Арматура предохранительная. Выбор, установка и расчет

О. И. Асеев








            АРМАТУРА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ


Выбор, установка и расчет

















Инфра-Инженерия Москва-Вологда 2018

УДК 621.646.8
ББК 38.761
    А 90







ФЗ №436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

       Асеев О. И.
А 90 Арматура предохранительная. Выбор, установка и расчет:
       справ. пособие. / О. И. Асеев.- М.: Инфра-Инженерия, 2018. - 208 с.

ISBN 978-5-9729-0220-0

      Рассмотрены критерии подбора предохранительной арматуры в зависимости от различных условий. Приведен порядок расчета количества выбросов и определения параметров трубопроводных систем в местах установки арматуры. Дан обзор возможных аварийных ситуаций на перерабатывающих предприятиях и раскрыты меры, направленные на их предотвращение путем организации предохранительных систем сброса. Подробно изложен метод нахождения пропускной способности арматуры в зависимости от количества выбросов, параметров подводящих и отводящих трубопроводов. Описаны правила вычисления времени срабатывания и определения герметичности арматуры, а также выявления реактивных сил при сбрасывании газообразной рабочей среды. Даны рекомендации относительно выбора пружин, настройки предохранительных клапанов, выяснения направления сбросов, проведения ревизий и организации мер безопасности.
      Для инженеров, занятых проектированием и эксплуатацией трубопроводных систем, менеджеров по продажам и закупкам, а также студентов и преподавателей высшего и среднего профессионального образования.














© Асеев О. И., автор, 2018
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018


ISBN 978-5-9729-0220-0

ВВЕДЕНИЕ | 3

                                           ПОСВЯЩАЕТСЯ
                                           моей маме и тете Клаве, которые сделали все возможное, чтобы я стал инженером

Введение

     Каждый сосуд, аппарат или группа сосудов и аппаратов должны быть защищены от превышения давления. Защита осуществляется:
     - путем установки предохранительных клапанов или мембран;
     - исключением из системы источников, которые могут создать давление в сосуде и аппарате выше их расчетного давления.
     Для исключения аварийных ситуаций предохранительная арматура перед установкой должна быть правильно подобрана к оборудованию и рассчитана.
     В книге изложены основные требования по подбору, расчету и установке предохранительной арматуры на сосудах, работающих при избыточном давлении (за исключением сосудов, работающих под давлением для атомной промышленности и тех, на которые не распространяются требования безопасности в атомной промышленности), а также направление сбросов от них.
     Цель данного материала - приведение различных методик расчетов и выбора предохранительных клапанов, разработанных и введенных в действие в советское время, а также зарубежного опыта, в соответствие с действующими на настоящий момент нормами безопасности с учетом некоторых научных обоснований, а также систематизация информации, имеющейся в настоящее время в данной области знаний.
     Ссылки на литературу не приводятся ввиду того, что основная часть материала приводится в соответствии с изложением текстов первичной нормативной документации с незначительными поправками для однозначного и простого понимания.
     К большому сожалению, в настоящее время инженеры - проектировщики и конструктора предохранительной трубопроводной арматуры с большим опытом проектных работ и научных изысканий в данной области уже отошли от работы или заканчивают свою трудовую деятельность в отдельных организациях (институтах, бюро и т. п.) или на предприятиях и не имеют возможности поделиться своими богатейшими знаниями с молодым поколением.
     С другой стороны, молодые конструктора в своем большинстве не имеют опыта конструкторских разработок в области предохранительной арматуры и не знают, где искать документацию по данной проблеме, особенно на вновь организуемых предприятиях машиностроительной отрасли, специализирующихся в области производства трубопроводной арматуры. При требованиях рынка и давлении со стороны руководства предприятий неопытные конструктора «выдают на гора» не соответствующие требованиям нормативной документации изделия, что может привести к серьезным аварийным ситуациям

| О.И. Асеев. АРМАТУРА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ. ВЫБОР, УСТАНОВКА И РАСЧЕТ

