Lunch & Learn 23.08 - w3.siemens.com · u.a. Gasflo, Flowmaster, Aspen Flare System Analyzer(Druckverlust bei 2-ph-Strömung) [ Tool / Programm - “Herkunft“: In-house-Tool bzw

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Lunch & Learn 23.08.2013Vom Auslegungsfall zum passenden Sicherheitsventil Thomas Paesch

Frei verwendbar / © Siemens AG 2013. Alle Rechte vorbehalten.Seite 2 Lunch & Learn 23.08.2013

• Dokumentation 20

• SV-Zubehör 19

• SV-Installation 17

• Berechnungen 12

• Szenarien / Auslegungsfälle 10

• Einsatzbereiche 9

• Grundfunktion 7

• Aussehen und Aufbau 5

• Definition Sicherheitsventil 23


Dokumentation

SV-Zubehör

SV-Installation

Berechnungen

Szenarien / Auslegungsfälle

Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau

Definition Sicherheitsventil

Definition „Sicherheitsventil“ – (1)

Wat is en Sicherheitsventil?(in Anlehnung an „Feuerzangenbowle“: Wat is en Dampfmaschin?)

Sicherheitsventile schützen druckbeaufschlagte Räume oder Druckbehälter (z. B. Dampf-kessel, Druckbehälter, Rohrleitungen, Transportbehälter) vor einem unzulässigen Druck-anstieg, der zu einer Schädigung des angeschlossenen Druckgerätes führen kann. Sicher-heitsventile leiten bei Überschreiten des Ansprechdruckes Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten indie Atmosphäre oder in Sammelrohrleitungen ab.

Quelle: Wikipedia

Sicherheitsventil: Ein Ventil, das automatisch ohne Unterstützung durch eine andere Energieals die des Mediums eine Menge des Mediums ausfließen lässt, so dass die Überschreitungeines vorbestimmten Druckes verhindert wird, und das so ausgelegt ist, dass es schließtund weiteres Ausfließen des Mediums verhindert, wenn wieder normale Arbeitsdruck-bedingungen hergestellt sind.

Quelle: DIN EN ISO 4126-1Sicherheitseinrichtungen gegen unzulässigen Überdruck – Teil 1 Sicherheitsventile


Dokumentation

SV-Zubehör

SV-Installation

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Definition „Sicherheitsventil“ – (2)

Der Hauptzweck eines Sicherheitsventils ist:Der Schutz von Leben, Eigentum und der Umwelt.

Sicherheitsventile sind dazu bestimmt zu öffnen und Überdruck von Behältern oder Ausrüstungabzulassen und dann wieder zu schließen. Nachdem die normalen Betriebsbedingungenwieder hergestellt sind, wird eine weitere Abgabe des Mediums verhindert.

Ein Sicherheitsventil ist eine Schutzvorrichtung und in vielen Fällen die letzte Absicherung. Esmuss sichergestellt sein, dass das Sicherheitsventil jederzeit und unter allen Bedingungenbetriebsfähig ist. Ein Sicherheitsventil ist kein Regelventil oder Druckminderer und darf alssolches nicht falsch angewendet werden. Es sollte nur zu einem Zweck dienen: Schutz vorÜberdruck.

Quelle: Homepage der Firma LESER


Dokumentation

SV-Zubehör

SV-Installation

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Aussehen von verschiedenen Sicherheitsventilen

Ventile mit Flanschanschluss

Vollhub-Ventil

Ventile mit Tri-Clamp- bzw. Gewindeanschluss

PTFE-Auskleidung Clean ServiceBild-Quellen: Leser, Richter, Riegler, Wikipedia


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Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Aufbau eines Sicherheitsventils

Kernelemente eines Sicherheitsventils:

Druckschraube zur Einstellung der Federkraft:Einstellung des Ansprechdrucks

Hub bzw. Hubbegrenzung (optional):Verringerung der Ausflussziffer „ “

Sitz:Engster Querschnitt (Durchmesser „do“)

Eintritt:Verbindung zum abzusichernden Objekt

Austritt:Verbindung zur Abblaseleitung / Umgebung

Bild-Quelle: www.sicherheitsventile.net/aufbau-eines-ventils.html


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Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Grundfunktionen eines federbelasteten Sicherheitsventils

Das Diagramm zeigt eine typische Funktionskurve eines federbelasteten Sicherheitsventils.

Es ist wichtig zu verstehen, dass derBetriebsdruck der zu schützendenAusrüstung unter dem Schließdruckdes Ventils liegen muss. Die meistenHersteller sowie die Regelwerkeempfehlen einen Unterschied von3-5% zwischen Schließ- und Betriebs-druck, um ein sauberes Schließen desVentils zu gewährleisten und wiedereine gute Sitzdichtheit zu erhalten.

