安全弁のサイズを決める方法: 完全な技術ガイド

簡単な答え: 安全弁のサイズを決める方法

サイズを指定するには 安全弁 の場合は、必要なリリーフ能力を質量流量または体積流量で計算し、バルブの設定圧力と許容過圧を加えた圧力でその流れを通過させるのに十分な大きさのバルブ オリフィス面積を選択する必要があります。支配的な式は、流体相 (気体、蒸気、液体) と次のような基準によって異なります。 API 520 パート I 、API 526、および ASME セクション VIII 部門。 1 正確な計算方法を定義します。

実際には、圧力リリーフ バルブまたは安全リリーフ バルブのサイズ決定には、次の 4 つの主要な入力が必要です。

• 必要なリリーフ流量 (kg/h または lb/h)
• 設定圧力と許容過圧 (ASME による単一バルブ取り付けの場合は通常 10%)
• バルブ出口の背圧
• 緩和条件における流体の物性

必要なオリフィス面積を計算したら、API 526 テーブルから次に大きい標準オリフィス サイズを選択します (これより小さいことはありません)。安全弁が小さすぎると容器を保護できません。特大のものはガタガタし、侵食され、漏れます。

適切な安全弁のサイズ設定がほとんどのエンジニアが思っている以上に重要である理由

安全弁は、通常の動作と壊滅的な過圧事象の間の最後の防御線です。サイズが小さすぎると、バルブが容器が最大許容作動圧力 (MAWP) を超えるのを防ぐのに十分な速さで流れられないことを意味します。オーバーサイズは、別の、しかし同様に深刻な問題を引き起こします。バルブが開き、少量の液体が排出され、閉じて、再び開くという現象が立て続けに発生します。これは、「バルブ」と呼ばれる破壊的な状態です。 おしゃべり .

びびりにより数分以内にシートが損傷します。 10 年間使用できるはずのチャタリング安全リリーフバルブが、1 時間未満の 1 回の出来事で破壊される可能性があります。バルブシート、ディスク、ノズルのメンテナンスコストは、生産損失を考慮せずに、バルブごとに 2,000 ドルから 20,000 ドルかかる場合があります。

経済性を超えて、規制遵守は必須です。ほとんどの管轄区域では、圧力容器は、認識された規格に従ってサイズ設定および刻印された救済装置によって保護されなければなりません。米国では、 ASME ボイラーおよび圧力容器コード セクション VIII が主な標準です。ヨーロッパでは、圧力機器指令 (PED) および EN ISO 4126 が設計を管理します。遵守しない場合は法的責任が発生し、機器の保険が無効になる可能性があります。

サイズを設定する前に理解する必要がある重要な用語

安全弁のサイズには独自の用語があります。 1 つの用語でも誤解があると、サイジング作業全体に広がる計算エラーにつながる可能性があります。

設定圧力

安全弁が開くように設定される入口圧力。 MAWP が 100 barg の容器の場合、設定圧力は 100 barg を超えてはなりません。設定圧力はバルブの銘板に刻印され、ベンチ設定中にテストされます。

過圧

バルブが開いて流れているときに発生する、設定圧力を超える圧力上昇。 ASME が許可する 単一の安全弁で 10% の過圧 火災の場合は 16%。リリーフ圧力は、設定圧力に過剰圧力を加えたものに等しくなります。

背圧

吐出配管システムによって生じる、バルブ出口の圧力。背圧によりバルブ両端の差圧が減少するため、容量が減少します。次の 2 つのタイプがあります。

• 重畳背圧 — ヘッダーが加圧されているか出口が閉じられているため、バルブが開く前に存在します。
• 蓄積された背圧 — 吐出パイプ内の摩擦損失により、バルブが流れているときにのみ発生します。

従来の安全弁は背圧に敏感です。蓄積背圧が設定圧力の 10% を超えると、 バランスのとれたベローズまたはパイロット操作の圧力リリーフバルブ 考慮する必要があります。

排出係数(Kd)

バルブ本体を通る流れの損失を考慮する無次元の要素。 API 520 では、定格流量係数 Kd が使用されます。これは通常、約 ガス/蒸気サービスの場合は 0.975 液体サービスの場合は 0.65。メーカーは ASME フロー テストからの認定された Kd 値を公開しています。

必要オリフィス面積(A)

リリーフ義務から計算された最小流量面積。次に、これを API 526 の次に大きい標準オリフィス指定 (D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、Q、R、T) と照合します。

