Размери, тестване и поддръжка на клапани за облекчаване на налягането в преработвателни заводи

Основи на инженерството и практики на място за избор на предпазни клапани, оразмеряване според API 520/526, настройка на зададеното налягане и процедури за тест на отваряне на място

Роля и видове предпазни клапани

Предпазният клапан (PRV) е устройство с пружина, което се отваря автоматично, когато налягането преди клапана надвиши предварително зададена стойност. Той изпуска флуид, за да облекчи свръхналягането, след което се затваря отново, когато налягането спадне до налягането на затваряне. PRV защитават налягането съдове, топлообменници, тръбопроводи и помпи от превишаване на проектните им налягания.

В индустриалните процесни инсталации доминират три типа. Първо, конвенционалният предпазен клапан с пружина е най-често срещаният тип. Силата на пружината държи диска притиснат към седалката на дюзата. Когато входното налягане надвиши зададеното, дискът се повдига и потокът се изпуска към колектора за облекчаване. Този тип е чувствителен към обратно налягане в изпускателния колектор — увеличаването на обратно налягане намалява ефективното зададено налягане и може да предизвика вибрации.

Второ, балансираният предпазен клапан с мехурче изолира пружинната камера от изпускателната страна чрез гъвкав мехур. Тази конструкция понася променливо или наслагващо се обратно налягане до 50% от зададеното налягане без да влияе на работата при отваряне. Той е предпочитан за корозивни среди и ситуации с значително натрупано обратно налягане.

Трето, пилотно-управляваният предпазен клапан (PORV) използва системното налягане, за да държи основния бутален клапан затворен. Малък пилотен клапан усеща входното налягане и освобождава основния бутален клапан при достигане на зададеното налягане. PORV могат да се настроят много по-близо до работното налягане (в рамките на 5%) без фалшиво отваряне или вибрации. Те са широко използвани при високо налягане и голям капацитет газови услуги, където конвенционалните клапани с пружина биха били прекалено големи.

Основи на оразмеряването според API 520 и ASME кодекса

Недоразмерените предпазни клапани не могат да облекчат свръхналягането бързо достатъчно. Преоразмерените клапани вибрират — бързо се отварят и затварят многократно — което поврежда седалката и диска и причинява преждевременно изтичане. Затова правилното оразмеряване е критично както за безопасността, така и за надеждността.

Основният стандарт за оразмеряване в процесните инсталации е API Стандарт 520 (Оразмеряване, избор и монтаж на предпазни устройства). Съпътстващият стандарт API 526 определя класове на фланци, обозначения на отвори и стандартни размери на вход/изход.

Основното уравнение за оразмеряване на течен поток определя необходимата ефективна площ на изпускане A:

За течна услуга: A = Q / (38 × Kd × Kw × Kc × √(ΔP / G))

където Q е обемният дебит (US гал/мин), Kd е ефективният коефициент на изпускане (обикновено 0,65 за течна услуга), Kw е корекционният коефициент за обратно налягане, Kc е корекционният коефициент за инсталиране на предпазен диск, ΔP е налягането на диференциала при зададените условия (psi), а G е относителната плътност спрямо вода.

За газова и парна услуга в уравнението влизат факторът на компресируемост Z и отношението на специфичните топлини k, а преди прилагане на формулата трябва да се определи дали потокът е критичен или подкритичен.

Кодексът ASME Раздел VIII позволява съдовете да се защитават при 110% от максимално допустимото работно налягане (MAWP) за единична инсталация на предпазен клапан, или при 116% за защита при пожар с два предпазни клапана. Зададеното налягане на клапана не трябва да надвишава MAWP, отбелязано на табелката на съда.

Случаите на свръхналягане, които трябва да се вземат предвид при оразмеряването, включват: блокиран изход, отказ на рефлукс, външен пожар, разкъсване на тръба в топлообменници, термично разширение на блокирани течности и сценарии на отказ на комунални услуги. Най-голямата необходима площ за облекчаване от всички достоверни случаи определя крайния избор на клапан.

Продуктовите линии Anderson Greenwood и Crosby на Emerson покриват пълния диапазон от конвенционални, балансирани с мехур и пилотно-управлявани предпазни клапани за API процесни услуги. Техните онлайн инструменти за оразмеряване прилагат уравненията на API 520 и генерират документи, съвместими с ASME, за регистрация на налягане съдове.

Настройка и проверка на зададеното налягане

Зададеното налягане е входното манометърно налягане, при което предпазният клапан е проектиран да се отвори. Кодексът ASME изисква действителното студено диференциално тестово налягане (CDTP) да е в рамките на ±3% от зададеното на табелката за налягания над 70 psig, и в рамките на ±2 psi за налягания на или под 70 psig.

Настройката на зададеното налягане изисква сваляне на клапана от експлоатация. Клапанът се тества на стенд с калибриран източник на налягане.

