[Tisk]  [Poslat e-mailem]  [Hledat v článcích]
Pojistné ventily tlakových nádob - možný zdroj nehodových událostí - praktické zkušenosti
Datum: 11.10.2019
Autor: Ing. František Jirota- ATZ

1) ÚVOD.

Určitě nikdo z nás nepochybuje o tom ,že pojistné ventily mohou způsobit svou nefunkčností poruchu, havárii a nebo dokonce závažnou havárii vyhrazených tlakových zařízení, které se stávají , bez této základní a mnohdy i konečné ochrany proti překročení max. dovolených hodnot tlaku, skutečnou hrozbou. Praktické zkušenosti ze šetření mimořádných událostí odhalují i další možné příčiny závažných havárií kdy se paradoxně jejím zdrojem nestává tlakové zařízení, ale pojistný ventil. Při selhání určitých technologických funkcí tlakového systému nebo lépe řečeno sestavy tlakových zařízení dochází obvykle ke zvyšování vnitřního tlaku až na úroveň otevíracího přetlaku pojistných ventilů. Pojistné ventily začnou odpouštět a v této chvíli hraje roli design ventilů, správně stanovený odpouštěný výkon media a tím dimenze ventilů, umístění ventilů,dodržení zásad pro dimenzování vstupních a výstupních potrubí,zachycení sil a reakcí působících při otevření ventilů a jak jsou odstupňovány otevírací přetlaky pojistných ventilů v kaskádě. Praktické zkušenosti z mimořádných událostí ukazují , že při činnosti pojistných ventilů u nichž nebyly respektovány shora uvedené zásady dochází k vibracím,kmitání či klepání (chattering) pojistných ventilů resp. jejich pohyblivých částí. Probíhá rychlé otevírání a uzavírání pojistných ventilů (dále jen PV).

Výsledné vibrace se přenášejí na připojené konstrukce a mohou způsobit poškození a roztěsnění přírubových spojů hlavně ve spodní přírubě PV. Pokud PV pracuje takto po delší dobu ( řádově i minuty), může dojít až k totálnímu zničení vnitřních částí ventilu a připojovacího potrubí. Únik nebezpečného media z netěsných přírub PV potom vyústí v reálnou havárii se všemi negativními důsledky např. výbuch vzniklé směsi pracovní látky se vzduchem. S některými případy havárií a jejich příčinami., kde zdrojem byly pojistné ventily, by vás měl seznámit tento příspěvek.

2) POJEM „CHATTERING“.

Chattering (klepání / cyklický chod , kmitání pohyblivých částí) je výraz pro rychlé otevírání a uzavírání PV. Výsledné rázy mohou způsobit poškození a roztěsnění přírubových spojů nebo poškození sedla ventilu. Pokud PV pracuje v tomto režimu po delší dobu, může dojít až k mechanickému poškození vnitřních částí ventilu a připojovacího potrubí.

3)PŘÍČINY KMITÁNÍ POHYBLIVÝCH ČÁSTÍ( CHATTERINGU) U PV-

a) Výtok pojistného ventilu je mnohem vyšší než požadovaný-zde třeba provést kontrolní výpočet např. podle ČSN 134309 část -3 nebo podle ČSN EN ISO 4126.

b)Tlaková ztráta v přívodním potrubí je vyšší než 3 % otevíracího tlaku.

c) Tlaková ztráta ve výstupním potrubí je vyšší než povoluje výrobce.

d) Pružina byla použita pro nižší otevírací přetlak PV než připouští výrobce PV.

e)Příčiny kmitání pohyblivých částí PV mohou být i v kombinaci příčin výše uvedených.

f)Všechny PV instalované na tlakovém zařízení v jednom místě nastaveny na stejný otevírací přetlak. Paralelní uspořádání PV a nastavení otevíracích přetlaků nebylo kaskádovitě provedeno.

g) Protitlak ve výstupním potrubí větší než 10% (údaj výrobce) a nebyl použit kovový

( nerezový) vlnovec kompenzující protitlak.

4)BLIŽŠÍ VYSVĚTLENÍ A ROZBOR PŘÍČIN KMITÁNÍ POJISTNÝCH VENTILŮ

4.1. Předimenzování pojistného ventilu dle bodu 3)a)

Dimenze pojistného ventilu mohou být příliš velké oproti výpočtu průřezu v sedle PV na základě požadovaného výtoku tzn. ,že množství průtoku, který má být uvolněn, může být menší než specifikovaná hodnota, pro kterou byl pojistný ventil zvolen. Takže si lze představit, že po tomto náhlém úplném nadzvednutí kuželky se objem vstupního potrubí zcela vypustí ve zlomku sekundy. Vyprázdnění vstupního potrubí po nadzvednutí kuželky je tak rychlé, že se objem potrubí nemůže zpětně naplnit dostatečně rychle, takže dojde k dočasnému poklesu vstupního tlaku, který nemůže udržet kuželku nadále v otevřené pozici, takže tato se vrátí do původní polohy a vzápětí reverzuje v dalším cyklu zvýšení tlaku. Stejný jev se bude opakovat znovu a znovu během vteřin. Výsledkem budou vibrace a chvění jak ukazuje stav na obr.č.1