ステップバイステップ: ガスまたは蒸気サービス用の安全弁のサイズを決定する方法

ガスおよび蒸気のサイジングでは、圧縮性流れ方程式を使用します。 API 520 パート I 方法論は、このための業界標準です。以下の手順を順番に実行してください。

ステップ 1: 設計基準シナリオを特定する

まず、過圧の原因を特定する必要があります。一般的なシナリオには、出口の詰まり、冷却水の故障、火災への曝露、熱交換器チューブの破損、暴走反応などが含まれます。各シナリオでは、必要な緩和フローが異なります。インストールの方針で同時ケースが必要な場合を除き、信頼性の最も低い単一ケースのサイズ。

ステップ 2: 必要なリリーフ流量の計算

これは、プロセス シミュレーションまたは熱と材料のバランスから得られます。コンプレッサーの出口が詰まっている場合、必要な流量はコンプレッサーの全スループットと等しくなります。火災の場合、API 521 は熱入力の式を提供します。

Q = 43,200 × F × A ^0.82 (濡れた表面の場合、BTU/h、帝国単位)

ここで、F は環境係数 (裸の容器の場合は 1.0、適切に断熱された容器の場合は 0.3)、A は平方フィート単位の濡れた表面積です。

ステップ 3: 臨界または亜臨界フローを確認する

安全弁ノズルを通る流れは、背圧とリリーフ圧力の比が臨界圧力比 Cf を下回ると臨界 (チョーク) になります。理想気体の場合、Cf は比熱 (k または γ) の比に依存します。

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

ほとんどの炭化水素と空気では、k ≈ 1.3 ～ 1.4 となり、Cf ≈ 0.545 ～ 0.528 となります。背圧/リリーフ圧力が Cf を下回っている場合は、臨界流量があるため、より単純な臨界流量方程式を使用します。それ以外の場合は、サブクリティカル補正を使用します。

ステップ 4: API 520 ガスサイジング公式を適用する

臨界ガス流量の場合 (API 520 パート I、式 3):

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

• A = 必要なオリフィス面積 (平方インチ)
• W = 必要なリリーフ容量 (lb/h)
• C = k から導出される気体定数 (無次元、API 520 付録 B に表化)
• Kd = 有効流量係数 (予備的なサイジングには 0.975 を使用)
• P1 = リリーフ圧力 (psia) (大気放出の場合は設定圧力 × 1.1 14.7)
• Kb = 背圧補正係数 (API 520 の数値より。背圧が無視できる場合は 1.0)
• M = 気体の分子量
• T = ランキンの緩和温度 (°F 460)
• Z = 緩和条件での圧縮率 (理想気体の場合は 1.0)

ステップ 5: 標準オリフィス サイズの選択

計算された面積 A を取得し、API 526 で次に大きい標準オリフィス指定を見つけます。たとえば、A = 0.85 平方インチの場合、D オリフィス (0.110 平方インチ) は小さすぎ、E (0.196 平方インチ) は小さすぎるなど、適切な適合が見つかるまで繰り返されます。 決して切り捨てないでください。 選択したオリフィスは、必要な面積以上である必要があります。

蒸気サービス用の安全弁のサイズ設定

飽和時の蒸気の特性はよく特徴付けられているため、蒸気のサイジングではガス方程式の簡略化されたバージョンが使用されます。 API 520 パート I には、Steam 固有の式が記載されています。

A = W / (51.45 × Kd × クシュ × Kn × Kb × P1)

• Ksh = 過熱度補正係数 (飽和蒸気の場合は 1.0、過熱蒸気の場合は 1.0 未満、API 520 表 6 より)
• Kn = 高圧蒸気のネピア補正 (設定圧力が 1,500 psia を超える場合に適用)
• 他の変数はガスサービスと同様に定義されます

たとえば、必要なリリーフ能力を持つボイラー安全弁 設定圧力 250 psig で飽和蒸気 50,000 ポンド/時 (圧力の解放 = 275 psia)、重大な背圧がない場合は、以下が必要になります。

A = 50,000 / (51.45 × 0.975 × 1.0 × 1.0 × 1.0 × 275) ≒ 3.62インチ平方

API 526 より、3.62 平方インチを超える次に大きい標準オリフィスは、6.38 平方インチのオリフィスとなり、これはオーバーサイズになります。実際には、2 つの小さなバルブを並列に使用して、オリフィス面積に対して各バルブのサイズをより適切に保つことができます。これにより、冗長性も確保されます。

