Nyomáscsökkentő szelep méretezése, tesztelése és karbantartása feldolgozóüzemekben

A nyomáscsökkentő szelepek szerepe és típusai

A nyomáscsökkentő szelep (PRV) egy rugóterhelt eszköz, amely automatikusan kinyílik, amikor a bemenő nyomás meghaladja az előre beállított értéket. A túlzott nyomás csökkentése érdekében folyadékot enged ki, majd újra zár, amikor a nyomás a visszazárási nyomás alá csökken. A PRV-k megvédik a nyomástartó edényeket, hőcserélőket, csőrendszereket és szivattyúkat a tervezési nyomáskorlátok túllépésétől.

• Hagyományos rugóterhelt biztonsági szelep: A leggyakoribb típus. A rugóerő tartja a lemezt a fúvóka ülékén. Érzékeny a visszanyomásra a kimeneti gyűjtőben — a növekvő visszanyomás csökkenti a hatékony beállított nyomást, és okozhat rezgést (csattogást).
• Kiegyensúlyozott membrános biztonsági szelep: A rugókamrát rugalmas membrán elem választja el a kimeneti oldaltól. Tűri a változó vagy ráépülő visszanyomást a beállított nyomás 50%-áig. Előnyös korróziós környezetben és jelentős visszanyomás esetén.
• Vezérelt biztonsági szelep (PORV): A rendszer nyomását használja a fő dugattyú zárva tartására. Az üzemi nyomáshoz képest 5%-on belül állítható be anélkül, hogy tévesen nyílna vagy szivárogna. Széles körben alkalmazzák nagy nyomású és nagy kapacitású gázszolgáltatásban.

A pontos bemenő nyomásmérés elengedhetetlen a PRV védelmi rendszerekhez. A Yokogawa EJA530E nyomásmérő adó biztosítja a magas pontosságú nyomásmérést, amely szükséges a berendezés üzemi nyomásának PRV beállított nyomásához viszonyított figyeléséhez a folyamatipari alkalmazásokban.

Méretezési alapelvek az API 520 és ASME szabvány szerint

A túl kicsi méretű biztonsági szelepek nem képesek elég gyorsan csökkenteni a tervezett túlnyomásos esetet. A túlméretezett szelepek csattognak — gyorsan nyílnak és záródnak ismétlődően — ami károsítja az ülést és a lemezt, és idő előtti szivárgást okoz. Az elsődleges méretezési szabvány az API Standard 520 (Nyomáscsökkentő eszközök méretezése, kiválasztása és telepítése). A kiegészítő szabvány, az API 526, a csatlakozó peremek értékelését, a furatjelöléseket és a szabványos bemeneti/kimeneti méreteket határozza meg.

Az alapvető folyadékáramlás-méretezési egyenlet meghatározza a szükséges hatékony kimeneti területet A:

Folyadék szolgáltatás esetén: A = Q / (38 × Kd × Kw × Kc × √(ΔP / G))

ahol Q a térfogatáram (US gal/min), Kd a hatékony kisülési tényező (folyadék esetén általában 0,65), Kw a visszanyomás korrekciós tényezője, Kc a szakítólemez beépítésének kombinált korrekciós tényezője, ΔP a beállított feltételek szerinti nyomáskülönbség (psi), G pedig a vízhez viszonyított fajlagos sűrűség. Gáz- és gőzszolgáltatás esetén a képletbe belép a kompresszibilitási tényező Z és a fajhő arány k, továbbá a kritikus vagy szubkritikus áramlási tartományt is meg kell határozni a méretezési képlet alkalmazása előtt.

Az ASME VIII. szakasz szabályozza, hogy egyetlen biztonsági szelep telepítése esetén a berendezés védhető a MAWP 110%-án, míg tűzeseti védelemnél két szelep alkalmazásával 116%-án. A figyelembe veendő túlnyomásos esetek közé tartozik: elzárt kimenet, visszaáramlás meghibásodása, külső tűz, hőcserélő csőrepedés, elzárt folyadékok hőtágulása és segédüzemi meghibásodások. Az Emerson Anderson Greenwood és Crosby termékcsaládjai lefedik a hagyományos, kiegyensúlyozott membrános és vezérelt biztonsági szelepek teljes skáláját API folyamatipari szolgáltatáshoz.

Beállított nyomás igazítása és ellenőrzése

Az ASME szabvány előírja, hogy a tényleges hideg differenciális tesztnyomás (CDTP) ±3%-on belül legyen a névleges beállított nyomáshoz képest 70 psig feletti beállításoknál, és ±2 psi-en belül 70 psig vagy az alatti beállításoknál. A beállított nyomás igazítása megköveteli a szelep kiszerelését és tanúsított tesztállványon végzett padlótesztet.

