Comprendere la forza di reazione allo scarico della valvola di sicurezza, lo scarico libero e convogliato, i percorsi di carico sulle tubazioni, i carichi su supporti e bocchelli e i dati necessari per la verifica delle sollecitazioni.
La forza di reazione allo scarico di una valvola di sicurezza è il carico meccanico indotto dal flusso durante un evento di sfioro. È un dato importante per la progettazione della tubazione di scarico, ma non è automaticamente il carico su un supporto di tubazione, sulla connessione della valvola o sul bocchello di un'apparecchiatura collegata.
La sequenza ingegneristica è più ampia:
Definire la condizione di sfioro → identificare il confine di scarico → calcolare la forza di reazione applicabile → tracciare il percorso effettivo del carico sulla tubazione → verificare i supporti, i carichi sui bocchelli e le eventuali verifiche di sollecitazione o dinamiche richieste.
Un punto di criticità comune non è il calcolo della forza di reazione in sé, ma ciò che avviene dopo: la forza viene calcolata per un confine e poi applicata alla tubazione installata come se fosse già il carico finale sui supporti o sui bocchelli.
Che cosa rappresenta realmente la forza di reazione allo scarico di una valvola di sicurezza?
Quando il fluido in scarico esce da una valvola di sicurezza o dal suo sistema di scarico,
le variazioni di quantità di moto del fluido e di pressione al confine di scarico possono
generare una reazione meccanica. Nello scarico libero di fluidi comprimibili, i metodi
ingegneristici comunemente utilizzati tengono conto sia degli effetti della quantità di moto sia della spinta di pressione.
effetti. Il limite di scarico libero e le limitazioni di una formula in regime stazionario
sono descritti nella
LESER Engineering Handbook,.
Il confine importante è ciò che quel calcolo indica. Un
forza di reazione allo scarico è un carico di ingresso associato
al flusso di scarico. Di per sé, non stabilisce:
- la reazione su un particolare supporto della tubazione;
- la forza o il momento trasmesso al collegamento della valvola;
- il carico ammissibile di quel collegamento della valvola;
- il carico su un recipiente, un collettore o un bocchello di apparecchiatura; oppure
- lo stato tensionale combinato della tubazione di scarico.
Tali grandezze dipendono dalla geometria della tubazione installata e dai suoi
vincoli. Un'affermazione del tipo “la valvola produce una forza X, quindi il
supporto più vicino deve resistere a X” è pertanto incompleta. La reazione
calcolata deve essere inserita nel modello meccanico della tubazione di
scarico reale prima che i carichi su supporti e bocchelli possano essere valutati.
Per requisiti più ampi su ingresso, drenaggio, orientamento e instradamento dello scarico
consultare la
Guida all'installazione delle valvole di sicurezza
.
Questa pagina resta incentrata sulla forza di reazione e sulla sua interpretazione
meccanica.
Quali dati di ingresso determinano la forza di reazione allo scarico?
Non partire dalla dimensione nominale dell'uscita della valvola. Parti dalla
condizione di sfioro e dalle condizioni effettive di scarico.
Stati fluidi diversi richiedono trattamenti ingegneristici diversi. La
trattazione LESER citata per lo scarico libero, ad esempio, indica il limite di flusso comprimibile della sua formula secondo API 520
Parte II. Essa non deve essere estrapolata
da tale limite e utilizzata come equazione universale per casi di liquido,
flashing o collettore collegato.