液体サービス用の安全弁のサイズ設定

液体のサイジングは、圧縮性流体のサイジングとは根本的に異なります。液体は非圧縮性であるため、容量は絶対圧力ではなく差圧の平方根によって決まります。

API 520 の液体サイジング処方は次のとおりです。

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

• Q = 必要なリリーフ流量 (US ガロン/分 (gpm))
• Kd = 液体サービスの場合は 0.65 (0.975 ではありません)
• Kw = バランスバルブの背圧補正 (従来のバルブの場合は 1.0)
• Kc = 組み合わせ補正 (上流に破裂板がない場合は 1.0、直列に破裂板が設置されている場合は 0.9)
• Kv = 粘度補正係数 (初期サイジングの場合は 1.0、流体が粘性の場合は反復)
• ΔP = バルブ前後の差圧 (psi 単位) (リリーフ圧力から背圧を引いた値)
• G = 60°F における水に対する液体の比重

液体安全バルブには ASME セクション VIII UV スタンプが必要な場合が多く、標準バルブ本体の特別な液体トリム バージョンを使用する必要があります。液体トリムなしで液体サービスにガス/蒸気バルブ本体を使用すると、通常、 大幅な容量ディレーティング 不安定になる可能性もあります。

濃厚な液体の粘度補正

リリーフ条件での流体粘度が約 100 SSU (セイボルト セカンズ ユニバーサル) を超えると、粘度補正係数 Kv が大きくなります。補正にはオリフィスを介したレイノルズ数が使用されます。 Kv = 1.0 から開始し、試行オリフィス面積を計算し、レイノルズ数を決定し、API 520 チャートから Kv を検索して、再計算します。オリフィス領域が収束するまで繰り返します。一般的なプロセス流体の場合、通常は 2 回または 3 回の繰り返し以内です。

標準オリフィスサイズ: API 526 参照表

必要なオリフィス面積を計算したら、API 526 から次の標準オリフィス指定を選択します。以下の表に、標準オリフィス指定とその公称面積を示します。実際の有効オリフィス面積は API 526 の公称値と若干異なる場合があるため、必ず特定のメーカーのデータシートで確認してください。

背圧が安全弁の選択とサイズに与える影響

背圧は、圧力リリーフバルブのサイジングにおいて最も誤って扱われやすい側面の 1 つです。これを無視したエンジニアは、設計とは異なる動作をするバルブを作成することになり、場合によっては危険な場合もあります。

従来の安全弁

従来のダイレクトスプリング安全弁は、そのスプリングキャビティが出口に通気されています。これは、背圧がスプリング力に直接作用し、設定圧力を効果的に上昇させることを意味します。重畳背圧の場合 一定で既知の 、バルブをベンチセットして補正することができます。しかし、背圧が可変の場合、それに伴って設定圧力も変化するため、危険な状況になります。 API 520 では、次のことを推奨しています。 従来のバルブの蓄積背圧は設定圧力の 10% を超えない ゲージで。

バランスベローズ安全弁

バランスのとれたベローズ圧力リリーフバルブは、柔軟な要素を使用してスプリングを背圧から隔離し、出口の状態に関係なく設定圧力を安定に保ちます。これらのバルブは、以下の背圧に耐えることができます。 設定圧力の約50％ 大幅なパフォーマンスの低下はありませんが、背圧が上昇すると容量は依然として減少し、Kb 補正は引き続き適用されます。

パイロット操作式圧力リリーフバルブ

パイロット操作のリリーフバルブは、プロセス圧力を使用してメインバルブシートを閉じた状態に保ちます。メインバルブは、パイロットが過圧を感知した場合にのみ開きます。これらのバルブは基本的に設定圧力に対する背圧の影響を受けず、最大背圧で動作できます。 一部の設計では設定圧力の 80% 。これらは、多くの場合、高圧用途、相当な背圧が蓄積されるフレアヘッダー、および正確な設定圧力が重要な状況に選択されます。

二相および混合相リリーフ: 特別な考慮事項

緩和流体が液体と蒸気の 2 相混合物である場合、ガスまたは液体のサイジング方法は直接適用されません。フラッシング流体、反応システム、および冷凍回路では、2 段階のリリーフ シナリオが頻繁に発生します。このような場合のサイズ不足は一般的であり、危険です。