на эксплуатирующем такую продукцию предприятии нефтехимической или газовой переработки.
      Настоящая книга будет полезна как для инженеров со стажем, исходя из собранной в ней документации в едином справочно-методическом пособии, так и для молодых инженеров, ввиду затрудненного доступа к некоторым документам и при отсутствии определенного опыта не имеющих возможности поиска отсутствующей нормативной документации.
      С максимально возможным освещением и пояснением некоторых отдельных моментов, поэтапным разъяснением в книге, максимально увязаны постулаты начального момента выбора и расчета предохранительной арматуры.
      Данная книга является первой в серии. Всего планируется к изданию еще четыре:
      Книга 2 - Арматура предохранительная. Клапаны предохранительные.
      Книга 3 - Арматура предохранительная. Мембраны предохранительные.
      Книга 4 - Арматура предохранительная. Силовой, прочностной и гидравлический расчеты.
      Книга 5 - Предохранительные клапаны. Требования к изготовлению на отдельные рабочие среды, расчет и проектирование пружин.

Глава 1. Общие положения и предварительные расчеты | 5






ГЛАВА 1.
Общие положения и предварительные расчеты

     1.1. Основные определения

     Общая факельная система - система, которая обслуживает все производства или группу производств, технологических установок и другие источники сбросных газов, не связанных в одну технологическую линию.
     Отдельная факельная система - система, которая обслуживает одно производство, один цех, одну технологическую установку, один склад или несколько технологических установок, которые связаны единой технологией в одну технологическую нитку и могут останавливаться одновременно (один источник сброса).
     Специальная факельная система - система, предназначенная для сжигания газов и паров, которые по своим свойствам или параметрам не могут быть направлены в общую или отдельную систему (содержание сероводорода более 8 % об., полимеризующиеся продукты и т. д.).
     Автоматическое редуцирующее устройство - регулятор давления прямого действия «после себя» или регулирующий клапан с исполнительным механизмом.
     Рабочее давление в сосуде (Рраб) - максимальное внутреннее избыточное или наружное давление, возникающее при нормальном протекании рабочего процесса без учета гидростатического давления среды и без учета допустимого кратковременного превышения давления во время действия предохранительного клапана или других предохранительных устройств.
     Максимально допустимое рабочее давление (Рдоп) - максимальное давление в защищаемой системе при сбросе среды через предохранительное устройство, превышение которого недопустимо из соображений безопасности, зависящее от материала, его толщины и условий эксплуатации, положенных в основу расчета.
     Нормальное протекание рабочего процесса - условия (давление, температура и др.), при сочетании которых обеспечивается безопасная работа сосуда, обусловленная нормальным режимом технологического процесса.
     Технологическое давление (Рт) - избыточное давление в сосуде, аппарате или трубопроводе, при котором осуществляется технологический процесс и принимаемое по верхней величине заданного диапазона давлений проведения технологического процесса не превышающее рабочее давление и, как правило,

| О.И. Асеев. АРМАТУРА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ. ВЫБОР, УСТАНОВКА И РАСЧЕТ

