc - una pentru suprafața umedă (lichid sub flacără) și una pentru suprafața neumezită (spațiul de vapori). Ecuația suprafeței umede guvernează de obicei și oferă un aport de căldură în BTU/h sau kW. Acest aport de căldură este apoi împărțit la căldura latentă de vaporizare a lichidului în condiții de ușurare pentru a da debitul necesar de vapori.

Un detaliu critic: carcasa de incendiu permite 21% suprapresiune conform ASME Secțiunea VIII (față de 10% pentru cazuri normale), care reduce oarecum aria orificiului necesară. Cu toate acestea, ASME solicită, de asemenea, ca cazul de incendiu să fie tratat fie printr-o supapă de degajare dedicată, setată la 110% din MAWP (în timp ce supapa primară este la 100%), fie prin demonstrarea faptului că supapa primară are o capacitate suficientă pentru ambele scenarii.

Exemplu: un vas orizontal care conține 10.000 de galoane de naftă cu 2.000 ft² de suprafață umedă, fără drenaj, fără izolație și fără aplicare de apă pentru stingerea incendiilor (F = 1,0):

Q = 43.200 × 1,0 × 2.000 ^0.82 ≈ 34.200.000 BTU/h

Dacă căldura latentă a naftei în condiții de eliberare este de 120 BTU/lb, debitul de vapori necesar este de 285.000 lb/h - o cerință foarte mare de eliberare care ar conduce probabil la alegerea mai multor supape de siguranță cu orificii mari sau a unei supape pilotate.

Greșeli frecvente de dimensionare și cum să le evitați

Utilizarea fazei fluide greșite

Presupunând că eliberarea este totală de vapori atunci când fluidul real în condițiile de eliberare este bifazat, poate subdimensiona supapa cu un factor de 3 sau mai mult. Efectuați întotdeauna un calcul rapid la eliberarea presiunii și a temperaturii pentru a determina faza reală și compoziția fluidului care curge.

Ignorarea contrapresiunii în sistemele Flare

Pe măsură ce o plantă îmbătrânește și se adaugă mai multe încărcături de ușurare la header-ul, contrapresiunea crește. O supapă dimensionată pentru contrapresiune de 5 psi în anul unu poate vedea o presiune inversă de 25 psi zece ani mai târziu, deoarece extinderile producției încarcă sistemul de ardere. Verificați din nou ipotezele contrapresiunii în timpul analizelor Management of Change.

Selectarea supapelor supradimensionate „Pentru siguranță”

Instinctul de a adăuga o marjă selectând o supapă mai mare este contraproductiv. O supapă de siguranță supradimensionată vibra, provocând daune mecanice și scurgeri. API 520 Partea I avertizează în mod explicit: orificiul selectat ar trebui să fie cât mai aproape posibil de suprafața necesară calculată fără a trece sub aceasta. Dacă următoarea dimensiune standard mai mare are ca rezultat o supapă cu peste 10% mai mare decât este necesar, luați în considerare utilizarea unei presiuni de setare mai mică sau a două supape mai mici în paralel.

Uitând factorul de corecție combinație Kc

Când un disc de rupere este instalat în amonte de o supapă de siguranță, combinația acționează ca un singur dispozitiv și capacitatea este redusă. API 520 specifică Kc = 0,9 cu excepția cazului în care combinația specifică a fost testată și certificată. Mulți ingineri aplică acest factor numai formulei de dimensionare a lichidului și uită că se aplică și dimensionării gazului.

Nu se ține seama de presiunea de funcționare față de presiunea setată

Secțiunea VIII ASME necesită ca supapa de siguranță să rămână închisă și să nu prezinte scurgeri în condiții normale de funcționare. API recomandă un minim 10% marja de operare intre presiunea normala de functionare si presiunea setata (adică, presiunea stabilită ar trebui să fie de cel puțin 1,1 × presiunea maximă normală de funcționare). Supapele au funcționat prea aproape pentru a seta presiunea experiența fierberii, scurgerii scaunului și uzării premature.

Software și instrumente pentru dimensionarea supapelor de siguranță

Calculul manual folosind ecuațiile API 520 este simplu pentru fluide monofazate, dar devine consumator de timp pentru sistemele mari de degajare cu multe supape. Mai multe instrumente software automatizează procesul:

• Aspen FLARENET / Analizor de sistem Aspen Flare — standard industrial pentru modelarea rețelelor de flare; dimensionează supapele de siguranță și analizează simultan contrapresiunea colectorului
• EPCON API — instrument de dimensionare dedicat API 520/521/526; utilizat pe scară largă pentru dimensionarea individuală a supapelor
• Instrument de dimensionare online Crosby Engineering Handbook — furnizate de Emerson/Crosby pentru dimensionarea rapidă a produselor lor cu supape
• Leser VALVESTAR — instrument de producător european; aplică atât metodele API, cât și EN ISO 4126
• COMPRESE / PV Elite — în principal software de proiectare a vaselor, dar include module integrate de dimensionare a supapelor de siguranță

Aceste instrumente reduc erorile de calcul și generează documentație pentru trimiterile de reglementare. Cu toate acestea, ele necesită intrări corecte. Garbage in, garbage out — înțelegerea ecuațiilor și a ipotezelor de bază este esențială pentru a detecta erorile în ieșirea software-ului.

Rezumatul cerințelor de reglementare și cod

Diferite regiuni și industrii aplică coduri diferite pentru dimensionarea și instalarea supapelor de siguranță. Tabelul de mai jos rezumă standardele primare:

Lista de verificare practică pentru dimensionarea supapei de siguranță

Utilizați această listă de verificare înainte de a finaliza orice calcul al dimensionării supapei de siguranță și specificația de achiziție.

1. Identificați toate scenariile de suprapresiune credibile și determinați cazul de guvernare (debitul maxim necesar de evacuare)
2. Confirmați MAWP și reglați presiunea, asigurând cel puțin 10% marja de funcționare peste presiunea maximă normală de funcționare
3. Determinați faza fluidului de eliberare (gaz, lichid, abur, bifazic) la presiunea setată plus suprapresiune
4. Colectați proprietățile fluidului: greutate moleculară, raport k, compresibilitate Z, vâscozitate, căldură latentă, greutate specifică
5. Estimați contrapresiunea (suprapusă și acumulată) și selectați tipul de supapă în consecință
6. Aplicați formula corectă API 520 pentru faza fluidă și calculați aria necesară a orificiului A
7. Aplicați toți factorii de corecție (Kb, Kc, Kw, Kv) aplicabili pentru instalația dvs
8. Selectați următorul orificiu standard mai mare din API 526; verificați că zona selectată nu este cu mai mult de aproximativ 10% mai mare decât este necesar (pentru a evita riscul de vibrații)
9. Verificați dacă scăderea presiunii în conducta de admisie la debitul complet de eliberare nu depășește 3% din presiunea stabilită
10. Confirmați că contrapresiunea conductei de refulare la debitul de eliberare complet se află în limita permisă a tipului de supapă
11. Specificați materialele de construcție compatibile cu fluidul de proces și temperatura
12. Confirmați că supapa poartă ștampila corectă a codului (UV pentru ASME Secțiunea VIII, V pentru Secțiunea I service cazan)