2 段階のサイジングで認められている方法には次のものがあります。

• DIERS 方法論 (緊急救援システム設計研究所) — 反応性および非平衡二相システム向けに特別に開発された、最も厳密なアプローチ
• オメガ法 — Leung (1986) の簡略化された平衡モデル。API 520 付録 C で採用されています。解放圧力の 90% および 100% でのフラッシュ計算から導出された単一パラメータ ω を使用します。
• HEM (均一平衡モデル) — 完全な熱力学的平衡と均一な混合を仮定します。ほとんどのアプリケーションに対して保守的

2 フェーズ サイジングでは通常、緩和条件でフラッシュ データを生成するプロセス シミュレータ (Aspen HYSYS、SimSci PRO/II、VMGSim など) が必要です。結果として必要なオリフィス面積は、多くの場合、 2～5倍の大きさ 同じ流量に対して純粋な蒸気の計算が示唆するものよりも優れています。これが、蒸気のみの使用を想定してリリーフバルブのサイズを設定した多くのプラントで、実際の流体が二相の場合にリリーフバルブのサイズが大幅に小さくなることが判明した理由です。

入口圧力降下: 無視される 3% ルール

流動時のバルブ入口の圧力は、設定圧力より 3% を超えて低下してはなりません (API 520 パート II および API 526 による)。この入口圧力降下の 3% 制限は、設置の実践において最も頻繁に違反される制約の 1 つであり、チャタリングの原因となります。

その理由は次のとおりです。入口圧力が低下すると、バネ仕掛けの安全弁が閉じ始めます。入口配管の抵抗が大きい場合、バルブ開時にバルブ入口圧力が急激に低下します。その低下がブローダウン (バルブを再装着するために必要な圧力低下、通常はプロセスバルブの設定圧力の 7 ～ 10%) を超えると、システム圧力が回復する前にバルブが閉じ、その後再び開きます。このサイクルが繰り返され、これがチャタリングとなり、バルブ シートが破壊されます。

実際には、3% ルールは、インレットパイプが短くて大きな口径でなければならないことを意味します。大まかなガイドライン: 注入口ノズルは次のとおりである必要があります。 少なくともバルブ入口接続サイズと同じ大きさ API 526 テーブルからの値であり、入口配管の同等の長さは最小限にする必要があります。設置設計を最終決定する前に、Darcy-Weisbach 式を使用して完全リリーフ流量での実際の圧力降下を計算します。

防火ケースのサイズ設定: 熱緩和が優先される場合

多くの場合、火災事例により、可燃性の在庫がある地域にある貯蔵容器やプロセス装置の安全弁のサイズが決定されます。このシナリオでは、容器の周囲でプール火災が発生し、内容物が加熱されて蒸気が発生し、これを軽減する必要があると想定しています。

API 521 は、火災の熱入力に関する 2 つの方程式を提供しています。1 つは濡れた表面 (炎の下の液体) に関するもの、もう 1 つは濡れていない表面 (蒸気空間) に関するものです。通常、湿潤表面方程式が支配し、熱入力を BTU/h または kW で与えます。次に、この入熱を緩和条件での液体の蒸発潜熱で割って、必要な蒸気流量を求めます。

重要な詳細が 1 つあります。火災事件では許可されています。 21% の過圧 これにより、必要なオリフィス面積が若干減少します。ただし、ASME はまた、MAWP の 110% に設定された専用の消火弁 (主弁は 100%) によって火災事例に対処するか、主弁が両方のシナリオに対して十分な能力を備えていることを実証することによって対処することも要求しています。

例: 10,000 ガロンのナフサを収容し、接液面が 2,000 平方フィート、排水なし、断熱材なし、消火用水の使用なしの水平容器 (F = 1.0):

Q = 43,200 × 1.0 × 2,000 ^0.82 ≈ 34,200,000 BTU/時

緩和条件でのナフサの潜熱が 120 BTU/lb である場合、必要な蒸気流量は 285,000 lb/h です。これは非常に大きな緩和要件であり、複数の大きなオリフィス安全弁またはパイロット操作弁の選択を促進する可能性があります。

よくあるサイズ間違いとその回避方法

間違った液相の使用

リリーフ条件における実際の流体が二相であるときに、リリーフがすべて蒸気であると仮定すると、バルブのサイズが 3 分の 1 以上小さくなる可能性があります。常に圧力と温度を解放してフラッシュ計算を実行し、流れる流体の実際の相と組成を決定してください。

フレアシステムでの背圧の無視

プラントが老朽化し、より多くのリリーフ荷重がフレアヘッダーに追加されると、背圧が上昇します。初年度の背圧が 5 psi のサイズのバルブは、10 年後に生産拡張によりフレア システムに負荷がかかると、背圧が 25 psi になる可能性があります。変更管理のレビュー中にバック プレッシャーの想定を再確認します。