Jako empirické pravidlo platí, že ke chvění začíná docházet, když je nezbytná/vypočítaná kapacita překročena o více jak 25%. Toto kriterium má význam pro u větších průměrů, jako je např. DN 250 plnozdvižný -může dojít k vytvoření významné tlakové ztráty v důsledku nadměrné kapacity naopak může být nevýznamné pro pojistný ventil o malém průměru (který má 1 mm zdvih kuželky) jako je DN 25/1“. Při zvážení skutečnosti, že národní a mezinárodní normy (DIN/ISO/API/ASME) vyžadují pro dimenzování a volbu pojistných ventilů zahrnutí 10%ního bezpečnostního přetížení (certifikovaná kapacita + 10% = skutečná kapacita pojistného ventilu), 10%ní překročení kapacity je u výrobců stanoveno jako pravidlo. Podobně v ČSN 134309 -1 jsou definovány tzv. výtoky pojistných ventilů – teoretický, skutečný a zaručený. A též v ČSN EN ISO 4126-7 kde se místo zaručený výtok uvádí tzv. certifikovaný výtok.

Pokud je navýšená kapacita PV nad 10%, je třeba zvolit omezení zdvihu nebo menší dimenzi pojistného ventilu.

Obr.č.1

Zde je nedostatečná kapacita

(PV má velký výkon) nebo přívodní potrubí a zásobník jsou příliš malé.

4.2 Tlaková ztráta v přívodním potrubí je vyšší než 3 % otevíracího tlaku viz bod č.3b)

Pojistné ventily jsou extrémně citlivé na účinky nesprávně navrženého souvisejícího potrubí a to jak na straně vstupu tak výstupu. ISO, API a veškeré významné normy včetně ČSN 134309 doporučují maximální tlakový pokles 3% pro vstupní potrubí. Toto musí být vzato do úvahy při dimenzování pojistných ventilů. Vyšší poklesy tlaku způsobují nejen snížení průtoku, ale rovněž způsobují rychlé poškození ventilu v důsledku chvění.

Sestava vstupního potrubí je efektivní z hlediska kmitání PV pouze, pokud potrubí je větší alespoň jednonásobně nebo dvounásobně vůči vstupu pojistného ventilu a pokud je jeho dimenze redukována těsně před vstupem do pojistného ventilu.

Je důležité ,aby tlaková ztráta v přívodním potrubí, když PV propouští plnou kapacitu nebyla větší než tlaková diference při zavření pojistného ventilu oproti tlaku otevíracímu jak je patrno z obrázku č.2.

Za standardních provozních podmínek je tlak v nádobě nižší než otevírací tlak pojistného ventilu a tlak před PV je stejný jako v tlakové nádobě .Pokud následkem narušení standardního provozního režimu (porucha řídícího systému,výpadek pomocných zařízení,chlazení, požár apod.) dojde ke zvýšení tlaku v nádobě, tlak na vstupu PV se zvýší o tu samou hodnotu. Pokud aktuální tlak dosáhne hodnoty otevíracího tlaku PV, dojde k jeho otevření . Jakmile dojde k otevření ventilu, začne uvolňovaná látka protékat potrubím k PV a odpuštěním dojde k vytvoření tlakového rozdílu (tlakové ztrátě) mezi nádobou a PV.Tlaková ztráta roste s kvadrátem rychlosti a proto je největší při plném průtoku jmenovité kapacity.Pokud je tlaková ztráta dostatečně velká, může se tlak na vstupu PV snížit natolik, že účinkem pružiny dojde k jeho uzavření .Průtok ventilem je zastaven, tlak na vstupu do PV se opět zvyšuje na úroveň tlaku v nádobě, až dojde k opětovnému otevření pojistného ventilu Tento průběh se opakuje v pravidelných ,velmi krátkých intervalech. Může to být velmi rychlé, což má za následek vibrace -rázy a poškození pojistného ventilu, potrubí a zařízení.

Obr.č.2

Tlaková ztráta v přívodním potrubí, když PV propouští plnou kapacitu, je větší než tlaková diference při uzavření PV

4.3. Tlaková ztráta ve výstupním potrubí je vyšší než povoluje výrobce dle bodu 3c)+d)

Protitlak ve výstupním potrubí větší než 10% (obvyklý údaj výrobců) a nebyl použit kovový

( nerezový) vlnovec kompenzující protitlak- situaci popisuje obr.č.3. Stav bude podobný pokud vlnovec bude poškozený např. únavou materiálu, korozí apod. Při situaci, kdy poškozený vlnovec nemá vyrovnávací potenciál a nefunguje proti protitlaku, suma tlakových poklesů a efekt nestability proudění a pojistného ventilu mohou být ještě znásobeny. Při použití PV s vlnovcem je možno počítat s kompenzačním účinkem při rozsahu protitlaku od 10 do 45% otevíracího tlaku.