| Ingresso | Perché è importante |
|---|---|
| Portata massica di scarico | Determina la quantità di moto associata allo scarico. |
| Stato del fluido e della fase |
Determina quale metodo di calcolo e quali ipotesi sono applicabili. |
| Temperatura di scarico o di sfioro | Interviene nel trattamento termodinamico applicabile. |
| Proprietà rilevanti del fluido |
I metodi per gas/vapore, liquidi e bifase richiedono proprietà diverse. |
| Area di uscita o di scarico |
Definisce parte del contorno di scarico utilizzato nel calcolo della forza calcolo. |
| Pressione di uscita | La spinta di pressione può contribuire alla reazione. |
| Pressione ambiente o a valle | Definisce il confine di pressione rispetto al quale avviene lo scarico. |
| Scarico aperto o collegato |
Determina se un approccio a scarico in atmosfera è applicabili. |
| Geometria effettiva a valle |
Diventa necessario quando si converte la forza locale in un problema di carico sulle tubazioni. |
L'implicazione pratica è semplice: due valvole con lo stesso
attacco di uscita possono avere carichi di reazione diversi se la portata di scarico,
lo stato del fluido, il confine di pressione o la configurazione di scarico differiscono.
Le ipotesi di fase richiedono particolare attenzione. Un metodo sviluppato per gas o
vapore non deve essere applicato allo scarico di liquido solo perché le
la dimensione della connessione è la stessa. Analogamente, un metodo per liquidi che presuppone
un servizio non flashing non è automaticamente valido per un liquido flashing,
e un modello omogeneo bifase rimane subordinato alle sue assunzioni
dichiarate.
Se la portata di scarico richiesta non è ancora stata determinata,
completare prima tale attività. Il
Guida al dimensionamento delle valvole di sicurezza e alla capacità di scarico certificata
è responsabile di tale compito; questo articolo considera la portata di scarico come un dato di input per la
verifica meccanica.
Perché i sistemi di scarico aperti e chiusi richiedono un trattamento diverso
Prima di scegliere un calcolo della forza di reazione, determinare
dove la valvola di sicurezza scarica.
Uno scarico aperto rilascia il fluido attraverso una terminazione definita verso
atmosfera. Uno scarico chiuso rimane collegato a tubazioni a valle,
a un collettore o a un altro sistema di smaltimento. Questa differenza modifica il
confine di calcolo.
API 520 Parte II
è la famiglia di riferimento API pertinente per l'installazione, mentre le linee guida
di progettazione del produttore, come il capitolo sull'installazione del
LESER Engineering Handbook,
illustrano la distinzione tra sistema aperto e chiuso e i relativi limiti.
| Scarico aperto / in atmosfera | Scarico chiuso / collegato |
|---|---|
| Di norma è possibile identificare un confine di scarico terminale. | Le tubazioni a valle rimangono parte del sistema pressione/portata. |
| I metodi di reazione per scarico aperto possono essere applicabili. |
Una formula di scarico in atmosfera non dovrebbe essere trasferita automaticamente. |
|
Gli effetti di quantità di moto e pressione possono essere valutati alla terminazione. |
Pressione, velocità, geometria e comportamento transitorio possono interagire attraverso il sistema collegato. |
| Spesso è possibile definire un vettore di reazione locale. |
Le forze a livello di sistema possono dipendere da dilatazioni, curve, vincoli, e condizioni a valle. |
In condizioni di flusso stazionario consolidato, le forze all'interno di alcuni sistemi
chiusi possono bilanciarsi parzialmente. Ciò non prescrive giustificano
la conclusione generalizzata che un sistema di sfioro chiuso non abbia carichi di reazione meccanicamente
significativi.
Variazioni di sezione, direzione, pressione a valle e flusso transitorio
possono comunque essere rilevanti. La regola difendibile è:
Definire il confine di scarico prima di selezionare il metodo di calcolo.
La contropressione rientra nella stessa logica ingegneristica, ma non è
sinonimo di forza di reazione. La contropressione descrive la condizione di
pressione allo scarico che influisce sul sistema di sfioro; l'analisi della
reazione e del supporto valuta come il comportamento risultante del fluido e
della pressione sollecita il sistema meccanico.
Per una trattazione dettagliata della contropressione sovrapposta e
accumulata, consultare la sezione dedicata
Contropressione e soffietto
guida.