「安全のため」オーバーサイズバルブの選択

より大きなバルブを選択してマージンを追加しようとする本能は逆効果です。過大な安全弁がガタガタし、機械的損傷や漏れを引き起こします。 API 520 パート I では、次のように明示的に警告しています。 選択したオリフィスは、計算された必要な面積を下回らず、可能な限りそれに近づける必要があります。 次に標準サイズを大きくした結果、バルブが必要より 10% 以上大きくなる場合は、より小さな設定圧力を使用するか、2 つの小さなバルブを並列で使用することを検討してください。

組み合わせ補正係数 Kc の忘れ

安全弁の上流に破裂板を取り付けると、その組み合わせが単一の装置として機能し、容量が減少します。 API 520 では、特定の組み合わせがテストおよび認証されていない限り、Kc = 0.9 と指定されています。多くのエンジニアは、この係数を液体のサイジング配合にのみ適用し、気体のサイジングにも適用されることを忘れています。

動作圧力と設定圧力を考慮していない

ASME セクション VIII では、安全弁が通常の動作条件で閉じたままで漏れがないことを要求しています。 API が推奨する最小値 通常の使用圧力と設定圧力の間の動作マージン 10% (つまり、設定圧力は最大通常動作圧力の少なくとも 1.1 倍である必要があります)。バルブを設定圧力に近付けて操作すると、煮詰まり、シート漏れ、早期摩耗が発生します。

安全弁サイジング ソフトウェアとツール

API 520 方程式を使用した手動計算は、単相流体の場合は簡単ですが、多数のバルブを備えた大規模なリリーフ システムの場合は時間がかかります。いくつかのソフトウェア ツールはプロセスを自動化します。

• Aspen FLARENET / アスペン フレア システム アナライザー — フレアネットワークモデリングの業界標準。リリーフバルブのサイズを調整し、ヘッダー背圧を同時に分析します
• エプコンAPI — 専用の API 520/521/526 サイジング ツール。個々のバルブのサイジングに広く使用されています
• Crosby Engineering Handbook オンライン サイジング ツール — バルブ製品の迅速なサイジングのために Emerson/Crosby によって提供されます
• レーザーバルブスター — 欧州メーカーのツール。 API と EN ISO 4126 メソッドの両方を適用します
• コンプレス / PV エリート — 主に容器設計ソフトウェアですが、統合リリーフバルブサイジングモジュールが含まれています

これらのツールは計算エラーを削減し、規制当局への提出のための文書を生成します。ただし、正しい入力が必要です。ガベージイン、ガベージアウト - ソフトウェア出力のエラーを見つけるには、基礎となる方程式と仮定を理解することが不可欠です。

規制およびコード要件の概要

地域や業界が異なると、安全弁のサイズと取り付けに適用される規定も異なります。以下の表は主な規格をまとめたものです。

安全弁のサイズ設定に関する実践的なチェックリスト

安全弁のサイズ計算や調達仕様を最終決定する前に、このチェックリストを使用してください。

1. 信頼できる過圧シナリオをすべて特定し、支配的なケース (必要な最大リリーフ流量) を決定します。
2. MAWP と設定圧力を確認し、最大通常動作圧力より少なくとも 10% の動作マージンを確保します
3. 設定圧力と過剰圧力でのリリーフ流体相 (気体、液体、蒸気、二相) を決定します。
4. 流体特性の収集: 分子量、k 比、圧縮率 Z、粘度、潜熱、比重
5. 背圧（重畳および蓄積）を推定し、それに応じてバルブのタイプを選択します
6. 流体相に正しい API 520 式を適用し、必要なオリフィス面積 A を計算します。
7. 設置に適用できるすべての補正係数 (Kb、Kc、Kw、Kv) を適用します。
8. API 526 から次に大きい標準オリフィスを選択します。選択した領域が必要なサイズより約 10% を超えていないことを確認します (チャタリングのリスクを回避するため)。
9. 完全リリーフ流時の入口パイプの圧力降下が設定圧力の 3% を超えていないことを確認してください。
10. フルリリーフ流量時の吐出配管背圧がバルブ型式の許容範囲内であることを確認してください。
11. プロセス流体と温度に適合する構造材料を指定する
12. バルブに正しいコードスタンプが付いていることを確認します (UV は ASME セクション VIII、V はセクション I ボイラーサービス)