Quelle: www.leser.com


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Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Sicherheitsventil-Öffnungscharakteristik

Proportional-VentilNormal-VentilVollhub-Ventil

Diagramm-Quellen: Leser


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Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Einsatzbereich nach Öffnungscharakteristik

Vollhub-Sicherheitsventil Große Mengenströme ( w(D/G) 0,7 - 0,8)Ideal für Dämpfe und GaseVorteil: kleine NennweiteNachteil: tatsächlicher > abzuführender Mengenstrom

Normal-Sicherheitsventil Mittlere Abblaseleistung ( w(D/G) 0,4 - 0,6)Größerer Proportionalbereich als Vollhub-SVNachteil: tatsächlicher > abzuführender Mengenstrom

Proportional-Sicherheitsventil Kleine Mengenströme ( w(D/G) 0,1 - 0,15)Haupteinsatzgebiet: thermische AusdehnungVorteile: stabiles Öffnungsverhalten undtatsächlicher = abzuführender MengenstromNachteil: kleine Ausflussziffer


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Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Ursachen für Überdruck-Szenarien (Auslegungsfälle)

Wichtige Beispiele

• Blockierte bzw. geschlossene Ableitung • Thermische Expansion (Gas / Flüssigkeit)• Chemische Reaktion / Durchgehreaktion• Rohrbruch bei Wärmetauschern• Externes Feuer, auch „Brandfall” genannt • Störung des Kühlungssystems / Kühlungsausfall• Störung der Zudosierung (Regelventilversagen)• Regelungsversagen (zwei Pumpen statt einer)

Identifikation von Überdruck-Szenarien, siehe z.B.:

• ISO 4126-10 - Safety devices forprotection against excessiveoverpressure – Part 10:„Sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow“(Annex A: Identification of sizing scenarios)

• API Standard 521 / ISO 23251(Abschnitt 4 liefert einen detaillierten Leitfaden für Überdruckgründe)

Jedes der Ereignisse kann einzeln und getrennt von den anderen vorkommen. Sie können aber auch gleichzeitig stattfinden.


Dokumentation

SV-Zubehör

SV-Installation

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Spezialauslegungsfall „Durchgehende chemische Reaktion“

Wichtiger Parameter des Reaktionsgemischs: Schaumbildungsneigung

Schäumen und zweiphasige Entlastung führen immer zu größeren notwendigen Entlastungs-durchmessern, weil der Entlastungsdurchmesser durch den Flüssigkeitsanteil versperrt wird. Alternativ kann z.B. eine Füllgradsbegrenzung für den Reaktionsbehälter genutzt werden.


Dokumentation

SV-Zubehör

SV-Installation

Beispiel

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Berechnungen zur Ventilauslegung – (1)

Tools und Programme zur Bestimmung von:

Abzuführender Massenstrom (Was muss abgeführt werden?):u.a. Heizen (z.B. Verdampfungsmenge), Flowmaster (Gas-/Flüssigkeitseintrag)

Abführbarer Massenstrom (Was kann das Sicherheitsventil abführen?):u.a. Valvestar (Leser: Sicherheitsventilleistung), Flowmaster

Druckverlustberechnungen in den Sicherheitsventil-Anschlussleitungen:u.a. Gasflo, Flowmaster, Aspen Flare System Analyzer (Druckverlust bei 2-ph-Strömung)

[ Tool / Programm - “Herkunft“: In-house-Tool bzw. kommerziell erworbenes Programm ]


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SV-Zubehör

SV-Installation

Beispiel

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Berechnungen zur Ventilauslegung – (2)

Wichtigste Auslegungskriterien für die Druckverlustberechnungen:

3%-Kriterium für die Zuleitung zum Sicherheitsventil (aus Normen, z.B. ISO-4126-9 / API-520)

In der Zuleitung vom abzusichernden Behälter bis zum Eintritt ins Sicherheitsventil darf ein maximaler Druckverlust von 3% in Bezug auf den eingestellten Überdruck auftreten.Höhere Druckverluste bewirken Funktionsstörungen des Ventils und mögliche Beschädigungen.

Grenz-Kriterium für die Abblaseleitung vom Sicherheitsventil (Herstellerangabe / 10% API 520)

In der Abblaseleitung vom Sicherheitsventilaustritt bis zur Austrittsstelle (z.B. Umgebung) darf ein Druckverlust von maximal x% in Bezug auf den eingestellten Überdruck auftreten. (z.B. Leser: 15%)Höhere Druckverluste bewirken Funktionsstörungen des Ventils und mögliche Beschädigungen.

Nachfolgendes Beispiel:Prüfung und regelkonforme Auslegung von isometrisch vorhandenen Zu- und Abblaseleitungenbei vorgegebenem Szenario und entsprechend ausreichend dimensioniertem Sicherheitsventil.(Durchführung der Berechnungen mit dem Strömungssimulationsprogramm Flowmaster.)


Dokumentation

SV-Zubehör

SV-Installation

Beispiel

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Auslegung eines Sicherheitsventils - (1)


Dokumentation

SV-Zubehör

SV-Installation

Beispiel

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau



= Stellen mit Machzahl 1

Das Sicherheitsventil gibt den Massenstrom vor. Daraus ergeben sich die Druckverlustwerte..

