So dimensionieren Sie ein Sicherheitsventil: Ein vollständiger technischer Leitfaden

Die kurze Antwort: So dimensionieren Sie ein Sicherheitsventil

Zur Größe a Sicherheitsventil , müssen Sie die erforderliche Entlastungskapazität in Massen- oder Volumenstrom berechnen und dann eine Ventilöffnungsfläche auswählen, die groß genug ist, um diesen Durchfluss beim Einstelldruck des Ventils plus zulässigem Überdruck durchzulassen. Die maßgebliche Formel hängt von der flüssigen Phase – Gas, Dampf oder Flüssigkeit – und Standards wie ab API 520 Teil I , API 526 und ASME Abschnitt VIII Div. 1 Definieren Sie die genaue Berechnungsmethode.

In der Praxis erfordert die Dimensionierung eines Überdruckventils oder Sicherheitsventils vier wesentliche Eingaben:

• Erforderliche Entlastungsmenge (kg/h oder lb/h)
• Einstelldruck und zulässiger Überdruck (typischerweise 10 % für Einzelventilinstallationen gemäß ASME)
• Gegendruck am Ventilausgang
• Fluidphysikalische Eigenschaften bei entlastenden Bedingungen

Sobald Sie die erforderliche Öffnungsfläche berechnet haben, wählen Sie aus den API 526-Tabellen die nächstgrößere Standardöffnungsgröße aus – niemals kleiner. Ein unterdimensioniertes Sicherheitsventil schützt das Schiff nicht; ein übergroßes Exemplar klappert, erodiert und leckt.

Warum die richtige Dimensionierung von Sicherheitsventilen wichtiger ist, als den meisten Ingenieuren bewusst ist

Ein Sicherheitsventil ist die letzte Verteidigungslinie zwischen Normalbetrieb und einem katastrophalen Überdruckereignis. Unterdimensionierung bedeutet, dass das Ventil nicht schnell genug fließen kann, um zu verhindern, dass der Behälter seinen maximal zulässigen Arbeitsdruck (MAWP) überschreitet. Eine Überdimensionierung führt zu einem anderen, aber ebenso schwerwiegenden Problem: Das Ventil öffnet sich, lässt eine kleine Menge Flüssigkeit ab, schließt sich und öffnet sich dann in schneller Folge wieder – ein zerstörerischer Zustand, den man „ Geschwätz .

Rattern führt innerhalb weniger Minuten zu Sitzschäden. Ein klapperndes Sicherheitsventil, das 10 Jahre halten sollte, kann in einem einzigen Ereignis, das weniger als eine Stunde dauert, zerstört werden. Die Wartungskosten für Ventilsitze, -scheiben und -düsen können zwischen 2.000 und 20.000 US-Dollar pro Ventil betragen, Produktionsausfälle nicht mitgerechnet.

Über die wirtschaftlichen Aspekte hinaus ist die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zwingend erforderlich. In den meisten Gerichtsbarkeiten müssen Druckbehälter durch Entlastungsgeräte geschützt werden, deren Größe und Kennzeichnung den anerkannten Vorschriften entspricht. In den Vereinigten Staaten, ASME Boiler and Pressure Vessel Code Abschnitt VIII ist der primäre Standard. In Europa regeln die Druckgeräterichtlinie (DGRL) und die EN ISO 4126 die Konstruktion. Die Nichteinhaltung führt zu einer rechtlichen Haftung und kann zum Erlöschen der Geräteversicherung führen.

Wichtige Begriffe, die Sie vor der Größenbestimmung verstehen müssen

Die Dimensionierung von Sicherheitsventilen hat ihr eigenes Vokabular. Ein Missverständnis auch nur eines Begriffs kann zu einem Berechnungsfehler führen, der sich über die gesamte Dimensionierung hinweg ausbreitet.

Druck einstellen

Der Eingangsdruck, bei dem das Sicherheitsventil öffnen soll. Bei einem Behälter mit einem MAWP von 100 barg darf der eingestellte Druck 100 barg nicht überschreiten. Der eingestellte Druck ist auf dem Typenschild des Ventils eingeprägt und wird während der Werkseinstellung getestet.

Überdruck

Der Druckanstieg über den eingestellten Druck hinaus, der auftritt, während das Ventil geöffnet ist und fließt. ASME erlaubt 10 % Überdruck für ein einzelnes Sicherheitsventil und 16 % für Brandfälle. Der Entlastungsdruck entspricht dem Ansprechdruck plus Überdruck.