поддерживаемое ниже уровня, на который настроены предохранительные клапаны, с целью предотвращения их частого срабатывания.
       Оперативное давление (Рот) - максимальное технологическое давление, которое может возникнуть при нормальном режиме протекания технологического процесса в сосуде или аппарате.
       Расчетное давление (Ррасч) - максимальное допускаемое давление в рабочих условиях, на которое производится расчет на прочность сосудов, трубопроводов и их элементов, превышающее оперативное давление для исключения нежелательного срабатывания предохранительных клапанов.
       Расчетное давление сосуда - наименьшее из расчетных давлений отдельных элементов сосуда, работающего под давлением.
       Максимально допустимое давление - расчетное давление наиболее слабого узла трубопровода (труба, фланец, фитинг), определяемого в зависимости от условного давления и температуры среды по ГОСТ 356-80.
       Давление аппарата (Р^) - максимальное давление в сосуде или аппарате, определяемое исходя из расчетного давления аппарата при полном открытии предохранительного клапана.
       Разрешенное давление (Рразр) - рабочее давление, которое определяется по результатам обследования сосуда (для вновь проектируемых принимается равным рабочему давлению).
       Сосуд, работающий под давлением - герметически закрытая емкость (или аппарат), ограниченная входными и выходными штуцерами или фланцами, предназначенная для ведения химических, тепловых и других технологических процессов, а также для хранения и транспортирования жидкости, сжатых, сжиженных и растворенных газов и жидкостей, газообразных и других веществ под давлением.
       Рабочий предохранительный клапан - предохранительный клапан, предназначенный для защиты сосуда, аппарата или трубопровода от разрыва.
       Резервный предохранительный клапан - предохранительный клапан в исправном состоянии с готовностью к немедленному включению в систему, предназначенный для защиты сосуда, аппарата или трубопровода от разрыва на момент ревизии или ремонта рабочего клапана и настроенный на давление срабатывания рабочего клапана.
       Основной предохранительный клапан - рабочий предохранительный клапан, предназначенный для защиты сосуда, аппарата или трубопровода от разрыва и рассчитанный на сброс определенного объема сбрасываемого продукта при определенном давлении настройки.
       Запасной предохранительный клапан - предохранительный клапан, предназначенный для защиты сосуда, аппарата или трубопровода от разрыва, в случае отказа основного клапана и настроенный на давление срабатывания немного выше основного клапана.
       Вспомогательный предохранительный клапан - предохранительный клапан, предназначенный для защиты сосуда, аппарата или трубопровода от разрыва, на случай превышения объема сбрасываемого продукта через рабочий

Глава 1. Общие положения и предварительные расчеты | 7

  клапан при продолжающем увеличении давления и настроенный на давление срабатывания немного выше основного клапана.
     Контрольный предохранительный клапан - предохранительный клапан, предназначенный для уменьшения случаев срабатывания рабочего предохранительного клапана в атмосферу.
     Давление настройки (Рн) - наибольшее избыточное давление на входе клапана, при котором затвор закрыт с обеспечением заданной герметичности.
     Установочное давление предохранительного клапана (давление срабатывания) (Р,ст) - это избыточное давление, при котором предохранительный клапан сделает первый хлопок во время регулировки на стенде водой или сжатым воздухом и при котором предохранительный клапан, установленный по месту работы, будет производить стабильное срабатывание на хлопок.
     Давление начала открытия предохранительного клапана (Рно) - это избыточное давление в сосуде, при котором золотник предохранительного клапана начинает подъем с потерей герметичности.
     Давление полного открытия предохранительного клапана (Р± или Рпо) -это максимальное избыточное давление перед предохранительным клапаном при достижении полного его открытия и пропускной способности.
     Давление за предохранительным клапаном (противодавление) (Р₂) - это максимальное избыточное давление непосредственно на выходе из выхлопного штуцера предохранительного клапана.
     Давление закрытия затвора предохранительного клапана (Р₃) - это избыточное давление, при котором затвор предохранительного клапана закрывается после срабатывания и обеспечивает необходимую герметичность с последующим установлением рабочего давления в защищаемой системе.
     Статическое (постоянное) противодавление (Рспд) - избыточное давление в сбросной (выкидной или выхлопной) трубе или коллекторе при закрытом клапане.
     Динамическое (сбросное) противодавление (Рдпд) - избыточное давление в сбросной (выкидной или выхлопной) трубе или коллекторе при сбросе из предохранительного клапана.
     Избыточное (полное) давление в системе сброса (Рпп) - это максимальное избыточное давление в сбросовом коллекторе (факельном или свечном).
     Аккумуляция (ДРа) - разность между давлением полного открытия и расчетным давлением сосуда или аппарата, выраженная в процентах от расчетного давления сосуда или аппарата
     Гистерезис (ДРГ) - разность между установочным давлением (давлением срабатывания) и давлением закрытия клапана, выраженная в процентах от установочного давления.
     Продув (ДРп) - разность между расчетным давлением сосуда или аппарата и давлением закрытия клапана, выраженная в процентах от расчетного давления сосуда или аппарата.