Berechnungsergebnis mit Flowmaster:Massenstrom: 19.700 kg/hZuleitungsdruckverlust: 7 % > 3 % *)Gegendruckverlust: 35 % > 15 % **)*) Grenzwert gemäß DIN EN ISO 4126-9

**) Grenzwert gemäß Sicherheitsventilhersteller


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Beispiel

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau



0,5 mDN65(DN50)

20 mDN100(DN80)

Berechnungsergebnis mit Flowmaster:Massenstrom: 19.700 kg/hZuleitungsdruckverlust: 2,9 % < 3 % *)Gegendruckverlust: 13 % < 15 % **)*) Grenzwert gemäß DIN EN ISO 4126-9

**) Grenzwert gemäß Sicherheitsventilhersteller


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Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Beachtenswertes zur Sicherheitsventil-Installation – (1)

Zuleitung zum Sicherheitsventil möglichst kurz ausführen

Ableitung vom Sicherheitsventil möglichst kurz ausführen, am besten nach unten(vor allem bei Flüssigkeitsaustrag / 2-ph-Austrag)

Ableitung an einen „sicheren Ort“ führen,vor allem bei Gefährdung durch den Austritt von z.B. heißen oder erstickenden Medien (z.B. N2)(Bei Bedarf z.B. Abscheider und/oder Wäscher zwischen Ventil und Umgebungsaustritt vorsehen. Dies istvor allem bei giftigen bzw. umweltgefährdenden Stoffen wichtig. -> Stichwort: Ausbreitungsrechnung)

Verdampfen bei der Entspannung (Ansprech- auf Umgebungsdruck) von Flüssigkeiten beachten(z.B. bei druckverflüssigten Gasen, unterkühlten Flüssigkeiten und 2-Phasen-Strömungen)

Abkühlung (Joule-Thomson-Effekt) bei der Entspannung berücksichtigenwichtig für u.a.: Materialauswahl, Funktion („Vereisung“ des Ventils)


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SV-Zubehör

SV-Installation

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Beachtenswertes zur Sicherheitsventil-Installation – (2)

Entwässerungsmöglichkeit oder Regenschutz fürzur Umgebung offene Austrittsleitungen vorsehen

Bei Bedarf Schallschutzmaßnahmen an der Austrittsstelle vorsehen(Schallemission durch hohe Austrittsgeschwindigkeiten)

Halterungen für das Sicherheitsventil, aber auch für die Leitungen, speziellbei größeren Ventilen, auf entstehende Reaktionskräfte hin auslegen

Zugänglichkeit für Prüfungen bzw. Austausch bei der Montage berücksichtigen.

Prüfung und Wartung: Geschultes Personal einsetzen bzw. beauftragen

Prüfungsintervall: Medieneinfluss auf die Funktion berücksichtigen(Nach jedem Ansprechen ist das Ventil einer Prüfung zu unterziehen!)

Einflussfaktoren für den maximalen Einsatzdruck eines Ventils:Medientemperatur, Werkstoffauswahl, Flanschdruckstufe (Bei Bedarf mit dem Ventilhersteller klären.)

Bild-Quelle:www.weathercap.com


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SV-Zubehör

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Berechnungen


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Beachtenswertes zum Sicherheitsventil-Zubehör

Zubehör, das den Einsatzbereich eines Sicherheitsventils erweitert:

Edelstahlfaltenbalg: Wirkt gegendruckkompensierend bis 35% (z.B. Leser) statt nur 15%

Hubbegrenzung: Verringerung des Ventilhubs und daraus folgend Reduzierung der Ausflussziffer

Heizmantel: Vorteil bzw. Notwendigkeit bei z.B. viskosen oder zum Verkleben neigenden Medien

Schwingungsdämpfer / O-Ring-Dämpfer:Einsatz bei extrem ungünstigen Systemparametern (z.B. 2-ph-Strömung, SV auf Rohrleitung)

Sicherheitsventil mit vorgeschalteter KUB (Knickstab-Umkehr-Berstscheibe):- bei höchsten Dichtheitsanforderungen- bei umweltschädigenden, giftigen, teuren und zum Verkleben neigenden Medien- zur Kostenreduzierung bei Werkstoffanforderungen an das Sicherheitsventil

Wechselventil („Change-over-Valve“, z.B. Leser):Prüfung auch bei kontinuierlicher Betriebsweise möglich

Bild-Quelle: Leser


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SV-Zubehör

SV-Installation

Berechnungen


Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Dokumentation der Auslegungsergebnisse

Dokumentationsdatenblätter

Inhalt:- Auslegungsgrundlagen -> Deckblatt- Auslegungsergebnisse -> Anlagen

Ziel:- Dokumentationsablage für den Betrieb- Prüfbarkeit durch Sachverständigen / TÜV

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Thomas PaeschI IA AS PA EC PS

Industriepark Höchst65926 Frankfurt am Main

Telefon: +49 (69) 797-84700Fax: +49 (69) 797-84988

E-Mail:[email protected]

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