Расчет предохранительных клапанов на случай пожара по стандартам api. часть 1. методика расчета

Примеры расчета клапанов, установленных на горизонтальных цилиндрических аппаратах

В настоящей работе в рамках начатого автором изучения методики выбора предохранительных клапанов (ППК) на случай пожара по стандартам API представлены конкретные примеры расчета клапанов. Примеры приведены в двух системах измерения: в системе, применяемой в Англии и США (далее US units), и в международной системе СИ (далее SI units). Исходные данные для обоих расчетов приняты одинаковыми, чтобы можно было сопоставить результаты вычислений.

Рассмотрим вариант расчета ППК на случай пожара вблизи емкости для хранения бензола. Емкость частично заполнена жидким бензолом и имеет смоченную поверхность. Жидкая фаза в емкости находится в равновесии со своими парами. В результате передачи тепла от внешнего пламени к аппарату происходит частичное испарение жидкости, увеличивается давление в аппарате и происходит сброс паровой фазы с ППК. Расчет проведем для случаев, когда сброс с ППК ведется в факельный коллектор и в атмосферу. Следует отметить, что сброс паровой фазы бензола в атмосферу с ППК недопустим по российским правилам промышленной безопасности , поэтому расчет со сбросом паров бензола в атмосферу рассматривается только для примера.

Правильная установка предохраняющего устройства

1. Для начала отключаем бойлер от электросети и сливаем с него воду.

2. Устанавливаем устройство к подаче холодной воды, на входе в обогреватель. Обычным образом пакуем его и ко второй стороне подсоединяем холодную воду.

На корпусе клапана есть стрелка, которая указывает направление воды, при установке она должна указывать на бойлер.

3. Соединяем патрубок, который идет из подрывного клапана с канализацией. Иногда его покупают прозрачным, чтобы наблюдать за исправностью защитного клапана.

4. После подключения бойлера полностью, стоит проверить его. Для этого наполняем бак, преждевременно открыв кран для выхода воздуха.

5. Затем после набора воды, закрываем кран и включаем бойлер.

6. Наблюдаем за всеми стыками на предмет наличия воды и смотрим на работоспособность предохранительного клапана. Если обнаружилась течь — входящий и выходящий краны закрываются, и нужный участок заново пакуется.

3 Термины и определения

3.1 Термины

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1.1 давление настройки : Наибольшее избыточное давление на входе в предохранительный клапан, при котором затвор закрыт и обеспечивается заданная герметичность затвора.

Для терминов со значком в приложении А приведены эквивалентные термины, применяемые в зарубежных стандартах (здесь и далее).

Примечание — Принципы назначения приведены в 5.2.

3.1.2 давление аварийного сброса максимально допустимое Максимальное избыточное давление в защищаемой системе, допускаемое в процессе сброса.

Примечание — Обычно определяют в процентах от расчетного давления и задают в НД. В Российской Федерации установлено в и .

давление закрытия (Нрк. давление обратной посадки): Избыточное давление на входе в предохранительный клапан, при котором после сброса рабочей среды происходит посадка запирающего элемента на седло с обеспечением заданной герметичности затвора.

давление начала открытия : Избыточное давление на входе в предохранительный клапан, при котором усилие, стремящееся открыть клапан, уравновешено усилиями, удерживающими запирающий элемент на седле.

давление полного открытия : Избыточное давление на входе в предохранительный клапан, при котором совершается ход арматуры и достигается максимальная пропускная способность.

1 Давление полного открытия устанавливает изготовитель и указывает в ЭД.

2 Обычно давление полного открытия выражают в процентах от давления настройки (давления начала открытия), либо, как правило, для давлений меньше 0,3 МПа (3 бар), в единицах измерения давления, МПа (бар), как превышение над давлением настройки (давлением начала открытия).

Течь воды с клапана

Течь воды — обычное дело для предохраняющего устройства, это указывает на исправную его работу. Но если вода течет слишком быстро или постоянно, то это может указывать на одну из этих проблем:

Неправильно отрегулирована жесткость пружины;

Слишком высокое давление в системе;

Если к последней проблеме вы не имеете никакого отношения, то жесткость пружины может быть неправильно отрегулирована только в случае бездумного обращения с регуляторами.

Скачки в системе можно устранить с помощью еще одного клапана — редукционного, он устанавливается до предохранительного и обеспечивает подачу стабильного давления на водонагреватель.