Scenario ingegneristico illustrativo: sfogo aperto rispetto a collettore collegato
Considerare la stessa valvola di sicurezza su due configurazioni. In una, un gomito e uno sfogo verticale terminano
all'aperto; nell'altra, lo scarico si collega a un collettore chiuso in pressione. La reazione calcolata con
terminazione aperta non è automaticamente il caso di carico per il collettore collegato.
Il secondo layout richiede i propri valori di pressione, quantità di moto, geometria e condizioni al contorno transitorie
di verifica. Si tratta di un confronto illustrativo, non di un calcolo per nessuno dei due impianti.
Quando una forza di reazione a regime non è sufficiente?
Un calcolo della forza di reazione a regime risponde a una domanda specifica:
quale forza di reazione è associata alla portata di scarico stabilita?
Non risponde necessariamente a:
qual è la storia completa dei carichi meccanici durante l'apertura della valvola
e la risposta del sistema di scarico?
Durante l'apertura, pressione e portata variano nel tempo. Uno studio pubblicato
sul blowdown delle valvole di sicurezza di Muschelknautz e Wellenhofer ha riportato
picchi di forza di reazione di breve durata durante il processo di apertura nelle
configurazioni da loro studiate. Ciò supporta la necessità di trattare separatamente il regime stazionario e il transitorio
considerare domande ingegneristiche correlate ma distinte, anziché
presumere che un unico valore stazionario descriva l'intero evento.
Vedi la
Studio Wiley sulle forze di reazione del flusso durante lo sfioro della valvola di sicurezza.
Una verifica transitoria o dinamica diventa più rilevante quando, ad esempio:
-
l'evento di apertura della valvola è rapido rispetto alla risposta del
sistema di tubazioni; -
le onde di pressione o il flusso instazionario nelle tubazioni di scarico collegate possono
influenzare la risposta meccanica; - il sistema è sensibile a carichi di breve durata; oppure
- la base di progetto/normativa applicabile richiede una trattazione dinamica.
Questo è un criterio di selezione preliminare, non un'affermazione che ogni valvola di sicurezza richieda
un'analisi time-history. Anche la scorciatoia opposta è insicura: un singolo
la forza in condizioni stazionarie non deve essere automaticamente considerata come il carico
completo dell'evento.
Il metodo deve seguire il codice delle tubazioni, l'edizione e la base di progetto che
governano effettivamente l'installazione.
ASME B31.1,
ad esempio, è un codice per tubazioni di potenza e non deve essere considerato un
sostituto universale di un diverso codice di tubazioni applicabile. Questo
articolo pertanto non pubblica un moltiplicatore universale del carico dinamico.
In che modo la geometria delle tubazioni di uscita modifica il percorso del carico?
Una volta calcolata la forza di reazione, la successiva domanda
ingegneristica è:
dove va a finire quel carico nelle tubazioni installate?
La geometria determina gran parte di questa risposta. Emerson Birkett technical
note guida che un tubo di scarico non supportato può agire come una leva,
pertanto il carico meccanico applicato alla valvola dipende sia dalla
reazione di scarico sia dalla geometria delle tubazioni. Ecco perché la lunghezza del tubo,
i cambi di direzione e le posizioni dei vincoli sono importanti dopo che la forza di
reazione locale è stata determinata.
Vedi la
Dati tecnici della valvola di sicurezza e sfioro Emerson Birkett.
I cambi di direzione aggiungono un ulteriore livello. In corrispondenza di un gomito, la quantità di moto del fluido
cambia direzione, quindi il sistema di scarico deve essere considerato come un insieme
di vettori di forza, bracci di momento, supporti e condizioni al contorno
piuttosto che come un'unica forza scalare che viaggia invariata lungo il tubo.
Flusso di sfioro → vettore di reazione → geometria delle tubazioni → cambi di
direzione e bracci di momento → vincoli → carichi su valvola/supporti/apparecchiature.
Un offset, un gomito, una colonna di sfiato, un silenziatore, un riduttore o un collegamento verso
la tubazione a valle possono modificare il percorso di carico. La conseguenza esatta dipende
dalla geometria e dai vincoli effettivi.
