Co robi zawór ciśnieniowy?

2024-09-20

Przewodnik zastawki ciśnieniowej

Zawory ciśnieniowe są niezbędnymi urządzeniami bezpieczeństwa, które kontrolują, regulują i łagodzą ciśnienie w układach płynów. Ten kompleksowy przewodnik obejmuje zawory zwolnienia, zawory zmniejszające ciśnienie, regulatory ciśnienia i urządzenia kontroli ciśnienia w zastosowaniach przemysłowych.

Kontrola ciśnienia ma kluczowe znaczenie w każdym systemie obsługującym ciecze lub gazy pod ciśnieniem. Niezależnie od tego, czy masz do czynienia z kotłami parowymi, systemami hydraulicznymi, czyli sieci dystrybucji wody, zawory ciśnieniowe służą jako podstawowy mechanizm bezpieczeństwa zapobiegający katastrofalnym awarie i optymalizacyjnym wydajności systemu.

Co to jest zawór ciśnieniowy? (Definicja i funkcje podstawowe)

Zawór ciśnienia to automatyczne urządzenie kontroli przepływu zaprojektowane do regulacji ciśnienia systemu poprzez otwarcie w celu uwolnienia nadmiernego ciśnienia lub zamknięcia w celu utrzymania stabilnych warunków pracy. Te zawory sterujące ciśnieniem działają zarówno jako urządzenia bezpieczeństwa, jak i optymalizatorów wydajności.

Funkcje podstawowe:

Regulacja ciśnienia:Utrzymuje ciśnienie systemu w określonych granicach
Ochrona nad ciśnieniem:Zapobiega uszkodzeniu sprzętu poprzez uwalnianie nadmiernego ciśnienia
Kontrola przepływu:Dostosowuje przepływ płynów w celu zoptymalizowania wydajności systemu
Zapewnienie bezpieczeństwa:Działa jako ostatnia linia obrony przed niepowodzeniami związanymi z ciśnieniem

Definicja techniczna:

Zgodnie z sekcją ISME BPVC urządzeniem pomocy ciśnieniowej jest „urządzenie uruchamiane przez nacisk statyczny wlotowy i zaprojektowany do otwarcia podczas awaryjnych lub nieprawidłowych warunków, aby zapobiec wzrostowi ciśnienia płynu wewnętrznego przekraczające określoną wartość”.

Jak działają zawory kontroli ciśnienia: zasady techniczne

Podstawowy mechanizm pracy

Zawory zwolnienia ciśnieniowe działają na zasadzie równowagi siły:

Równanie równowagi Force:F₁ (siła ciśnienia wlotu) = f₂ (siła sprężyna) + f₃ (siła ciśnienia wstecznego)

Gdzie:

F₁ = P₁ × A (ciśnienie na wlocie × Efektywna powierzchnia dysku)
F₂ = odległość sprężynowa × odległość kompresji
F₃ = p₂ × a (obszar backrasy × dysk)

Sekwencja operacyjna:

Ustaw presję:Zawór pozostaje zamknięty, gdy ciśnienie systemu
Presja na pękanie:Początkowe otwarcie występuje przy 95-100% ustalonego ciśnienia
Pełna winda:Całkowite otwarcie przy 103-110% ustalonego ciśnienia (na API 526)
Presja na ponowne satysfakcję:Zawór zamyka się na 85-95% ustalonego ciśnienia (typowy wydmuch)

Kluczowe parametry techniczne:

Parametr	Definicja	Typowy zakres
Ustaw nacisk	Ciśnienie, na którym zawór zaczyna się otwierać	10-6000 psig
Nadciśnienie	Ciśnienie powyżej ustawiania ciśnienia podczas rozładowania	3-10% ustalonego ciśnienia
Bubdown	Różnica między ciśnieniem zestawu a remontem	5-15% ustalonego ciśnienia
Presja wsteczna	Downstream Wpływa na wydajność zaworu	<10% ustalonego ciśnienia (konwencjonalne)
Współczynnik przepływu (CV)	Współczynnik pojemności zastawki	Różni się w zależności od wielkości/designu

Rodzaje urządzeń kontroli ciśnienia: specyfikacje techniczne

1. Zawory bezpieczeństwa ciśnieniowego (PSV) i zawory bezpieczeństwa (SRV)

Standardy techniczne:ASME BPVC Creator I & VIII, API 520/526

Sprężynowe zawory bezpieczeństwa

Zakres operacyjny:15 psig do 6000 psig
Zakres temperatur:-320 ° F do 1200 ° F.
Zakres pojemności:1 do 100 000+ SCFM
Przybory:Stal węglowa, stal nierdzewna 316/304, Inconel, Hastelloy

