Reaktionskraft und Abstützung der Auslassleitung am Sicherheitsventil

Was stellt die Reaktionskraft am Austritt eines Sicherheitsventils tatsächlich dar?

Wenn abblasendes Fluid ein Sicherheitsventil oder dessen Abblasesystem verlässt,
können Änderungen des Fluidimpulses und des Drucks an der Abblasegrenze
eine mechanische Reaktion erzeugen. Bei offener kompressibler Abblasung berücksichtigen
üblicherweise verwendete engineeringtechnische Methoden sowohl Impuls- als auch Druckkraft-
Effekte. Diese Behandlung ist dokumentiert in der
Emerson Pressure Relief Valve Engineering Handbook.

Die wichtige Grenze ist das, was diese Berechnung aussagt. Eine
Rückstoßkraft ist eine Lastangabe im Zusammenhang
mit dem Abblasestrom. Sie allein legt nicht fest:

• die Reaktion an einer bestimmten Rohrhalterung;
• die auf den Ventilanschluss übertragene Kraft oder das Moment;
• die zulässige Belastung dieses Ventilanschlusses;
• die Last auf einen Behälter, Sammler oder Stutzen; oder
• den kombinierten Spannungszustand der Abblaseleitung.

Diese Größen hängen von der installierten Rohrleitungsgeometrie und ihren
Festhaltungen ab. Eine Aussage wie “das Ventil erzeugt eine Kraft X, also
muss die nächste Halterung X aufnehmen” ist daher unvollständig. Die berechnete
Reaktion muss in das mechanische Modell der tatsächlichen
Abblaseleitung eingesetzt werden, bevor Halterungs- und Stutzenlasten beurteilt werden können.

Für größere Eintrittsquerschnitte, Entwässerung, Einbaulage und Abblaseleitung
siehe

Installationsanleitung für Sicherheitsventile
.
Diese Seite konzentriert sich auf die Reaktionskraft und ihre mechanische
Interpretation.

Welche Eingangsgrößen bestimmen die Reaktionskraft am Austritt?

Beginnen Sie nicht mit der Nennweite des Ventilaustritts. Beginnen Sie mit der
Entlastungsaufgabe und dem tatsächlichen Abblasezustand.

Unterschiedliche Fluidzustände erfordern unterschiedliche technische Behandlung.
Das Emerson Pressure Relief Valve Engineering Handbook führt getrennte
Ansätze für Gas oder Dampf, Dampf, nicht verdampfende Flüssigkeit und Zweiphasen
strömung auf, statt einer universellen Reaktionskraftgleichung.

Die praktische Konsequenz ist einfach: Zwei Ventile mit demselben Austritts
anschluss können unterschiedliche Reaktionskräfte aufweisen, wenn ihr Abblasevolumenstrom,
Fluidzustand, Druckgrenze oder ihre Abblaseanordnung voneinander abweichen.

Phasenannahmen erfordern besondere Sorgfalt. Ein Verfahren, das für Gas oder
Dampf entwickelt wurde, darf nicht auf eine Flüssigkeitsabblasung angewendet werden, nur weil die
Anschlussgröße ist gleich. Ebenso ist eine Flüssigkeitsmethode, die von
nicht verdampfendem Betrieb ausgeht, nicht automatisch gültig für verdampfende Flüssigkeit,
und ein homogenes Zweiphasenmodell bleibt an seine angegebenen
Annahmen gebunden.

Wenn die erforderliche Abblasemenge selbst noch nicht ermittelt wurde,
schließen Sie diese Arbeit zuerst ab. Der

Leitfaden zur Auslegung von Sicherheitsventilen und zur zertifizierten Abblasekapazität

ist für diese Aufgabe zuständig; dieser Artikel behandelt den Abblasevolumenstrom als Eingangsgröße für die
mechanische Überprüfung.

Warum offene und geschlossene Abblasesysteme unterschiedlich behandelt werden müssen

Bevor Sie eine Berechnung der Reaktionskraft wählen, bestimmen Sie,
wo das Sicherheitsventil abbläst.