Gegendruck

Druck am Ventilausgang, verursacht durch das Auslassrohrsystem. Der Gegendruck verringert den Differenzdruck am Ventil und verringert somit die Kapazität. Es gibt zwei Arten:

• Überlagerter Gegendruck – liegt vor, bevor das Ventil öffnet, aufgrund eines unter Druck stehenden Kopfes oder eines geschlossenen Auslasses.
• Staudruck aufgebaut — entsteht aufgrund von Reibungsverlusten im Auslassrohr nur bei Durchfluss im Ventil.

Herkömmliche Sicherheitsventile reagieren empfindlich auf Gegendruck. Wenn der aufgebaute Gegendruck 10 % des eingestellten Drucks übersteigt, a ausgeglichener Faltenbalg oder vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil sollte berücksichtigt werden.

Entladungskoeffizient (Kd)

Ein dimensionsloser Faktor, der Strömungsverluste durch das Ventilgehäuse berücksichtigt. API 520 verwendet einen Nennausflusskoeffizienten Kd, der typischerweise bei etwa liegt 0,975 für Gas-/Dampfbetrieb und 0,65 für Flüssigkeitsanwendungen. Hersteller veröffentlichen zertifizierte Kd-Werte aus ASME-Durchflusstests.

Erforderliche Öffnungsfläche (A)

Die minimale Durchflussfläche, berechnet aus Ihrer Entlastungsleistung. Anschließend gleichen Sie diese mit der nächstgrößeren Standard-Öffnungsbezeichnung aus API 526 ab (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T).

Schritt-für-Schritt: So dimensionieren Sie ein Sicherheitsventil für den Gas- oder Dampfbetrieb

Bei der Größenbestimmung von Gasen und Dämpfen werden kompressible Strömungsgleichungen verwendet. Die API 520 Teil I-Methodik ist hierfür der Industriestandard. Befolgen Sie diese Schritte der Reihe nach.

Schritt 1: Identifizieren Sie das Design-Basisszenario

Sie müssen zunächst feststellen, was den Überdruck verursacht. Zu den häufigsten Szenarien gehören verstopfter Auslass, Kühlwasserausfall, Brandgefahr, Bruch des Wärmetauscherrohrs und außer Kontrolle geratene Reaktionen. Jedes Szenario erzeugt einen anderen erforderlichen Entlastungsfluss. Größe für den schlechtesten glaubwürdigen Einzelfall, es sei denn, die Installationsphilosophie erfordert gleichzeitige Fälle.

Schritt 2: Erforderlichen Entlastungsstrom berechnen

Dies ergibt sich aus einer Prozesssimulation oder einer Wärme- und Stoffbilanz. Bei einem verstopften Auslass eines Kompressors entspricht der erforderliche Durchfluss dem vollen Kompressordurchsatz. Für Brandfälle stellt API 521 die Wärmeeintragsformel bereit:

Q = 43.200 × F × A ^0.82 (für benetzte Oberfläche, in BTU/h, imperiale Einheiten)

Dabei ist F ein Umgebungsfaktor (1,0 für blanke Behälter, 0,3 für ausreichend isolierte Behälter) und A die benetzte Oberfläche in Quadratfuß.

Schritt 3: Auf kritischen oder unterkritischen Durchfluss prüfen

Der Durchfluss durch eine Sicherheitsventildüse wird kritisch (gedrosselt), wenn das Verhältnis von Gegendruck zu Entlastungsdruck unter das kritische Druckverhältnis fällt, vgl. Für ein ideales Gas hängt Cf vom Verhältnis der spezifischen Wärmen (k oder γ) ab:

Vgl. = (2/(k 1)) ^k/(k-1)

Für die meisten Kohlenwasserstoffe und Luft ist k ≈ 1,3–1,4, was Cf ≈ 0,545–0,528 ergibt. Wenn der Gegendruck/Entlastungsdruck unter Cf liegt, liegt ein kritischer Durchfluss vor und Sie verwenden die einfachere Gleichung für den kritischen Durchfluss. Andernfalls verwenden Sie die unterkritische Korrektur.