Anche i supporti non servono solo a sostenere il peso. Una guida, un ancoraggio, un fermo di linea o
un altro vincolo modifica la condizione al contorno meccanica del sistema
di tubazioni. Non trasformarlo in una regola fissa di spaziatura dei supporti: la disposizione
adeguata dipende dalla geometria effettiva della tubazione, dal modello dei vincoli e dai
carichi ammissibili.
Anche la reazione di scarico è solo un caso di carico. A seconda del
progetto, il sistema installato può dover sopportare peso proprio,
movimento termico, carichi legati alla pressione, reazione di scarico e
carichi transitori o occasionali applicabili.
Una disposizione che funziona per il peso non funziona automaticamente per lo sfioro
e il carico. Al contrario, aggiungere un vincolo eccessivo solo per resistere alla spinta
può creare altre conseguenze meccaniche quando la tubazione si dilata
termicamente.
Scenario ingegneristico illustrativo: la stessa forza, un braccio di leva diverso
Immagina due sfiati aperti con la stessa reazione di flusso definita alle loro terminazioni. Uno ha
un vincolo progettato nelle vicinanze; l'altro presenta un tratto non supportato più lungo prima del suo
primo supporto. La reazione locale può essere la stessa, ma il momento e il carico trasmessi al
collegamento della valvola non necessariamente lo sono. La verifica di accettazione richiede ogni disposizione effettiva,
la rigidezza dei vincoli e i limiti ammissibili applicabili della valvola e dell'apparecchiatura. Da questo esempio non deriva alcuna
spaziatura generica dei supporti o limite ammissibile per il bocchello.
Perché la forza di reazione non è la stessa del carico finale sul supporto o sul bocchello
Il calcolo della forza di reazione e la verifica finale di accettazione meccanica
sono due fasi di progettazione distinte.
| Quantità | Cosa rappresenta | Cosa la determina |
|---|---|---|
| Forza di reazione allo scarico | Carico indotto dal flusso associato all'evento di sfioro. |
Portata di sfioro, fase/stato, confine di pressione, condizioni allo scarico, e metodo di calcolo applicabile. |
| Carico sul collegamento della valvola | Forza e momento trasmessi tra la valvola e la tubazione collegata. |
Forza di reazione, geometria, bracci di momento, vincoli e altri carichi sulla tubazione. |
| Reazione del supporto | Carico trasmesso da un supporto o vincolo specifico. |
Geometria completa del piping, rigidezza, vincoli e casi di carico applicabili. |
| Carico su apparecchiatura/bocchello |
Carico trasferito a un recipiente, a un collettore o a un'altra connessione di apparecchiatura. |
Risposta meccanica del sistema collegato. |
| Risultato dell'analisi delle sollecitazioni del piping | Risposta combinata del piping. |
Casi di carico definiti dal progetto: pressione, peso, termico, evento di sfioro e altri. |
La differenza diventa più chiara con un semplice esperimento mentale.
Si supponga che due sistemi abbiano la stessa reazione di scarico calcolata. Uno presenta
un percorso di uscita breve e ben definito con un vincolo ingegnerizzato nelle vicinanze.
L'altro presenta uno spostamento più lungo prima che la tubazione sia supportata.
La reazione di flusso può essere la stessa mentre il momento flettente e i carichi
trasmessi alla valvola o ai supporti sono diversi.
Ecco perché
i carichi ammissibili non possono essere dedotti dall'equazione della forza di reazione
.
Un valore ammissibile per la bocca della valvola, per la bocca del recipiente, la capacità di un supporto o
un valore ammissibile per l'apparecchiatura devono provenire dalla documentazione applicabile alla
valvola, apparecchiatura, struttura o progetto effettivi.
I valori provenienti dalla valvola di un altro produttore o da un'altra installazione non sono
sostitutivi. Nessun carico ammissibile sull'uscita/bocca specifico del modello ZOBAI
è stabilito da questo articolo, pertanto nessuno deve essere dedotto dalla
discussione ingegneristica generica.