Obliczanie pojemności (usługa gazowa):W = ckdp₁kshkv√ (m/t)

Gdzie:

W = wymagana pojemność (lb/h)
C = współczynnik rozładowania
Kd = współczynnik korekcji współczynnika wyładowania
P₁ = Ustaw ciśnienie + nadciśnienie (PSIA)
KSH = współczynnik korekcji przegrzania
KV = współczynnik korekcji lepkości
M = masa cząsteczkowa
T = temperatura bezwzględna (° R)

Pilot obsługiwane zastawki bezpieczeństwa (POSRV)

Zalety:Ścisły odcięcie, duża pojemność, zmniejszona gadanie
Zakres ciśnienia:25 psig do 6000 psig
Dokładność:± 1% ustalonego ciśnienia
Zastosowania:Usługa gazu o dużej pojemności, krytyczne zastosowania procesowe

2. Zawory redukujące ciśnienie (regulatory ciśnienia)

Standardy techniczne:ANSI/ISA 75.01, IEC 60534

Organy ciśnienia bezpośrednie

Współczynnik redukcji ciśnienia:Do 10: 1
Dokładność:± 5-10% ustalonego ciśnienia
Zakres przepływu:0,1 do 10 000 GPM
Czas odpowiedzi:1-5 sekund

Formuła wielkości:Cv = q√ (g/(δp))

Gdzie:

CV = współczynnik przepływu
Q = natężenie przepływu (GPM)
G = ciężkość właściwą
ΔP = spadek ciśnienia (psi)

Pilotowe zawory zmniejszające ciśnienie

Współczynnik redukcji ciśnienia:Do 100: 1
Dokładność:± 1-2% ustalonego ciśnienia
RangeAbibility:100: 1 Typowy
Zastosowania:Zastosowania o wysokim przepływie i wysokim ciśnieniu

3. Regulatory ciśnienia tylnego i zawory kontrolne

Funkcjonować:Utrzymuj stałe ciśnienie w górę, kontrolując przepływ niższy

Specyfikacje techniczne:

Zakres ciśnienia:5 psig do 6000 psig
Współczynnik przepływu:0,1 do 500+ CV
Dokładność:± 2% ustalonego ciśnienia
Przybory:316 SS, Hastelloy C-276, Inconel 625

Zastosowania przemysłowe i studia przypadków

Przemysł wytwarzania energii

Zawory bezpieczeństwa kotła parowego (sekcja ASME)

Wymagana pojemność:Musi rozładować całą parę wygenerowaną bez przekraczania 6% powyżej ustawionego ciśnienia
Minimalne wymagania:Jeden zawór bezpieczeństwa na kocioł; Dwa zawory dla powierzchni ogrzewania> 500 stóp kwadratowych
Testowanie:Test podnoszenia ręcznego co 6 miesięcy (wysokie ciśnienie) lub kwartalne (niskie ciśnienie)

Studium przypadku: elektrownia o mocy 600 MW

Główne ciśnienie pary: 2400 psig
Ciśnienie ustawione zaworu bezpieczeństwa: 2465 PSIG (103% ciśnienia roboczego)
Wymagana pojemność: 4,2 miliona funtów/h
Konfiguracja: Wiele zaworów bezpieczeństwa obciążonych sprężynami 8 x 10 cali

Przemysł naftowy i gazowy

Systemy bezpieczeństwa ciśnienia w rurociągu (API 521)

Presja projektowa:1,1 × maksymalne dopuszczalne ciśnienie robocze (MAOP)
Rozmiar zaworu bezpieczeństwa:Na podstawie maksymalnych przewidywanych scenariuszy przepływu i ciśnienia
Przybory:Sour Gas Service wymaga zgodności NACE MR0175

Studium przypadku: stacja rurociągów gazu ziemnego

Ciśnienie robocze: 1000 psig
Ciśnienie zaworu bezpieczeństwa: 1100 psig
Zapotrzebowanie na pojemność: 50 mmscfd
Instalacja: 6 "x 8" zastawek bezpieczeństwa obsługiwanego przez pilotaż

Obróbka i dystrybucja wody

Stacje zaworów zmniejszające ciśnienie

Presja wlotowa:150-300 PSIG (podaż miejskich)
Presja wylotowa:60-80 PSIG (sieć dystrybucji)
Zakres przepływu:500-5 000 gpm
Dokładność kontroli:± 2 psi

Przykład obliczeń hydraulicznych:

Dla 6 -calowego PRV wód zmniejszających 200 psig do 75 psig przy 2000 gpm:

Wymagane CV = 2000√ (1,0/125) = 179
Wybierz zawór 6 "z CV = 185

Przetwarzanie chemiczne i petrochemiczne

Systemy ochrony reaktora

Warunki pracy:500 ° F, 600 psig
Scenariusze pomocy:Rozbudowa termiczna, niekontrolowane reakcje, awaria chłodzenia
Przybory:Hastelloy C-276 do służby korozyjnej
Rozmiary:Na podstawie najgorszego scenariusza analizy API 521

Kryteria wyboru i obliczenia inżynierskie

Parametry wydajności

Oceny ciśnienia (ASME B16.5):

Klasa	Ocena ciśnienia @ 100 ° F
Klasa 150	285 psig
Klasa 300	740 PSIG
Klasa 600	1 480 psig
Klasa 900	2220 psig
Klasa 1500	3705 PSIG

Obłączenie temperatury:

Oceny ciśnienia muszą być odcenione dla podwyższonych temperatur zgodnie z tabelami ciśnienia temperatury ASME B16.5.

Przewodnik po wyborze materiałów

Praca	Materiał ciała	Wykończ materiał	Materiał wiosenny
Woda	Stal węglowa, brąz	316 SS	Drut muzyczny
Para	Stal węglowa, 316 SS	316 SS, Stellite	Inconel X-750
Gaz kwaśny	316 SS, Duplex SS	Stellite, nieprzytomny	Inconel X-750
Kriogeniczne	316 SS, 304 SS	316 SS	316 SS
Wysoka temperatura	Stal węglowa, stal stopowa	Stellite, nieprzytomny	Inconel X-750

Obliczenia wielkości

Dla serwisu płynnego (API 520):

Wymagany obszar:A = (GPM × √g) / (38,0 × kD × kW × kc × √δp)

Gdzie:

A = wymagany efektywny obszar zrzutu (in²)
GPM = wymagany natężenie przepływu
G = ciężkość właściwą
KD = współczynnik wyładowania (0,62 dla cieczy)
KW = współczynnik korekcji ciśnienia wstecznego
KC = współczynnik korekcji kombinacji
ΔP = Ustaw ciśnienie + nadciśnienie - ciśnienie wsteczne

W przypadku usługi gazowej/pary (API 520):

Krytyczny przepływ:A = w/(ckdp₁kb)
Przepływ podkrytyczny:A = 17,9W√ (tz/mkdp₁ (p₁-p₂) kb)

Standardy instalacji i konserwacji

Wymagania instalacyjne (ASME BPVC)

Instalacja zaworu bezpieczeństwa:

Rurociągi wlotowe:Krótkie i bezpośrednie, unikaj łokci w ciągu 5 średnich rur
Rurociągi wylotowe:Maksymalnie rozmiar 10% ciśnienia wstecznego
Montowanie:Preferowane pionowe, poziome dopuszczalne przy wsparciu
Izolacja:Zawory blokowe zabronione w wlocie; Dopuszczalne w ujściu, jeśli zostanie zamknięty

Instalacja zaworu zmniejszająca ciśnienie:

Sitko w górę:Minimum 20-siatki dla czystej usługi
Linia obejścia:Do konserwacji i działalności awaryjnej
Wskaźniki ciśnienia:Monitorowanie w górę i w dół
Zawór pomocy:Ochrona przed nadciśnieniem

Harmonogramy i procedury konserwacji

Wymagania dotyczące kontroli API 510:

Inspekcja wizualna:Co 6 miesięcy
Test operacyjny:Rocznie
Test pojemności:Co 5 lat
Całkowity przegląd:Co 10 lat lub na zalecenia dotyczące producenta

Procedury testowe:

Ustaw test ciśnienia:Sprawdź ciśnienie otwierające w obrębie ± 3% ustawienia
Test wycieku siedzenia:API 527 Klasa IV (maksimum 5000 cm3/h)
Test pojemności:Weryfikacja wydajności przepływu spełnia wymagania projektowe
Test ciśnienia wstecznego:Oceń wydajność w warunkach systemowych

Technologie konserwacji predykcyjnej

Test emisji akustycznej:

Wykrywanie:Wyciek wewnętrzny, zużycie siedzenia, zmęczenie wiosenne
Zakres częstotliwości:20 kHz do 1 MHz
Wrażliwość:Może wykryć wycieki <0,1 gpm

Analiza wibracji:

Zastosowania:Pilot Valve Gadering, rezonans wiosenny
Parametry:Amplituda, częstotliwość, analiza fazowa
Trend:Dane historyczne dotyczące przewidywania awarii

Standardy i certyfikaty zgodności

Kod kotła ASME i naczyń ciśnieniowych

SEKCJA I (Kotły mocy):