Obr.č 3

Zde je nadměrná ztráta ve

výstupním potrubí, která způsobuje vysoký protitlak>

.

4.4. Všechny PV instalované na tlakovém zařízení v jednom místě nastaveny na stejný otevírací přetlak dle bodu č.3.f). Představme si případ paralelního uspořádání PV stejných dimenzí DN 250/300 , u kterých nastavení otevíracích přetlaků nebylo kaskádovitě provedeno. Skupina 3+1 kusů pojistných ventilů( tři ventily jsou v provozu a čtvrtý v záloze) jsou adjustovány na identické nastavení otevíracího tlaku p. Takovéto jednoduché nastavení způsobí přinejmenším nesprávné fungování pojistných ventilů a bylo zjištěno, že bylo skutečným důvodem havárií v minulosti. Identickému nastavení hodnoty otevíracího tlaku p je třeba se vyvarovat. Je třeba vzít do úvahy obrovské síly tří velkých a těžkých pojistných ventilů vznikající při 100%-ním uvolnění v důsledku současného náhlého nadzvednutí tří kuželek ze sedel pojistných ventilů.

A to bez ohledu na skutečnost že množství průtoku, který má být uvolněn, může být menší než specifikovaná hodnota, pro kterou byl pojistný ventil zvolen.

Takže si lze představit, že po tomto náhlém úplném nadzvednutí se objem vstupního potrubí zcela vyprázdní ve zlomku sekundy.

Vyprázdnění vstupního potrubí po nadzvednutí kuželky je tak rychlé, že se objem potrubí nemůže zpětně naplnit dostatečně rychle, takže dojde k dočasnému poklesu vstupního tlaku, který nemůže udržet kuželku nadále v otevřené pozici, takže se tato vrátí do původní polohy a zvedne se až po dalším cyklu zvýšení tlaku na tlak otevírací. Stejný jev se bude opakovat několikrát během vteřin. Výsledkem budou vibrace a chvění. Na základě dobré inženýrské praxe se doporučuje kaskádovité uspořádání nastavení tlaků u skupiny pojistných ventilů. Avšak žádná technická norma nebo jiný technický předpis nestanoví přesnou hodnotu odstupňování otevíracích tlaků jednotlivých PV.

4.5.Další vlivy působící na pojistné ventily a potrubí.

V každém případě dlouhá vstupní potrubí sebou přinášejí nepředvídatelné významné riziko, že se průtok stane nestabilním nebo dojde k pulzaci. Pulzace způsobí vibraci.

Odlišné komponenty potrubí jako 90°/45° kolena, redukované T-větve a přechody na nižší DN nemusí být významné za podmínky, že veškeré navařené fitinky – jsou-li nějaké, zejména větvení T -nemají ostré okraje a nezasahují do profilu proudu proudící látky.

Pojistný ventil je zařízením, které je velmi citlivé na tlak. Může dojít k tomu, že registruje turbulence jako měnící se tlak a může dle toho působit a stát se případně nestabilním.

Tlakové pulzace mohou způsobit, že pojistný ventil uvolní před nastaveným tlakem. Když se případně stane, že tlakové výkyvy dosáhnou úrovně nastaveného tlaku, tyto výkyvy mohou mít takovou tendenci, že nejsou viditelné na grafech/záznamech nebo nejsou zaznamenány měřidly.

Vznik a účinek vibrací.

Veškerá potrubí, ve kterých dochází k proudění, budou do jisté míry vibrovat.

Pro účely konstrukčního provedení a monitorování potrubí se vibrace v zásadě dělí na dva typy: stálé a přechodné dynamické vibrace.

Na následujícím obrázku č.4 jsou zaznamenány reaktivní síly které vyvolá otevření pojistných ventilů a dále vzájemné působení těchto sil . V prvním případě když PV je bez výfukové trubky( popř. trubka rovná) ve druhém když je koleno 900 za PV a potrubí směřuje svisle nahoru a ve třetí případě je výfukové potrubí má další směrovou změnu.

5.Praktické příklady havárií pojistných ventilů.



 Hodnocení
Zhodnoťte, jak se Vám článek líbil (1 = výborný ... 5 = špatný)
 
průměrné hodnocení: 1 (počet známek: 1) 

Diskuze ke článku
V diskuzi není žádný příspěvek
Přihlášení/odhlášení odběru příspěvků e-mailem:
váš e-mail:

Podmínky užívání portálu TLAKinfo.
Připomínky, náměty a dotazy - redakce portálu.
© Copyright TLAKinfo 2005-2024, všechna práva vyhrazena.