Schritt 4: Wenden Sie die Gasdimensionierungsformel API 520 an

Für kritischen Gasfluss (API 520 Teil I, Gleichung 3):

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

• A = erforderliche Öffnungsfläche (in²)
• W = erforderliche Entlastungskapazität (lb/h)
• C = aus k abgeleitete Gaskonstante (dimensionslos, tabellarisch aufgeführt in API 520 Anhang B)
• Kd = effektiver Ausflusskoeffizient (für vorläufige Dimensionierung 0,975 verwenden)
• P1 = Entlastungsdruck in Psia (Einstelldruck × 1,1 14,7 für atmosphärische Entladung)
• Kb = Gegendruck-Korrekturfaktor (aus API 520-Zahlen; 1,0, wenn der Gegendruck vernachlässigbar ist)
• M = Molekulargewicht des Gases
• T = Entspannungstemperatur in Rankine (°F 460)
• Z = Kompressibilitätsfaktor bei Entspannungsbedingungen (1,0 für ideales Gas)

Schritt 5: Wählen Sie die Standardöffnungsgröße

Nehmen Sie die berechnete Fläche A und suchen Sie die nächstgrößere Standard-Öffnungsbezeichnung in API 526. Wenn beispielsweise A = 0,85 Zoll², ist eine D-Öffnung (0,110 Zoll²) zu klein, eine E-Öffnung (0,196 Zoll²) zu klein und so weiter, bis Sie die richtige Passform gefunden haben. Runden Sie niemals ab. Die ausgewählte Öffnung muss gleich oder größer als die erforderliche Fläche sein.

Dimensionierung eines Sicherheitsventils für den Dampfbetrieb

Bei der Dampfdimensionierung wird eine vereinfachte Version der Gasgleichung verwendet, da die Dampfeigenschaften bei Sättigung gut charakterisiert sind. API 520 Teil I bietet eine dampfspezifische Formel:

A = W / (51,45 × Kd × Ksh × Kn × Kb × P1)

• Ksh = Überhitzungskorrekturfaktor (1,0 für gesättigten Dampf; weniger als 1,0 für überhitzten Dampf, aus API 520, Tabelle 6)
• Kn = Napier-Korrektur für Hochdruckdampf (gilt, wenn der eingestellte Druck 1.500 psia überschreitet)
• Andere Variablen sind wie für die Gasversorgung definiert

Zum Beispiel ein Kesselsicherheitsventil mit einer erforderlichen Entlastungskapazität von 50.000 lb/h gesättigter Dampf bei 250 psig eingestelltem Druck (Entlastungsdruck = 275 psia) und kein nennenswerter Gegendruck wäre erforderlich:

A = 50.000 / (51,45 × 0,975 × 1,0 × 1,0 × 1,0 × 275) ≈ 3,62 Zoll²

Nach API 526 wäre die nächstgrößere Standardöffnung über 3,62 Zoll² eine Öffnung mit 6,38 Zoll², was überdimensioniert ist. In der Praxis könnten Sie zwei kleinere Ventile parallel verwenden, um jedes Ventil im Verhältnis zu seiner Öffnungsfläche angemessener zu dimensionieren – auch dies sorgt für Redundanz.

Dimensionierung eines Sicherheitsventils für den Flüssigkeitsbetrieb

Die Größenbestimmung von Flüssigkeiten unterscheidet sich grundlegend von der Größenbestimmung kompressibler Flüssigkeiten. Flüssigkeiten sind inkompressibel, daher wird die Kapazität durch die Quadratwurzel des Differenzdrucks und nicht durch den absoluten Druck bestimmt.

Die Flüssigkeitsleimungsformel API 520 lautet:

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

• Q = erforderlicher Entlastungsfluss in US-Gallonen pro Minute (gpm)
• Kd = 0,65 für Flüssigkeitsbetrieb (nicht 0,975)
• Kw = Gegendruckkorrektur für ausgeglichene Ventile (1,0 für konventionelle Ventile)
• Kc = Kombinationskorrektur (1,0 wenn keine Berstscheibe vorgeschaltet ist, 0,9 wenn Berstscheibe in Reihe eingebaut ist)
• Kv = Viskositätskorrekturfaktor (1,0 für die anfängliche Dimensionierung; iterieren, wenn die Flüssigkeit viskos ist)
• ΔP = Differenzdruck am Ventil in psi (Entlastungsdruck minus Gegendruck)
• G = spezifisches Gewicht der Flüssigkeit relativ zu Wasser bei 60 °F

Flüssigkeitssicherheitsventile erfordern häufig die UV-Kennzeichnung gemäß ASME Abschnitt VIII, und es müssen spezielle Versionen von Standardventilgehäusen mit Flüssigkeitsabdichtung verwendet werden. Die Verwendung eines Gas-/Dampf-Ventilgehäuses für den Flüssigkeitsbetrieb ohne Flüssigkeitsgarnitur führt typischerweise zu erhebliche Kapazitätsreduzierung und mögliche Instabilität.