Предисловие

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом «Научно-производственная фирма «Центральное конструкторское бюро арматуростроения» (АО «НПФ «ЦКБА»)

2 ВНЕСЕН Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 259 «Трубопроводная арматура и сильфоны»

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 25 сентября 2017 г. N 103-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Минэкономики Республики Армения

Госстандарт Республики Беларусь

Госстандарт Республики Казахстан

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 марта 2018 г. N 142-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 12.2.085-2017 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 ноября 2018 г.

5 Настоящий стандарт разработан с учетом основных нормативных положений международного стандарта ISO 4126-1:2013* «Устройства предохранительные для защиты от избыточного давления. Часть 1. Предохранительные клапаны» («Safety devices for protection against excessive pressure — Part 1: Safety valves», NEQ).

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. — Примечание изготовителя базы данных.

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 2, 2020 год

Поправка внесена изготовителем базы данных

Можно ли защитный клапан заменить обратным?

Ни в коем случае нет, предохраняющее устройство имеет внутри себя обратный клапан, но он там не один, нельзя упускать и подрывной клапан. Если обратный клапан не дает воде утекать в систему и, грубо говоря, экономит ваши деньги, то подрывной не дает бойлеру повысить давление внутри до критического.

Бойлер, у которого вместо предохранительного клапана установлен обратный — бомба замедленного действия. Огромное давление внутри водонагревателя не разрушит бойлер до того момента как вы откроете кран. При открытии крана внутри бойлера понижается давление, но вот вода, нагретая до температуры выше, чем 100 градусов, сразу вся превращается в пар, разрушает стенки бойлера и вырывается наружу.

Это довольно сильный взрыв, который сопровождается не только осколками корпуса, но и горячим паром и водой. Берегите не только себя, но и людей которые вас окружают.

Выводы

Следуйте инструкции по эксплуатации, даже такое небольшое с виду устройство делает вашу жизнь безопаснее. Предохраняющее устройство очень важный элемент и эксплуатировать бойлер без него строго запрещено. Всегда следите за работой установленного защитного устройства, течет с него вода, когда это необходимо или нет. Все эти факторы сэкономят ваше время, деньги и здоровье.

Устройство предохранительного клапана

Предохранительное устройство состоит из двух частей:

Обратный клапан

Подрывной клапан

Они оба размещены под одним корпусом и каждый выполняет свою функцию. Обратный клапан не дает лишней воде (которая появляется в результате нагрева воды) течь обратно в систему. Второй клапан, он же подрывной, срабатывает только в случае превышения порогового значения давления, обычно это 7-8 бар.

Уже исходя из этой информации понятно, что в случае аварийной ситуации или резкого повышения давления, подрывной клапан спустит лишнюю воду и не даст повредить электронагреватель. На нем также установлен рычаг для принудительного спуска воды, это необходимо при ремонте либо демонтаже бойлера.

Несмотря на то что в каждом водонагревателе установлены термостаты, которые регулируют температуру, они могут сломаться, поэтому система, в которой есть рабочее предохраняющее устройство, безопасна и будет служить вам долгие годы.

Также бывают ситуации с отсутствием воды в системе, здесь очень важна исправная работа обратного клапана, который установлен на водонагреватель, ведь вся вода из водонагревателя выйдет, а при неисправном термостате пустой бойлер очень быстро нагревается и тэны внутри него перегорят.

Расчет производительности предохранительных клапанов для обеспечения отсутствия избыточного давления жидкости на корпусе в случае пожара.

Расчет выполнен в соответствии с ГОСТ 12.2.085-2017

Исходные данные:

Давление подачи 1,2/1,4 МПа;

Температура подачи 5/20/25 °C;

Расчетная температура -52/50; °C

Давление после редуктора (клапан снижения давления) -1 МПа;

Обязательное условие протекания процесса без утечки через ПК (предохранительный клапан)

Рн >Рр

где Рн — 1,4 МПа – давление настройки клапана, МПа (Параметры производителя. Паспорт. Предохранительный клапан тип D10/CS).

Рр – 1 МПа рабочее давление системы пенотушения, после клапана сброса давления.

Давление открытия клапана, Рно МПа (плюс 10% к давлению настройки клапана Рно)

Рно= Рн х 1,1 ;

Р но= 1,4 х 1,1 = 1,54 МПа;

где 1,1 – коэффициент, учитывающий 10% от рабочего давления;

Рпо = Рн х 1,15 ;

1,15 – коэффициент, учитывающий 15% от расчетного давления;

Рпо = 1,4 х 1,15 = 1,61 МПа

где Рпо – давление полного открытия клапана.