Стъпка 1: Корекция за студена диференция — Ако работната температура на процеса се различава значително от температурата на стенда, прилага се температурен корекционен коефициент за промени в силата на пружината с температурата. CDTP ще се различава от работното зададено налягане с тази корекция.

Стъпка 2: Настройка на пружината — Зададеното налягане се регулира чрез затягане или отпускане на регулиращия винт на капачката на пружината. Затягането увеличава силата на пружината и повишава зададеното налягане. Всяко четвърт завъртане на регулиращия винт променя зададеното налягане с определена от производителя стойност — обикновено 2–15 psi в зависимост от диапазона на пружината.

Стъпка 3: Тест на отваряне (Pop Test) — Прилага се бавно входно налягане с азот или вода. Записва се налягането, при което дискът се повдига, и налягането на затваряне, при което се връща на място. Проверява се дали и двете стойности са в рамките на толеранса на ASME. За клапани с пружина затварянето обикновено е 7–10% под зададеното налягане.

Стъпка 4: Тест за изтичане на седалката — След затваряне се прилага 90% от зададеното налягане и се потвърждава, че няма видимо изтичане на седалката поне за една минута. Изтичането показва повреда или замърсяване на седалката. Полирайте или сменете седалката и диска при необходимост.

Стъпка 5: Запечатване и документация — След успешно преминаване на теста се поставя пломба против манипулация върху капачката на регулиращия винт. Издава се сертификат за калибриране с запис на зададеното налягане, дата на теста, техник, серийни номера на тестовото оборудване и следваща дата за проверка.

Програма за инспекция и поддръжка по време на експлоатация

API Препоръчителна практика 576 (Инспекция на предпазни устройства) осигурява рамка за интервали на инспекция и критерии за приемане. Методологията за инспекция, базирана на риска (RBI) от API 580 позволява на заводите да удължават или съкращават интервалите за инспекция според скоростта на корозия, тежестта на услугата и историческото представяне на клапаните.

Обичайните интервали за инспекция на предпазни клапани в обща въглеводородна услуга са 5 години. Корозивни или замърсяващи услуги изискват интервали от 2–3 години. Клапани в чисти комунални услуги като пара или чист азот могат да имат 10-годишни интервали при RBI програма с документирано инженерно обоснование.

Чести повреди, срещани при инспекция:

• Изтичане на седалката — най-честата повреда по време на експлоатация. Корозия, ерозия или процесни отлагания повреждат полираните повърхности на седалката. Лека повреда може да се коригира с ръчно полиранe. Тежките повреди изискват нови компоненти на седалката и диска.
• Корозия и напукване на пружината — стрес корозионно напукване (SCC) при H2S или корозивни услуги може да доведе до катастрофална повреда на пружината. Пружините трябва да се инспектират визуално за ръжда, корозия и пукнатини. Подменяйте пружини с видими повреди.
• Запушване на входната дюза — полимеризиращи се течности, варовик или коксни отлагания частично блокират входната дюза, намалявайки реалния капацитет на облекчаване под проектираната стойност. Клапаните в замърсяващи услуги изискват по-кратки интервали за инспекция и евентуално отопляема или поддържана с промивка входна връзка.
• Залепване в отворено положение — причинено от процесни отлагания, които задържат диска отворен след събитие на облекчаване. Частично отворен предпазен клапан тече непрекъснато, губи продукт и не осигурява пълна защита при следващо свръхналягане. Винаги инспектирайте и тествайте на стенд след всяко известно облекчаване.

Предпазните клапани GE Oil and Gas (сега Baker Hughes), използвани в офшорни и високоналягани газови приложения, включват компоненти от дуплексна неръждаема стомана, специално проектирани за услуги с водороден сулфид (H2S) съвместими с NACE MR0175. При избор на клапани за киселинен газ проверявайте дали всички метални части, които са в контакт с флуида, отговарят на изискванията за твърдост и материал според NACE, за да се предотврати напукване от сулфиден стрес.

Заключение и препоръки за действие

Предпазните клапани защитават както персонала, така и активите на завода, но само когато са правилно оразмерени, коректно настроени и редовно поддържани. Прилагайте дисциплината на оразмеряване според API 520 за всички случаи на свръхналягане — не оразмерявайте само за един случай и не разчитайте на консервативност за останалите. Създайте документирана програма за инспекция според API 576 с RBI обосновка за удължени интервали. Тествайте всеки клапан на стенд в определения му интервал или след всяко известно облекчаване. Записвайте корекциите за студено диференциално тестово налягане при всяка вискотемпературна инсталация. Никога не връщайте клапан в експлоатация с изтичане на седалката — дори малко непрекъснато изтичане ускорява повредата на седалката и в крайна сметка пречи на клапана да се затвори след следващото свръхналягане. Добре поддържаната програма за PRV струва част от цената на едно непланирано разкъсване на съд или спиране на процеса.