Viskositätskorrektur für dicke Flüssigkeiten

Wenn die Flüssigkeitsviskosität bei Entlastungsbedingungen etwa 100 SSU (Saybolt Seconds Universal) überschreitet, wird der Viskositätskorrekturfaktor Kv signifikant. Die Korrektur verwendet die Reynolds-Zahl durch die Öffnung. Beginnen Sie mit Kv = 1,0, berechnen Sie eine Probeöffnungsfläche, bestimmen Sie die Reynolds-Zahl, schlagen Sie Kv in der API 520-Tabelle nach und berechnen Sie dann neu. Iterieren Sie, bis die Öffnungsfläche konvergiert – normalerweise innerhalb von zwei oder drei Iterationen für typische Prozessflüssigkeiten.

Standard-Öffnungsgrößen: API 526-Referenztabelle

Sobald Sie die erforderliche Öffnungsfläche berechnet haben, wählen Sie die nächste Standard-Öffnungsbezeichnung aus API 526 aus. Die folgende Tabelle zeigt die Standard-Öffnungsbezeichnungen und ihre Nennflächen. Überprüfen Sie immer anhand des Datenblatts des jeweiligen Herstellers, da die tatsächlichen effektiven Öffnungsflächen geringfügig von den nominalen API 526-Werten abweichen können.

Wie sich der Gegendruck auf die Auswahl und Dimensionierung von Sicherheitsventilen auswirkt

Gegendruck ist einer der am häufigsten missachteten Aspekte bei der Dimensionierung von Überdruckventilen. Ingenieure, die dies ignorieren, enden mit Ventilen, deren Leistung von der Konstruktion abweicht – manchmal sogar gefährlich.

Konventionelle Sicherheitsventile

Bei einem herkömmlichen Sicherheitsventil mit Direktfeder ist der Federhohlraum zum Auslass hin entlüftet. Das bedeutet, dass der Gegendruck direkt gegen die Federkraft wirkt und den eingestellten Druck effektiv erhöht. Wenn Gegendruck überlagert ist konstant und bekannt , kann das Ventil zum Ausgleich auf die Werkbank eingestellt werden. Wenn der Gegendruck jedoch variabel ist, ändert sich auch der eingestellte Druck – eine gefährliche Situation. API 520 empfiehlt dies Der aufgebaute Gegendruck an einem herkömmlichen Ventil darf 10 % des Ansprechdrucks nicht überschreiten im Messgerät.

Balg-Sicherheitsventile

Ein Druckentlastungsventil mit ausgeglichenem Faltenbalg nutzt ein flexibles Element, um die Feder vom Gegendruck zu isolieren und so den eingestellten Druck unabhängig von den Auslassbedingungen stabil zu halten. Diese Ventile halten einem Gegendruck von bis zu stand ca. 50 % des eingestellten Drucks ohne wesentliche Leistungseinbußen, obwohl die Kapazität mit steigendem Gegendruck immer noch abnimmt und die Kb-Korrektur weiterhin gilt.

Vorgesteuerte Druckbegrenzungsventile

Ein vorgesteuertes Überdruckventil nutzt Prozessdruck, um den Hauptventilsitz geschlossen zu halten. Das Hauptventil öffnet nur, wenn der Pilot einen Überdruck erkennt. Diese Ventile sind im Wesentlichen immun gegen Rückdruckeffekte auf den eingestellten Druck und können mit Gegendrücken von bis zu betrieben werden 80 % des Ansprechdrucks bei einigen Ausführungen . Sie werden häufig für Hochdruckanwendungen, Bördelköpfe mit erheblichem aufgebautem Gegendruck und Situationen ausgewählt, in denen ein präziser Einstelldruck von entscheidender Bedeutung ist.

