Dimenzionisanje, testiranje i održavanje ventila za rasterećenje pritiska u procesnim postrojenjima

Osnove inženjerstva i terenske prakse za izbor PRV-a, dimenzionisanje prema API 520/526, podešavanje radnog pritiska i procedure pop testiranja na licu mesta

Uloga i vrste ventila za rasterećenje pritiska

Ventil za rasterećenje pritiska (PRV) je uređaj sa oprugom koji se automatski otvara kada pritisak na ulazu premaši unapred određenu vrednost. On ispušta fluid kako bi ublažio stanje prekomernog pritiska, a zatim se ponovo zatvara kada pritisak padne na vrednost za zatvaranje. PRV štite pritisne posude, izmenjivače toplote, cevovodne sisteme i pumpe od prekoračenja njihovih projektnih pritisnih granica.

Tri tipa dominiraju u industrijskim procesnim postrojenjima. Prvi je konvencionalni ventil za rasterećenje sa oprugom, koji je najčešći tip. Opruga drži disk pritisnutim na sedište mlaznice. Kada pritisak na ulazu premaši radni pritisak, disk se podiže i protok se ispušta u kolektor za rasterećenje. Ovaj tip je osetljiv na povratni pritisak u kolektoru za ispuštanje — povećanje povratnog pritiska smanjuje efektivni radni pritisak i može izazvati podrhtavanje ventila.

Drugi je ventil za rasterećenje sa izbalansiranim mehurastim elementom koji odvaja komoru opruge od strane za ispuštanje pomoću fleksibilnog mehurastog elementa. Ovaj dizajn podnosi promenljiv ili superponirani povratni pritisak do 50% radnog pritiska bez uticaja na performanse otvaranja. To je poželjan izbor za korozivne usluge i situacije sa značajnim nakupljenim povratnim pritiskom.

Treći je pilot-ventil za rasterećenje (PORV) koji koristi pritisak sistema da drži glavni klip zatvorenim. Mali pilot ventil detektuje pritisak na ulazu i oslobađa glavni klip kada se dostigne radni pritisak. PORV ventili mogu biti podešeni mnogo bliže radnom pritisku (u okviru 5%) bez lažnog otvaranja ili podrhtavanja. Široko se koriste u visokopritisnim i visokokapacitetnim gasnim uslugama gde bi konvencionalni ventili sa oprugom bili preveliki.

Osnove dimenzionisanja prema API 520 i ASME kodu

Premali ventili za rasterećenje ne mogu dovoljno brzo osloboditi projektovani prekomerni pritisak. Preveliki ventili podrhtavaju — brzo se otvaraju i zatvaraju što oštećuje sedište i disk i uzrokuje prevremeno curenje. Ispravno dimenzionisanje je stoga ključno za bezbednost i pouzdanost.

Primarni standard za dimenzionisanje u procesnim postrojenjima je API Standard 520 (Dimenzionisanje, izbor i instalacija uređaja za rasterećenje pritiska). Prateći standard, API 526, definiše ocene prirubnica, oznake otvora i standardne dimenzije ulaza/izlaza.

Osnovna jednačina za dimenzionisanje protoka tečnosti određuje potrebnu efektivnu površinu otvora A:

Za tečne medije: A = Q / (38 × Kd × Kw × Kc × √(ΔP / G))

Gde je Q zapreminski protok (US gal/min), Kd efektivni koeficijent protoka (obično 0,65 za tečne medije), Kw faktor korekcije povratnog pritiska, Kc kombinovani korekcioni faktor za ugradnju sigurnosnog diska, ΔP je pritisna razlika pri radnim uslovima (psi), a G je specifična gustina u odnosu na vodu.

Za gasove i pare, u jednačinu ulaze faktor kompresibilnosti Z i odnos specifičnih toplota k, a pre primene formule mora se odrediti da li je protok kritičan ili podkritičan.

ASME Sekcija VIII dozvoljava zaštitu posuda na 110% maksimalnog dozvoljenog radnog pritiska (MAWP) za instalaciju jednog ventila, ili na 116% za zaštitu od požara sa dva ventila. Radni pritisak ventila ne sme premašiti MAWP označen na pločici posude.

Scenariji prekomernog pritiska koji se moraju uzeti u obzir pri dimenzionisanju uključuju: blokiran izlaz, kvar povratnog toka, spoljašnji požar, pucanje cevi u izmenjivačima toplote, termalno širenje blokiranih tečnosti i scenarije kvara komunalnih sistema. Najveća potrebna površina rasterećenja iz svih verovatnih slučajeva određuje konačni izbor ventila.

Emerson-ove linije proizvoda Anderson Greenwood i Crosby pokrivaju pun spektar konvencionalnih, izbalansiranih mehurastih i pilot-ventila za API procesne usluge. Njihovi onlajn alati za dimenzionisanje primenjuju API 520 jednačine i generišu ASME-kompatibilne dokumentacione pakete za registraciju pritisnih posuda.

Podešavanje radnog pritiska i verifikacija

Radni pritisak je ulazni manometarski pritisak pri kojem je ventil dizajniran da se otvori. ASME kod zahteva da stvarni hladni diferencijalni test pritiska (CDTP) bude u okviru ±3% od radnog pritiska sa pločice za pritiske iznad 70 psig, i u okviru ±2 psi za radne pritiske na ili ispod 70 psig.

Podešavanje radnog pritiska zahteva uklanjanje ventila iz upotrebe. Ventil se testira na testnom stendu sa sertifikovanim izvorom pritiska.