Давление закрытия клапанов, Рз МПа (минус 15% от давления настройки клапана Рно)

Рз = 1,4 — 0,21 = 1,19 МПа

По результатам расчетов выбран клапан с параметрами:

Давление настройки клапана – 1,4 МПа;

Давление открытия – 1,4 плюс 10% = 1,54 МПа;

Давление закрытия – 1,4 минус 15% = 1,19 МПа;

Дорогие читатели, на этом можем закончить наш типовой расчет. Приведенную методику расчета предохранительного клапана пенного пожаротушения можно применить к системам отопления, кондиционирования, и.т.д

Источник

Расчет в единицах измерения в системе US units

Шаг 1. Определяем площадь смоченной поверхности аппарата. Для горизонтального цилиндрического аппарата со сферическими днищами площадь смоченной поверхности

ft2 (фут2),

если угол β задан в радианах, или

ft2 (фут2),

если угол β задан в градусах, где βгр = cos–1[1 – (2Feff/D)] = cos–1[1 – (2⋅12,25/15)] = 129,3°; βрад = βгр(π/180) = 129,3(3,14/180) = 2,256 радиан.

Шаг 2. Определяем теплопоглощение смоченной поверхности аппарата. При отсутствии в аппарате надлежащего дренажа и обеспечении незамедлительных противопожарных действий теплопоглощение смоченной поверхности аппарата

Btu/hr (БТЕ/ч).

Шаг 3. Находим массовый расход паров выкипающей жидкости в аппарате:

lbs/hr (фунт/ч).

Шаг 4. Расчет минимально необходимой площади сечения клапана. Определяем режим (критический или докритический) течения потока при сбросе с ППК. Находим значения отношений pc/p0 и pb/p0:

pb/p0 = pbackpressure/p0 = 0/33,4 = 0.

Так как pb/p0 < pc/p0, режим течения – критический. Исходя из этого, расчет площади сечения клапана проводим по формуле, соответствующей критическому режиму течения.

Площадь сечения клапана при критическом режиме течения при сбросе с ППК:

in2 (дюйм2).

где

Переведем площадь сечения клапана в квадратные миллиметры ASI = 645,16AUS = 645,16⋅15,03 = 9696,75 mm2 (мм2).

Приведем вариант расчета для э того же случая в единицах измерения системы SI и заодно проверим приведенные выше вычисления.

Часто задаваемые вопросы

В1: Могу ли я использовать несколько предохранительных клапанов вместо одного, чтобы обеспечить более высокую производительность?

A1: Да, можно использовать несколько предохранительных клапанов в качестве альтернативы одному клапану для достижения более высокой производительности

Однако важно учитывать такие факторы, как расположение трубопроводов, доступное пространство и координация настроек клапанов, чтобы обеспечить их эффективную работу

В2: Каковы последствия использования предохранительного клапана меньшего размера?

A2: Использование предохранительного клапана меньшего размера может привести к недостаточному сбросу давления, что может привести к возникновению ситуаций избыточного давления. Это может поставить под угрозу безопасность судна и его содержимого, увеличивая риск аварий, повреждений или даже взрывов.

В3: Необходимо ли учитывать тип предохранительного клапана при расчете мощности?

A3: Да, тип предохранительного клапана следует учитывать в процессе расчета мощности. Различные типы, такие как подпружиненные клапаны или клапаны с пилотным управлением, имеют свои уникальные характеристики и рабочие характеристики, которые необходимо учитывать.

В4: Могу ли я использовать программное обеспечение для расчета пропускной способности предохранительного клапана?

A4: Да, существуют различные программные инструменты, которые могут помочь в расчете пропускной способности предохранительного клапана. Эти инструменты используют стандартные формулы и алгоритмы для оптимизации процесса вычислений, обеспечивая точные результаты и экономя время инженеров и специалистов.

Вопрос 5: Как часто следует проверять и обслуживать предохранительные клапаны?

A5: Предохранительные клапаны следует регулярно проверять и обслуживать, чтобы гарантировать их правильное функционирование. Отраслевые стандарты обычно рекомендуют проверять предохранительные клапаны не реже одного раза в год, с более частыми проверками для критических применений или суровых условий эксплуатации. Регулярное техническое обслуживание и периодические испытания необходимы для обеспечения надежности и эффективности предохранительных клапанов.