О.И. Асеев. АРМАТУРА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ. ВЫБОР, УСТАНОВКА И РАСЧЕТ

       1.2.  Основные обозначения

       Рабс - абсолютное давление жидкостей, паров и газов, МПа (кгс/см²);
       Ратм - атмосферное (барометрическое) давление, МПа (кгс/см²);
       Ризб - избыточное (манометрическое) давление, МПа (кгс/см²);
       Рраб - рабочее давление в сосуде или аппарате (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рр - рабочее давление при наибольшей температуре рабочей среды в зависимости от материала из которого изготовлен элемент сосуда, аппарата, трубопровода и трубопроводной арматуры, МПа (кгс/см²);
       Рт - технологическое давление в сосуде или аппарате (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рот - оперативное технологическое давление в сосуде или аппарате (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Ррасч - расчетное давление сосуда или аппарата (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рразр - разрешенное давление в сосуде или аппарате (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рдоп- максимально допустимое рабочее давление (допустимое превышение рабочего давления) при полностью открытом предохранительном клапане, МПа (кгс/см²);
       Рап - давление сосуда или аппарата, МПа (кгс/см²);
       Рб - давление барабана котла тепловых электрических станций, МПа (кгс/см²);
       Рх (или Рпо) - давление полного открытия предохранительного клапана (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Р₂ - давление за предохранительным клапаном при его срабатывании (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рсраб - давление срабатывания (разрыва) мембраны, МПа (кгс/см²);
       Рпп - противодавление в системе выбросов от предохранительных клапанов (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рн - давление настройки предохранительного клапана (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рно - давление начала открытия предохранительного клапана (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Руст - установочное (регулировочное) давление предохранительного клапана (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Р₃ - давление закрытия затвора предохранительного клапана (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рист - давление, развиваемое источником давления (избыточное), Мпа (кгс/см²);
       Рвс - давление во всасывающем патрубке насоса (избыточное), МПа (кгс/см²);
       Рнаг - давление в нагнетательном патрубке насоса (избыточное), МПа (кгс/см²);

Глава 1. Общие положения и предварительные расчеты | 9

     Рпр - давление среды перед регулирующим клапаном (избыточное), МПа (кгс/см²);
     Рвп - давление острого водяного пара (инертного газа), подаваемого на отпарку (избыточное), МПа (кгс/см²);
     ДРКЛ - потери давления в регулирующем клапане (при Рх), МПа (кгс/см²);
     ДРоб - потери давления в оборудовании, МПа (кгс/см²);
     ДРтр - потери давления в трубопроводе, МПа (кгс/см²);
     ДРХ - потеря давления от нагнетательного патрубка насоса до регулирующего клапана, МПа (кгс/см²);
     ДР₂ - потеря давления от регулирующего клапана до сосуда или аппарата, МПа (кгс/см²);
     РК₁ - давление перед клапаном насоса, МПа (кгс/см²);
     Рк₂ - давление после клапана насоса, МПа (кгс/см²);
     Gc - количество питания, поступающего в аппарат, кг/с (кг/ч);
     GₙK - количество продукта, подлежащего сбросу через предохранительный клапан, кг/с (кг/ч);
     GBₙ - количество острого водяного пара (инертного газа), подаваемого на отпарку, кг/с (кг/ч);
     GₚK - пропускная способность регулирующего клапана, кг/с (кг/ч);
     СВП - количество верхних паров в ректификационной колонне без учета водяного пара или инертного газа, кг/с (кг/ч);
     kᵥ - коэффициент пропускной способности регулирующего клапана, т/ч;
     Н - гидростатический столб подъема жидкости, м;
     Нр- дифференциальный напор, развиваемый насосом, м ст. ж.;
     h - высота установки регулирующего клапана под осью насоса, м ст. ж.;
     уж - плотность перекачиваемой насосом жидкости, кг/м³ (г/смЗ);
     уг - плотность газа при нормальных условиях, кг/м³ (г/смЗ);
     D - количество дистиллята (ректификата), кг/с (кг/ч);
     R - количество острого орошения, кг/с (кг/ч);
     W - количество кубовой жидкости, кг/с (кг/ч);
     У Gₙₒ - количество промежуточных продуктов, отбираемых из сложной ректификационной колонны, кг/с (кг/ч);
     GnO - количество промежуточного продукта m-ного отбора сложной ректификационной колонны, кг/с (кг/ч);
     QH - производительность насоса, м³/ч;
     Qc - количество тепла, поступающего с питанием, Вт (ккал/ч);
     QPh6 - тепловая нагрузка рибойлера (кипятильника), Вт (ккал/ч);
     Qₙ - тепловая нагрузка теплообменного аппарата, Вт (ккал/ч);
     У Qₗ₍ₒ - суммарная тепловая нагрузка промежуточных циркуляционных орошений в сложной ректификационной колонне, Вт (ккал/ч);
     Q₄ₒₘₐx - тепловая нагрузка одного из промежуточных циркуляционных орошений в сложной ректификационной колонне, имеющей наибольшую величину, Вт (ккал/ч);