Wymagania dotyczące pojemności:Zawory bezpieczeństwa muszą zapobiec wzrostowi ciśnienia> 6% powyżej ustawionego ciśnienia
Minimalne zawory bezpieczeństwa:Jeden na kocioł, dwa, jeśli powierzchnia ogrzewania> 500 stóp kwadratowych
Testowanie:Podnoszenie ręczne co 6 miesięcy (wysokie ciśnienie) lub kwartalne (niskie ciśnienie)

Sekcja VIII (naczynia ciśnieniowe):

Wymagania urządzenia pomocy:Wszystkie naczynia ciśnieniowe wymagają ochrony nadciśnienia
Ustaw presję:Nie przekraczać MAWP chronionego sprzętu
Pojemność:Na podstawie najgorszego scenariusza na API 521

Wdrożenie standardów API

API 520 (rozmiar urządzenia pomocy):

Zakres:Obejmuje konwencjonalne, zrównoważone i obsługiwane przez pilotażowe zawory pomocy
Metody wielkości:Zapewnia procedury obliczeniowe dla wszystkich rodzajów płynów
Instalacja:Określa wymagania dotyczące rur i integracja systemu

API 526 (kołnierzowe stalowe zawory pomocy):

Standardy projektowe:Wymagania wymiarowe, oceny temperatury ciśnienia
Przybory:Stal węglowa, specyfikacje ze stali nierdzewnej
Testowanie:Wymagania dotyczące testu akceptacji fabryki

API 527 (ciasność handlowa):

Klasa I:Brak widocznego wycieku
Klasa II:40 cm3/h na cal średnicy siedzenia
Klasa III:300 cm3/h na cal średnicy siedzenia
Klasa IV:1400 cm3/h na cal średnicy siedzenia

Standardy międzynarodowe

IEC 61511 (systemy instrumentów bezpieczeństwa):

Ocena SIL:Wymagania poziomu integralności bezpieczeństwa w zakresie ochrony ciśnienia
Testowanie dowodu:Okresowe testy w celu utrzymania funkcji bezpieczeństwa
Wskaźnik awarii:Maksymalne dopuszczalne wskaźniki awarii systemów bezpieczeństwa

Rozwiązywanie problemów i analiza awarii

Typowe tryby awarii

Przedwczesne otwarcie (na wolnym powietrzu):

Powoduje:

Straty rur na wlocie przekraczają 3% ustalonego ciśnienia
Wibracja lub pulsacja w układzie
Rząd
Nacisk zbyt blisko ciśnienia roboczego

Rozwiązania:

Zwiększ wielkość rur wlotowych (prędkość <30 stóp/s dla cieczy, <100 stóp/s dla gazów)
Zainstaluj tłumik pulsacji
Czyste fotelik zaworów i dysku
Zwiększ margines między ciśnieniem operacyjnym a ustawionym (> 10%)

Brak otwarcia:

Powoduje:

Korozja wiosenna lub wiązanie
Nadmierne ciśnienie pleców (> 10% ustawionego ciśnienia)
Podłączony gniazdko lub wentylacja
Skala lub korozja na ruchomych częściach

Rozwiązania:

Wymień sprężynę, moderniza
Zmniejsz ciśnienie pleców lub użyj zrównoważonego projektu zaworu
Wyraźne przeszkody, zwiększ wielkość rur ujścia
Wyczyść i smaruj, rozważ różne materiały

Nadmierny wyciek:

Powoduje:

Uszkodzenie miejsca w wyniku gruzu lub korozji
Wypaczony dysk z cykli termicznych
Nieodpowiednie obciążenie siedzenia (zmęczenie wiosenne)
Atak chemiczny na powierzchnie uszczelniające

Rozwiązania:

Siedziny okrążenia i powierzchnie dysku
Wymień dysk, popraw design termiczny
Wymień sprężynę, zweryfikuj ciśnienie ustawione
Zaktualizuj materiały do kompatybilności chemicznej

Techniki diagnostyczne

Testowanie przepływu:

Zamiar:Sprawdź faktyczną w porównaniu do pojemności projektowej
Metoda:Zmierzyć przepływ rozładowania przy 110% ustalonego ciśnienia
Przyjęcie:± 10% pojemności projektowej na API 527

Analiza metalurgiczna:

Zastosowania:Badanie awarii, wybór materiałów
Techniki:Analiza SEM, testy twardości, ocena korozji
Wyniki:Określenie przyczyny pierwotnej, materialne zalecenia

Wpływ gospodarczy i względy kosztów

Całkowity koszt własności

Inwestycja początkowa:

Standardowy zawór odniesienia:500–5000 USD w zależności od wielkości/materiałów
Zawór obsługiwany przez pilot:2000–25 000 USD za złożone aplikacje
Koszty instalacji:25-50% kosztów sprzętu