Korak 1: Korekcija hladnog diferencijala — Ako se radna temperatura procesa značajno razlikuje od temperature na testnom stolu, primenjuje se faktor korekcije temperature da bi se uzela u obzir promena sile opruge sa temperaturom. CDTP će se razlikovati od radnog pritiska za ovu korekciju.

Korak 2: Podešavanje opruge — Radni pritisak se podešava zatezanjem ili otpuštanjem šrafa za podešavanje na poklopcu opruge. Zatezanjem šrafa se povećava sila opruge i podiže radni pritisak. Svaki četvrtokretanje šrafa menja radni pritisak za proizvođačem određeni iznos — obično 2–15 psi u zavisnosti od opsega opruge.

Korak 3: Pop test — Polako se primenjuje ulazni pritisak koristeći azot ili vodu. Beleži se pritisak pri kojem se disk podiže i pritisak zatvaranja pri kojem se disk ponovo zatvara. Proverava se da li su obe vrednosti u okviru ASME tolerancije. Za ventile sa oprugom, pritisak zatvaranja je obično 7–10% ispod radnog pritiska.

Korak 4: Test curenja sedišta — Nakon zatvaranja, primenjuje se 90% radnog pritiska i potvrđuje da nema vidljivog curenja na sedištu diska najmanje jedan minut. Curenje ukazuje na oštećenje sedišta ili kontaminaciju. Sedište i disk se poliraju ili zamenjuju po potrebi.

Korak 5: Pečat protiv neovlašćenog podešavanja i dokumentacija — Nakon uspešnog testa na stolu, postavlja se pečat koji pokazuje da nije bilo neovlašćenog podešavanja preko poklopca šrafa za podešavanje. Izdaje se sertifikat kalibracije sa zabeleženim radnim pritiskom, datumom testa, tehničarem, serijskim brojevima testne opreme i sledećim rokom za test.

Program inspekcije i održavanja u radu

API Preporučena praksa 576 (Inspekcija uređaja za rasterećenje pritiska) pruža okvir za intervale inspekcije i kriterijume prihvatanja. Metodologija inspekcije zasnovane na riziku (RBI) iz API 580 omogućava postrojenjima da produže ili skrate intervale inspekcije na osnovu brzine korozije, težine usluge i istorijskih performansi ventila.

Uobičajeni intervali inspekcije za ventile u opštoj usluzi ugljovodonika su 5 godina. Korozivne ili usluge sa začepljenjem zahtevaju intervale od 2–3 godine. Ventili u čistim uslugama kao što su para ili čist azot mogu imati intervale do 10 godina u okviru RBI programa sa dokumentovanim inženjerskim opravdanjem.

Uobičajeni načini kvara tokom inspekcije:

• Curenje sedišta — najčešći kvar u radu. Korozija, erozija ili procesni talozi oštećuju polirane površine sedišta. Manja oštećenja sedišta mogu se ispraviti ručnim poliranjem. Ozbiljna oštećenja zahtevaju nove komponente sedišta i diska.
• Korozija i pucanje opruge — pucanje usled naprezanja u H2S ili korozivnim uslugama može izazvati katastrofalni kvar opruge. Opruge se moraju vizuelno pregledati na prisustvo udubljenja, korozije i pukotina. Zameniti opruge sa vidljivim oštećenjima.
• Začepljenje ulazne mlaznice — polimerizujući fluidi, kamenac ili naslage koksa delimično blokiraju ulaznu mlaznicu, smanjujući stvarni kapacitet rasterećenja ispod projektovanog. Ventili u uslugama sa začepljenjem zahtevaju kraće intervale inspekcije i moguće grejanu ili održavanu ulaznu vezu sa pročišćavanjem.
• Stanje zaglavljenog otvorenog ventila — uzrokovano procesnim talozima koji drže disk podignutim nakon događaja rasterećenja. Delimično otvoren ventil curi kontinuirano, troši proizvod i ne pruža punu zaštitu pri sledećem prekomernom pritisku. Uvek pregledati i testirati na stolu nakon poznatog događaja rasterećenja.

GE Oil and Gas (sada Baker Hughes) ventili za rasterećenje pritiska korišćeni u offshore i visokopritisnim gasnim aplikacijama uključuju komponente od duplex nerđajućeg čelika posebno dizajnirane za usluge sa sumporovodoničnim gasom (H2S) u skladu sa NACE MR0175 standardom. Prilikom izbora ventila za usluge sa kiselim gasom, proveriti da li svi metalni delovi u kontaktu sa fluidom ispunjavaju NACE zahteve za tvrdoću i materijal kako bi se sprečilo pucanje usled sulfida.

Zaključak i preporuke za akciju

Ventili za rasterećenje pritiska štite i osoblje i imovinu postrojenja, ali samo ako su pravilno dimenzionisani, pravilno podešeni i redovno održavani. Primena API 520 discipline dimenzionisanja na sve scenarije prekomernog pritiska — ne dimenzionisati samo za jedan slučaj i pretpostaviti da konzervativnost pokriva ostale. Uspostaviti dokumentovani program inspekcije prema API 576 sa RBI opravdanjem za produžene intervale. Testirati svaki ventil na stolu u zakazanim intervalima ili nakon poznatog događaja rasterećenja. Beležiti korekcije hladnog diferencijalnog testa za svaku instalaciju na visokim temperaturama. Nikada ne vraćati ventil u rad sa curenjem sedišta — čak i malo kontinuirano curenje ubrzava oštećenje sedišta i na kraju sprečava ponovno zatvaranje ventila nakon sledećeg prekomernog pritiska. Dobro održavan program PRV košta samo deo cene jedne neplanirane rupture posude ili zaustavljanja procesa.