| О. И. Асеев. АРМАТУРА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНАЯ. ВЫБОР, УСТАНОВКА И РАСЧЕТ

      ic - теплосодержание питания на входе в аппарат или продукта в аппарате, Дж/кг (ккал/кг);
      iBX - теплосодержание питания на входе в подогреватель питания, Дж/кг (ккал/кг);
     iR - теплосодержание острого орошения, Дж/кг (ккал/кг);
     iB - теплосодержание продукта вверху колонны, Дж/кг (ккал/кг);
     iw - теплосодержание кубового продукта, Дж/кг (ккал/кг);
      iₙₒ - теплосодержание промежуточного отбора сложной ректификационной колонны, Дж/кг (ккал/кг);
     tₙₚ - температура среды перед регулирующим клапаном, °С;
     tc - температура питания или продукта в аппарате, °С;
     tw - температура кубового продукта, °С;
     tᵣₚ - температура греющего агента, °С;
      tBₙ - температура острого водяного пара (инертного газа), подаваемого на отпарку, °С;
     Траб - рабочая температура, К;
     Тр - температура при рабочих условиях, К;
     Т - температура перед предохранительным клапаном, К;
      Тсраб - температура срабатывания (разрыва) перед мембранным предохранительным устройством, К;
     Тй - приведенная температура, К;
     ррас - объем расширителя, мм³;
     V - удельный объем при давлении Р и температуре tBₚ, м³/кг;
     V₂ - удельный объем при давлении Рх и температуре tBₚ, м³/кг;
     z - коэффициент сжимаемости газа;
     р - плотность вещества (удельная масса вещества), кг/м³ (г/л);
     М - молярная масса газа, г/моль (кг/моль);
     Мугл - молярная масса углеводородов, г/моль (кг/моль);
     Мсм - молярная масса смеси газов, г/моль (кг/моль);
     Y - вес единицы объема жидкости (удельный вес среды), кг/м³ (Н/м³);
     д - ускорение свободного падения, м/с²;
     R - удельная газовая постоянная,  (кгс-м);
кг-К кг-К
     кн - показатель адиабаты при нормальных условиях;
     к - показатель адиабаты;
      ус - плотность продуктов питания или продукта в аппарате (кроме ректификационной колонны), кг/м³;
     /уст - установленная поверхность теплообменного аппарата, м²;
      Красч - расчетный коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата, Вт/(м²-°С) (ккал/м²-ч-°С));
      е - доля отгона.
     Дополнительные индексы, проставляемые в принятых обозначениях:
     ж - жидкость;