Zweiphasen- und Mischphasenentlastung: Besondere Überlegungen

Wenn es sich bei der Entlastungsflüssigkeit um ein zweiphasiges Flüssigkeits-Dampf-Gemisch handelt, kommt weder die Gas- noch die Flüssigkeitskalibrierungsmethode direkt zur Anwendung. Flashende Flüssigkeiten, reaktive Systeme und Kühlkreisläufe führen häufig zu zweiphasigen Entlastungsszenarien. Unterdimensionierung ist in diesen Fällen häufig und gefährlich.

Zu den anerkannten Methoden zur zweiphasigen Dimensionierung gehören:

• DIERS-Methodik (Design Institute for Emergency Relief Systems) – der strengste Ansatz, der speziell für reaktive und nicht im Gleichgewicht befindliche Zweiphasensysteme entwickelt wurde
• Omega-Methode – ein vereinfachtes Gleichgewichtsmodell von Leung (1986), übernommen in API 520 Anhang C; verwendet einen einzelnen Parameter ω, der aus Blitzberechnungen bei 90 % und 100 % Entlastungsdruck abgeleitet wird
• HEM (homogenes Gleichgewichtsmodell) — geht von einem vollständigen thermodynamischen Gleichgewicht und einer homogenen Mischung aus; für die meisten Anwendungen konservativ

Für die zweiphasige Dimensionierung ist in der Regel ein Prozesssimulator (z. B. Aspen HYSYS, SimSci PRO/II oder VMGSim) erforderlich, um Flash-Daten unter entlastenden Bedingungen zu generieren. Die daraus resultierende erforderliche Öffnungsfläche beträgt häufig 2 bis 5 mal größer als eine reine Dampfberechnung für die gleiche Durchflussrate ergeben würde. Aus diesem Grund haben viele Anlagen, deren Entlastungsventile nur für den Dampfbetrieb dimensioniert waren, festgestellt, dass sie stark unterdimensioniert waren, wenn die eigentliche Flüssigkeit zweiphasig war.

Einlassdruckabfall: Die 3 %-Regel, die ignoriert wird

Der Druck am Ventileingang darf bei fließendem Wasser nicht mehr als 3 % unter den eingestellten Druck fallen (gemäß API 520 Teil II und API 526). Dieser Grenzwert von 3 % für den Eingangsdruckabfall ist eine der am häufigsten verletzten Einschränkungen in der Installationspraxis und führt zu Vibrationen.

Hier ist der Grund: Ein federbelastetes Sicherheitsventil beginnt zu schließen, wenn der Eingangsdruck abfällt. Wenn die Einlassleitung einen hohen Widerstand aufweist, fällt der Druck am Ventileinlass beim Öffnen des Ventils stark ab. Wenn dieser Abfall die Abschlämmung (die Druckreduzierung, die erforderlich ist, um das Ventil wieder in den Sitz zu bringen – typischerweise 7–10 % des eingestellten Drucks für Prozessventile) übersteigt, schließt das Ventil, bevor sich der Systemdruck erholt hat, und öffnet sich dann wieder. Der Zyklus wiederholt sich – das ist Rattern und zerstört den Ventilsitz.

In der Praxis bedeutet die 3 %-Regel, dass das Einlassrohr kurz und mit großem Durchmesser sein muss. Ein grober Richtwert: Die Einlaufdüse sollte es sein mindestens so groß wie die Größe des Ventileingangsanschlusses aus der API 526-Tabelle, und die äquivalente Länge der Einlassrohre sollte minimiert werden. Berechnen Sie den tatsächlichen Druckabfall bei vollem Entlastungsstrom mithilfe der Darcy-Weisbach-Gleichung, bevor Sie den Installationsentwurf abschließen.

Dimensionierung von Brandfällen: Wenn die thermische Entlastung dominiert

In Brandfällen wird häufig die Dimensionierung von Sicherheitsventilen für Lagerbehälter und Prozessgeräte in Bereichen mit brennbaren Beständen bestimmt. Das Szenario geht davon aus, dass das Schiff von einem Pfützenbrand umgeben ist, der den Inhalt erhitzt und Dampf erzeugt, der abgeführt werden muss.

API 521 stellt zwei Gleichungen für den Feuerwärmeeintrag bereit – eine für die benetzte Oberfläche (Flüssigkeit unter der Flamme) und eine für die unbenetzte Oberfläche (Dampfraum). Typischerweise ist die Gleichung der benetzten Oberfläche maßgebend und gibt eine Wärmezufuhr in BTU/h oder kW an. Dieser Wärmeeintrag wird dann durch die latente Verdampfungswärme der Flüssigkeit bei Entspannungsbedingungen dividiert, um die erforderliche Dampfdurchflussrate zu erhalten.