• 1. lépés — Hideg differenciális korrekció: Ha a folyamat üzemi hőmérséklete jelentősen eltér a padlóteszt környezeti hőmérsékletétől, alkalmazzon hőmérséklet-korrekciós tényezőt a rugó merevségének változása miatt.
• 2. lépés — Rugó beállítása: Állítsa be a beállított nyomást a rugófedél állítócsavarjának meghúzásával vagy lazításával. A meghúzás növeli a beállított nyomást. Egy negyedfordulat általában 2–15 psi változást eredményez a rugó tartományától függően.
• 3. lépés — Nyitási teszt: Lassan növelje a bemenő nyomást nitrogén vagy víz segítségével. Jegyezze fel a nyomást, ahol a lemez felemelkedik, és a visszazárási nyomást, ahol újra zár. Ellenőrizze, hogy mindkét érték az ASME tűréshatáron belül van-e. Rugóterhelt szelepeknél a visszazárási nyomás általában 7–10%-kal alacsonyabb a beállított nyomásnál.
• 4. lépés — Ülés szivárgásvizsgálat: Az újrazárás után alkalmazzon 90%-os beállított nyomást, és legalább egy percig ellenőrizze, hogy nincs-e látható szivárgás az ülésnél. A szivárgás üléskárosodást vagy szennyeződést jelez. Csiszolja vagy cserélje az ülést és a lemezt szükség szerint.
• 5. lépés — Védőzár és dokumentáció: A padlóteszt sikeres elvégzése után helyezzen el manipulációt gátló zárat az állítócsavar fedelén. Állítson ki kalibrációs tanúsítványt, amely tartalmazza a beállított nyomást, a teszt dátumát, a technikus nevét, a tesztberendezés sorozatszámát és a következő esedékesség dátumát.

Üzem közbeni ellenőrzési és karbantartási program

Az API Ajánlott Gyakorlat 576 (Nyomáscsökkentő eszközök ellenőrzése) keretet ad az ellenőrzési időközökre és elfogadási kritériumokra. Az API 580 kockázatalapú ellenőrzési (RBI) módszertana lehetővé teszi a létesítmények számára az ellenőrzési időközök meghosszabbítását vagy lerövidítését a korróziós sebesség, a szolgáltatás súlyossága és a szelep korábbi teljesítménye alapján. A hagyományos ellenőrzési időközök általános szénhidrogén szolgáltatásban 5 év. Korróziós vagy szennyeződéses szolgáltatásoknál 2–3 év. Tiszta segédüzemi szolgáltatásban a szelepek RBI program keretében, dokumentált műszaki indoklással akár 10 éves időközöket is kaphatnak.

• Ülés szivárgás: A leggyakoribb üzem közbeni meghibásodás. A korrózió, erózió vagy folyamatból származó lerakódások károsítják a csiszolt ülések felületét. Enyhe üléskárosodás kézi csiszolással javítható. Súlyos károsodás esetén új ülés- és lemezalkatrészek szükségesek.
• Rugó korrózió és repedés: Feszültségkorróziós repedés (SCC) H2S vagy korróziós szolgáltatásokban katasztrofális rugómeghibásodást okozhat. A rugókat vizuálisan ellenőrizni kell pitting, korrózió és repedések szempontjából. A látható sérülést mutató rugókat cserélni kell.
• Bemeneti fúvóka eltömődés: Polimerizáló folyadékok, vízkő vagy kokszlerakódások részlegesen elzárhatják a bemeneti fúvókát, csökkentve a tényleges kiürítési kapacitást a tervezett érték alá. A szennyeződéses szolgáltatásban lévő szelepek rövidebb ellenőrzési időközöket igényelnek, esetleg hőfűtött vagy tisztító rendszerrel ellátott bemeneti csatlakozást.
• Beragadt nyitott állapot: Folyamatból származó lerakódások tartják a lemezt az ülés felett egy kiürítési esemény után. A részlegesen nyitott biztonsági szelep folyamatosan szivárog, terméket pazarol, és nem nyújt teljes védelmet a következő túlnyomásos esemény esetén. Minden ismert kiürítési esemény után ellenőrizze és végezzen padlótesztet.

A GE Oil and Gas (jelenleg Baker Hughes) nyomáscsökkentő szelepei, amelyeket tenger alatti és nagy nyomású gázalkalmazásokban használnak, duplex rozsdamentes acél alkatrészeket tartalmaznak, amelyek kifejezetten a hidrogén-szulfid (H2S) NACE MR0175-kompatibilis szolgáltatásra készültek. Savanyú gáz szolgáltatásra szelep kiválasztásakor ellenőrizze, hogy minden nedves fém alkatrész megfelel-e a NACE keménységi és anyagkövetelményeknek a szulfid feszültségrepedés megelőzése érdekében.

Következtetés és javaslatok

A nyomáscsökkentő szelepek védik a személyzetet és a létesítményt, de csak akkor, ha megfelelően méretezik, helyesen állítják be és rendszeresen karbantartják. Alkalmazza az API 520 méretezési szabályokat minden túlnyomásos esetre. Hozzon létre dokumentált ellenőrzési programot az API 576 szerint, RBI indoklással a meghosszabbított időközökhöz. Minden szelepet padlóteszteljen az ütemezett időközökben vagy bármely ismert kiürítési esemény után. Rögzítse a hideg differenciális tesztnyomás korrekciókat minden magas hőmérsékletű telepítésnél. Soha ne helyezzen vissza szolgálatba szelepet ülés szivárgással — még egy kis folyamatos szivárgás is gyorsítja az üléskárosodást, és végül megakadályozza a szelep újrazárását a következő túlnyomásos eseménynél. Egy jól karbantartott PRV program töredékébe kerül egyetlen váratlan edényrepedésnek vagy folyamatleállásnak.

Szerző: Liu Mingzhe, ipari automatizálási mérnök, több mint 10 éves tapasztalattal PLC, DCS és vezérlőrendszerek területén.