Eine offene Abblasung gibt Fluid über einen definierten Austritt an
Atmosphäre. Ein geschlossener Austritt bleibt mit der nachgeschalteten Rohrleitung,
einem Sammelrohr oder einem anderen Ableitungssystem verbunden. Dieser Unterschied verändert die
Berechnungsgrenze.
API 520 Teil II
ist die relevante API-Installationsnormenfamilie, während herstellerseitige
Engineering-Leitfäden wie das
LESER Engineering Handbook, Kapitel Installation
den Unterschied zwischen offenem und geschlossenem System und dessen Grenzen erläutert.

Unter einer etablierten stationären Strömungsbedingung können sich Kräfte in manchen geschlossenen
Systemen teilweise ausgleichen. Das sollte nicht begründen
die pauschale Schlussfolgerung, dass ein geschlossenes Entlastungssystem keine mechanisch
erhebliche Reaktionskraft.

Änderungen des Querschnitts, der Strömungsrichtung, des stromabwärtigen Drucks und instationäre Strömung
können dennoch von Bedeutung sein. Die belastbare Regel lautet:

Legen Sie die Abblasegrenze fest, bevor Sie die Berechnungsmethode auswählen.

Der Gegendruck gehört in der engineeringlogischen Betrachtung in die Nähe, ist aber nicht
gleichbedeutend mit der Reaktionskraft. Der Gegendruck beschreibt die
Druckbedingung am Austritt, die das Entlastungssystem beeinflusst; die Reaktions- und
Stützanalyse untersucht, wie das resultierende Fluid- und Druckverhalten das
mechanische System belastet.

Für eine detaillierte Betrachtung von überlagertem und aufgebautem Gegendruck nutzen Sie
den speziellen

Gegendruck und Faltenbalg

Leitfaden.

Wann ist eine stationäre Reaktionskraft nicht ausreichend?

Eine stationäre Reaktionskraftberechnung beantwortet eine konkrete Frage:

Welche Reaktionskraft ist mit dem festgelegten Abblasevolumenstrom verbunden?

Sie beantwortet nicht zwangsläufig:

Wie verläuft der vollständige mechanische Belastungsverlauf während des Öffnens des Ventils
und wie reagiert das Abblasesystem?

Während des Öffnens ändern sich Druck und Durchfluss mit der Zeit. Eine veröffentlichte Studie
über den Blowdown von Sicherheitsventilen von Muschelknautz und Wellenhofer berichtete
über kurzzeitige Spitzen der Reaktionskraft während des Öffnungsvorgangs in den
von ihnen untersuchten Konfigurationen. Das spricht dafür, stationäre und instationäre
Belastung als verwandte, aber unterschiedliche ingenieurtechnische Fragestellungen zu behandeln, statt
anzunehmen, dass ein stationärer Wert das gesamte Ereignis beschreibt.
Siehe die
Wiley-Studie über Strömungsreaktionskräfte während des Blowdowns von Sicherheitsventilen.

Eine instationäre oder dynamische Betrachtung wird relevanter, wenn beispielsweise:

• der Öffnungsvorgang des Ventils im Vergleich zur Reaktion des
  Rohrleitungssystems schnell abläuft;
• Druckwellen oder instationäre Strömung in der angeschlossenen Abblaseleitung
  die mechanische Reaktion beeinflussen können;
• das System empfindlich auf kurzzeitige Lasten reagiert; oder
• die maßgebliche Projekt-/Regelwerksgrundlage eine dynamische Behandlung erfordert.

Dies ist eine Abgrenzung für die Vorprüfung, nicht die Aussage, dass jedes Sicherheitsventil
eine Zeitverlaufsanalyse benötigt. Die entgegengesetzte Vereinfachung ist ebenfalls unsicher: eine einzelne
stationäre Kraft sollte nicht automatisch als vollständige
Ereignislast behandelt werden.

Die Methode muss dem Rohrleitungscode, der Ausgabe und der Projektgrundlage folgen, die
tatsächlich die Installation bestimmen.
ASME B31.1,
ist beispielsweise ein Power Piping Code und sollte nicht als
universeller Ersatz für einen anderen maßgeblichen Rohrleitungs-Code behandelt werden. Dieser
Artikel veröffentlicht daher keinen universellen dynamischen Lastfaktor.

Wie verändert die Geometrie der Auslassleitung den Lastpfad?

Nachdem die Reaktionskraft berechnet wurde, lautet die nächste technische
Frage:
wohin geht diese Last in der installierten Rohrleitung?