Ein entscheidendes Detail: Der Brandfall erlaubt es 21 % Überdruck gemäß ASME Abschnitt VIII (gegenüber 10 % im Normalfall), wodurch die erforderliche Öffnungsfläche etwas reduziert wird. ASME verlangt jedoch auch, dass der Brandfall entweder durch ein spezielles Feuerentlastungsventil behandelt wird, das auf 110 % des MAWP eingestellt ist (während das Primärventil auf 100 % steht), oder durch den Nachweis, dass das Primärventil über eine ausreichende Kapazität für beide Szenarien verfügt.

Beispiel: ein horizontaler Behälter mit 10.000 Gallonen Naphtha mit 2.000 Fuß² benetzter Oberfläche, ohne Entwässerung, ohne Isolierung und ohne Löschwasseranwendung (F = 1,0):

Q = 43.200 × 1,0 × 2.000 ^0.82 ≈ 34.200.000 BTU/h

Wenn die latente Wärme von Naphtha bei Entlastungsbedingungen 120 BTU/lb beträgt, beträgt der erforderliche Dampfstrom 285.000 lb/h – ein sehr großer Entlastungsbedarf, der wahrscheinlich die Auswahl mehrerer Sicherheitsventile mit großer Öffnung oder eines pilotgesteuerten Ventils beeinflussen würde.

Häufige Fehler bei der Größenbestimmung und wie man sie vermeidet

Verwendung der falschen Flüssigkeitsphase

Wenn man davon ausgeht, dass es sich bei der Druckentlastung ausschließlich um Dampf handelt, während die tatsächliche Flüssigkeit unter Entlastungsbedingungen zweiphasig ist, kann dies zu einer Unterdimensionierung des Ventils um den Faktor 3 oder mehr führen. Führen Sie immer eine Schnellberechnung bei Entlastungsdruck und -temperatur durch, um die tatsächliche Phase und Zusammensetzung der fließenden Flüssigkeit zu bestimmen.

Ignorieren des Gegendrucks in Flare-Systemen

Wenn eine Anlage altert und dem Fackelkopf mehr Entlastungslasten hinzugefügt werden, steigt der Gegendruck. Ein Ventil, das im ersten Jahr für einen Gegendruck von 5 psi ausgelegt war, kann zehn Jahre später einen Gegendruck von 25 psi aufweisen, wenn Produktionserweiterungen das Fackelsystem belasten. Überprüfen Sie die Annahmen zum Gegendruck während der Management-of-Change-Überprüfungen erneut.

Auswahl übergroßer Ventile „aus Sicherheitsgründen“

Der Instinkt, durch die Wahl eines größeren Ventils mehr Spielraum zu schaffen, ist kontraproduktiv. Ein überdimensioniertes Sicherheitsventil klappert und verursacht mechanische Schäden und Leckagen. API 520 Teil I warnt ausdrücklich: Die ausgewählte Öffnung sollte so nah wie möglich an der berechneten erforderlichen Fläche liegen, ohne diese zu unterschreiten. Wenn die nächsthöhere Standardgröße dazu führt, dass das Ventil um mehr als 10 % größer als nötig ist, sollten Sie die Verwendung eines kleineren Einstelldrucks oder die Parallelschaltung zweier kleinerer Ventile in Betracht ziehen.

Vergessen des Kombinationskorrekturfaktors Kc

Wenn eine Berstscheibe vor einem Sicherheitsventil installiert wird, wirkt die Kombination wie ein einzelnes Gerät und die Kapazität verringert sich. API 520 spezifiziert Kc = 0,9, es sei denn, die spezifische Kombination wurde getestet und zertifiziert. Viele Ingenieure wenden diesen Faktor nur auf die Flüssigkeitsdimensionierungsformel an und vergessen, dass er auch für die Gasdimensionierung gilt.

Betriebsdruck im Vergleich zum eingestellten Druck wird nicht berücksichtigt

ASME Abschnitt VIII verlangt, dass ein Sicherheitsventil unter normalen Betriebsbedingungen geschlossen bleibt und keine Lecks aufweist. API empfiehlt ein Minimum 10 % Betriebsmarge zwischen normalem Betriebsdruck und eingestelltem Druck (d. h. der Einstelldruck sollte mindestens das 1,1-fache des maximalen normalen Betriebsdrucks betragen). Bei Ventilen, die zu nahe am eingestellten Druck betrieben werden, kommt es zu Siedegeräuschen, Sitzleckagen und vorzeitigem Verschleiß.