Пример 1. Исходные данные

Аппарат – горизонтальный цилиндрический со сферическими днищами (см. рисунок); диаметр аппарата D = 15 ft (футов) = 4,572 m (м); длина аппарата L = 30 ft (футов) = = 9,144 m (м); высота опорной части аппарата (принимается от нулевой отметки земли до нижней образующей аппарата) H = 15 ft (футов) = 4,572 m (м); фактический уровень жидкости в аппарате Es = 12,25 ft (футов) = = 3,7338 m (м); изоляция на аппарате толщиной 2 дюйма (50,8 мм). Теплоизоляционный материал не теряет своих свойств при температуре до 1000°F (538°С).

Горизонтальный цилиндрический аппарат со сферическими днищами

Клапан, устанавливаемый на аппарате – несбалансированный (пружинный предохранительный клапан прямого действия); разрывной диск (мембрана) перед предохранительным клапаном отсутствует.

Наличие дренажа и незамедлительных противопожарных действий: да.

Жидкость в аппарате: бензол. Молекулярная масса бензола М = 78,11 kg/kmole (кг/кмоль). Абсолютная температура перед клапаном T = 339,5°F ≈ 444 К ≈ 799,2°Ra. Соответствует температуре кипения бензола при абсолютным выпускном давлении клапана р1. Температура рассчитана в программе Hysys.

Атмосферное давление рatm = 14,7 psia = 1,013 bara (бар абс.).

Установочное давление открытия клапана pset = 100 psig = 6,8948 barg (бар изб.).

Противодавление рbackpressure = 7,25 psig = 0,4998 barg (бар изб.). Принято по давлению в системе сброса (в факельном коллекторе).

Гидравлические потери давления в отводящем трубопроводе: примем для расчета рpressure drop = 2,9 psig = = 0,1999 barg(бар изб.).

Потери давления в отводящем трубопроводе ploss = = рbackpressure + рpressure drop = 7,25 + 2,9 = 10,15 psig ≈ 0,69 barg (бар изб.).

Допустимое возрастание давления рover = 0,21 pset = = 0,21⋅100 = 21 psig = 1,4479 barg (бар изб.).

Абсолютное выпускное давление клапана р1 = pset + + рatm + рover – рloss = 100 + 14,7 + 21 – 10,15 = 125,55 psia ≈ ≈ 8,6564 bara (бар абс.) или в избыточных единицах р0 = = pset + рover – рloss = 100 + 21 – 10,15 = 110,85 psig ≈ 7,6428 barg (бар изб.). Скрытая теплота испарения жидкости Hvap = 138,2 Btu/lb (БТЕ/фунт) = 321453 J/kg (Дж/кг).

Рассчитана в Hysys при температуре кипения бензола, соответствующей выпускному давлению клапана р1.

Показатель адиабаты для бензола k = 1,126. Рассчитан в программе Hysys при температуре перед клапаном Т и выпускном давлении р1.

Коэффициент сжимаемости паров бензола: ввиду отсутствия данных Z = 1,0.

Коэффициент расхода (сброса): Кd = 0,975.

Поправочный коэффициент на обратное давление: так как отношение избыточного значения противодавления в системе сброса к сумме установочного избыточного давления клапана и допустимого возрастания давления над установочным не превышает 50%:

то поправочный коэффициент на обратное давление

Кb = 1. Для случаев, когда приведенное условие не соблюдается, следует обратиться к производителю (речь идет об иностранных производителях; российские заводы, занимающиеся конструированием ППК, такой информации не предоставляют) и проконсультироваться у них на предмет того, какое значение коэффициента Кb необходимо принять.

Если производитель ППК не может предоставить информацию по коэффициенту Кb, то можно воспользоваться источниками , где приведены подробные сведения по определению Кb.

Поправочный коэффициент, учитывающий наличие разрывного диска, Кс = 1.

Коэффициент окружающей среды, соответствующий толщине изоляции, F = 0,15.

Общая фактическая высота жидкости в аппарате,

К1 = Es + H = 12,25 + 15 = = 27,25 ft (футов) = 8,3058 m (м).

Так как фактическая высота К1 > 25 ft (фут), общая высота

К принимается равной 25 ft (фут) = 7,62 m (м).

Эффективный уровень жидкости в аппарате Feff = K – – H = 25 – 15 = 10 ft (футов) = 3,048 m (м).

Все пояснения по выбору различных коэффициентов, используемых в расчетах, приведены в первой части статьи .