Die Geometrie bestimmt einen Großteil dieser Antwort. Die technische
Richtlinie von Emerson Birkett weist darauf hin, dass eine nicht abgestützte Ausblaseleitung als Hebel wirken kann,
Die auf das Ventil wirkende mechanische Belastung hängt daher sowohl von der
Abblasreaktionskraft als auch von der Rohrleitungsgeometrie ab. Deshalb sind Rohrleitungslänge,
Richtungsänderungen und Positionen der Festhalterungen von Bedeutung, nachdem die örtliche
Reaktionskraft ermittelt wurde.
Siehe die
Technische Daten zu Emerson Birkett Sicherheitsventilen.

Richtungsänderungen fügen eine weitere Ebene hinzu. An einem Rohrbogen ändert der Fluidimpuls
seine Richtung, sodass das Abblasesystem als eine Menge
von Kraftvektoren, Hebelarmen, Abstützungen und Randbedingungen betrachtet werden muss
und nicht als eine skalare Kraft, die unverändert durch die Rohrleitung verläuft.

Abblasströmung → Reaktionsvektor → Rohrleitungsgeometrie → Richtungs-
änderungen und Hebelarme → Festhalterungen → Belastungen auf Ventil/Abstützung/Ausrüstung.

Ein Versatz, Bogen, Ausblaserohr, Schalldämpfer, Reduzierstück oder Anschluss in
die nachgeschaltete Rohrleitung kann den Lastpfad verändern. Die genaue Auswirkung hängt
von der tatsächlichen Geometrie und den Halterungen ab.

Halterungen tragen nicht nur Gewicht. Eine Führung, ein Festpunkt, ein Längsanschlag oder
eine andere Halterung verändert die mechanische Randbedingung des Rohrleitungssystems.
Daraus darf keine feste Regel für den Halterungsabstand abgeleitet werden: Die geeignete
Anordnung hängt von der tatsächlichen Rohrleitungsgeometrie, dem Halterungsmodell und
den zulässigen Lasten ab.

Die Abblasereaktion ist ebenfalls nur ein Lastfall. Je nach
Projekt muss das installierte System möglicherweise Eigengewicht,
Wärmebewegung, druckbedingte Belastung, Abblasereaktion sowie
anwendbare transiente oder gelegentliche Lasten aufnehmen.

Ein Layout, das für das Gewicht funktioniert, funktioniert nicht automatisch für die Entlastung
Belastung. Umgekehrt kann das Hinzufügen übermäßiger Halterungen allein zur Aufnahme der Reaktionskraft
andere mechanische Folgen haben, wenn sich die Rohrleitung
thermisch ausdehnt.

Warum die Reaktionskraft nicht mit der endgültigen Stutzen- oder Halterungslast gleichzusetzen ist

Die Berechnung der Reaktionskraft und die abschließende mechanische Abnahme
sind getrennte Engineering-Meilensteine.

Der Unterschied wird anhand eines einfachen Gedankenexperiments deutlicher.
Angenommen, zwei Systeme haben die gleiche berechnete Abblasereaktion. Eines hat
einen kurzen, klar definierten Auslassweg mit einer nahen technischen Abstützung.
Das andere hat einen längeren Versatz, bevor die Rohrleitung abgestützt wird.

Die Strömungsreaktion kann gleich sein, während das Biegemoment und die Lasten,
die in das Ventil oder die Abstützungen eingeleitet werden, unterschiedlich sind.

Deshalb ist

zulässige Lasten lassen sich nicht aus der Reaktionskraftgleichung ableiten
.
Ein zulässiger Wert für den Ventilstutzen, den Behälterstutzen, die Tragfähigkeit der Abstützung oder
Der zulässige Wert für die Ausrüstung muss aus der Dokumentation stammen, die für das
tatsächliche Ventil, die Ausrüstung, die Struktur oder das Projekt gilt.

Werte von einem Ventil eines anderen Herstellers oder einer anderen Installation sind
kein Ersatz. In diesem Artikel wird kein modellspezifischer zulässiger ZOBAI-Auslass- bzw. Stutzenlastwert
festgelegt, daher sollte keiner aus der
allgemeinen technischen Erläuterung abgeleitet werden.