Software und Tools zur Auslegung von Sicherheitsventilen

Die manuelle Berechnung mithilfe der API 520-Gleichungen ist für einphasige Flüssigkeiten einfach, wird jedoch für große Entlastungssysteme mit vielen Ventilen zeitaufwändig. Mehrere Softwaretools automatisieren den Prozess:

• Aspen FLARENET / Aspen Flare Systemanalysator – Industriestandard für die Modellierung von Flare-Netzwerken; dimensioniert Überdruckventile und analysiert gleichzeitig den Gegendruck im Sammelrohr
• EPCON-API — spezielles API 520/521/526-Dimensionierungstool; Wird häufig zur individuellen Ventildimensionierung verwendet
• Online-Dimensionierungstool des Crosby Engineering Handbook – bereitgestellt von Emerson/Crosby zur schnellen Dimensionierung ihrer Ventilprodukte
• Leser VALVESTAR — Werkzeug eines europäischen Herstellers; wendet sowohl API- als auch EN ISO 4126-Methoden an
• KOMPRESS / PV Elite – in erster Linie Software für die Schiffskonstruktion, umfasst aber auch integrierte Module zur Größenbestimmung von Überdruckventilen

Diese Tools reduzieren Berechnungsfehler und erstellen Dokumentationen für behördliche Einreichungen. Sie erfordern jedoch korrekte Eingaben. Müll rein, Müll raus – das Verständnis der zugrunde liegenden Gleichungen und Annahmen ist wichtig, um Fehler in der Softwareausgabe zu erkennen.

Zusammenfassung der regulatorischen und Code-Anforderungen

Verschiedene Regionen und Branchen wenden unterschiedliche Vorschriften für die Dimensionierung und Installation von Sicherheitsventilen an. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Standards zusammen:

Praktische Checkliste für die Dimensionierung von Sicherheitsventilen

Verwenden Sie diese Checkliste, bevor Sie die Berechnung der Dimensionierung eines Sicherheitsventils und die Beschaffungsspezifikation abschließen.

1. Identifizieren Sie alle glaubwürdigen Überdruckszenarien und bestimmen Sie den maßgeblichen Fall (maximal erforderlicher Entlastungsfluss).
2. Bestätigen Sie MAWP und stellen Sie den Druck ein. Stellen Sie dabei sicher, dass der Betriebsspielraum mindestens 10 % über dem maximalen normalen Betriebsdruck liegt
3. Bestimmen Sie die entlastende Flüssigkeitsphase (Gas, Flüssigkeit, Dampf, zweiphasig) bei eingestelltem Druck plus Überdruck
4. Erfassen Sie Flüssigkeitseigenschaften: Molekulargewicht, k-Verhältnis, Kompressibilität Z, Viskosität, latente Wärme, spezifisches Gewicht
5. Schätzen Sie den Gegendruck (überlagert und aufgebaut) ab und wählen Sie den Ventiltyp entsprechend aus
6. Wenden Sie die richtige API 520-Formel für die Flüssigkeitsphase an und berechnen Sie die erforderliche Öffnungsfläche A
7. Wenden Sie alle Korrekturfaktoren (Kb, Kc, Kw, Kv) an, die für Ihre Installation gelten
8. Wählen Sie die nächstgrößere Standardöffnung aus API 526; Stellen Sie sicher, dass der ausgewählte Bereich nicht mehr als etwa 10 % größer als erforderlich ist (um das Risiko von Vibrationen zu vermeiden).
9. Stellen Sie sicher, dass der Druckabfall im Einlassrohr bei vollem Entlastungsstrom 3 % des eingestellten Drucks nicht überschreitet
10. Stellen Sie sicher, dass der Gegendruck der Auslassleitung bei vollem Entlastungsfluss innerhalb der zulässigen Grenze des Ventiltyps liegt
11. Geben Sie Konstruktionsmaterialien an, die mit der Prozessflüssigkeit und der Temperatur kompatibel sind
12. Bestätigen Sie, dass das Ventil den richtigen Codestempel trägt (UV für ASME Abschnitt VIII, V für Abschnitt I-Kesselservice)