Was sollte überprüft werden, bevor die Abstützung der Auslassleitung akzeptiert wird?

Die zehn folgenden Prüfungen sind ein praktisches technisches Prüfraster
für diesen Artikel. Sie werden nicht als
allgemein verbindliche, von API oder ASME vorgeschriebene Reihenfolge dargestellt. Die maßgebliche Projektvorschrift,
Anlagenauslegung und Rohrleitungs-/Spannungsberechnungsgrundlage bleiben maßgeblich
für eine tatsächliche Installation.

1. Entlastungsaufgabe festlegen.
   Den maßgeblichen Entlastungsfall und die erforderliche Abblaseleistung bestätigen.
   Ist der erforderliche Durchfluss noch unbekannt, ist die Berechnung der
   mechanischen Reaktionskräfte verfrüht.
2. Fluid und Phasenzustand festlegen.
   Ermitteln, ob der abblasende Strom Gas/Dampf, Dampf,
   nicht verdampfende Flüssigkeit oder ein Fall mit Zweiphasenbehandlung ist.
3. Abblasegrenze festlegen.
   Bestätigen, ob das Ventil frei an die Atmosphäre oder in
   angeschlossene nachgeschaltete Rohrleitungen abbläst. Bei einem angeschlossenen System ist außerdem festzulegen
   die relevanten Informationen zum nachgeschalteten Druck und zur Rohrleitungsführung.
4. 
   Verwenden Sie eine Reaktionskraftmethode, die zu dieser Randbedingung passt.
   
   Beziehen Sie das Ergebnis auf seine Berechnungsgrenze, anstatt
   es sofort als Last an einer Abstützung zu behandeln.
5. Erfassen Sie die tatsächliche Geometrie des Auslasses.
   Dokumentieren Sie die Auslassorientierung des Ventils, Längen gerader Rohrabschnitte, Bögen,
   Versätze, Reduzierungen oder Erweiterungen, sofern relevant, Schalldämpfer oder andere
   Inline-Bauteile, sofern vorhanden, sowie den Anschluss an eine Entlüftung, ein Sammelrohr oder
   ein Entsorgungssystem.
6. Definieren Sie die Halterungen.
   Identifizieren Sie die tatsächlichen Abstützungen, Führungen, Anker, Leitungsstopps, strukturellen
   Anbindungen und sonstigen Randbedingungen, die für die Rohrleitung relevant sind
   Analyse.
7. Die weiteren anwendbaren Lastfälle einbeziehen.
   Ermitteln, welche zusätzlichen Lasten gemäß der
   Auslegungsgrundlage des Projekts zu berücksichtigen sind, einschließlich Gewicht, Wärmebewegung, Druck
   wirkungen sowie aller anwendbaren gelegentlichen oder dynamischen Lastfälle.
8. Die tatsächlichen zulässigen Lasten einholen.
   Ventil-, Anlagen-, Stütz- und projektspezifische Dokumentation verwenden.
   Fehlt ein entscheidungskritischer zulässiger Wert für den Stutzen oder die Struktur, ist der
   mechanische Nachweis nicht vollständig.
9. Entscheiden, ob die stationäre Berechnung ausreichend ist.
   Bestätigen, ob die installierte Konfiguration und die maßgebliche Auslegungs
   grundlage eine zusätzliche instationäre oder dynamische Bewertung erfordern.
10. Die Rohrleitungs-/Spannungsprüfung abschließen.
    Für ein konkretes Projekt müssen die Entlastungsaufgabe, die Berechnungsgrenze, die Rohrleitung
    das Layout, die Halterungen, die anwendbaren Lastfälle und die relevanten zulässigen
    Lasten geklärt werden, bevor die mechanische Abnahme abgeschlossen
    werden kann.

Die sinnvolle Projektübergabe ist daher nicht einfach
“Reaktionskraft = ___”. Sondern:

Entlastungsaufgabe + Fluidzustand + Auslassgrenze + Reaktionskraft-Basis
+ tatsächliche Geometrie + Halterungsmodell + anwendbare zulässige Lasten +
Status der dynamischen Überprüfung.

Dieses Paket ermöglicht es den Fachbereichen Prozess/Entlastung und Rohrleitung/Spannung, zusammenzuarbeiten
aus derselben Auslegungsgrundlage.