Cosa deve essere verificato prima di accettare la disposizione dei supporti della tubazione di scarico?
Le dieci verifiche riportate di seguito costituiscono un quadro di revisione ingegneristica pratica
per questo articolo. Non sono presentate come una
sequenza universale prescritta da API o ASME. Il codice di progetto applicabile,
la documentazione dell'apparecchiatura e la base di progetto delle tubazioni e delle sollecitazioni restano
l'autorità per un'installazione reale.
-
Stabilire il compito di sfioro.
Confermare il caso di sfioro determinante e la base della portata di scarico richiesta.
Se la portata richiesta è ancora sconosciuta, il calcolo della reazione meccanica
è prematuro. -
Definire il fluido e lo stato di fase.
Stabilire se il flusso di scarico è gas/vapore, vapore acqueo,
liquido non flashante o un caso che richiede un trattamento bifase. -
Definire il confine di scarico.
Verificare se la valvola scarica liberamente in atmosfera o in
una tubazione di scarico collegata a valle. Per un sistema collegato, stabilire inoltre
la contropressione a valle e le informazioni sul percorso. -
Utilizzare un metodo per la forza di reazione coerente con tale confine.
Mantenere il risultato legato al suo confine di calcolo invece di
trattarlo immediatamente come carico su un supporto. -
Mappare la geometria reale della tubazione di uscita.
Registrare l'orientamento dell'uscita della valvola, le lunghezze dei tratti rettilinei, le curve,
gli scostamenti, le riduzioni o gli ampliamenti ove pertinenti, i silenziatori o altri
componenti in linea ove presenti, e il collegamento a eventuali sfiati, collettori o
sistemi di smaltimento. -
Definire i vincoli.
Identificare i supporti effettivi, le guide, gli ancoraggi, gli arresti di linea, i collegamenti
strutturali e le altre condizioni al contorno pertinenti all'analisi
della tubazione. -
Includere gli altri casi di carico applicabili.
Determinare quali carichi aggiuntivi devono essere considerati in base alla
base di progetto, inclusi peso, dilatazione termica, pressione
effetti e qualsiasi caso occasionale o dinamico applicabile. -
Ottenere i carichi ammissibili reali.
Utilizzare la documentazione specifica della valvola, dell'apparecchiatura, del supporto e del progetto.
Se manca un carico ammissibile critico per la decisione relativo a un bocchello o a una struttura,
l'accettazione meccanica non è completa. -
Decidere se il calcolo stazionario è sufficiente.
Confermare se la configurazione installata e la base di progetto determinante
richiedono una valutazione transitoria o dinamica aggiuntiva. -
Chiudere la verifica delle tubazioni e delle sollecitazioni.
Per un progetto reale, la funzione di sfioro, il confine di calcolo, la disposizione
delle tubazioni, i vincoli, i casi di carico applicabili e i carichi ammissibili
pertinenti devono essere definiti prima che l'accettazione meccanica possa essere
chiuso.
Il passaggio di consegne utile al progetto non è quindi semplicemente
“forza di reazione = ___.” È:
condizione di sfioro + stato del fluido + confine di scarico + base della forza di reazione
+ geometria effettiva + modello dei vincoli + carichi ammissibili applicabili +
stato della verifica dinamica.
Questo pacchetto consente alle discipline processo/sfioro e tubazioni/sollecitazioni di lavorare
sulla stessa base di progetto.
Scenario ingegneristico illustrativo: un carico ammissibile mancante
Un team di processo fornisce una base di portata di sfioro e una reazione di scarico locale, mentre il
team delle tubazioni dispone di un isometrico ma non di un carico ammissibile confermato per il bocchello collegato.
Questo pacchetto può avviare il modello meccanico; non può chiudere l'accettazione. Il progetto deve
ottenere il valore ammissibile applicabile dell'apparecchiatura o del produttore e verificare le forze
e i momenti modellati, incluse le combinazioni di carico richieste. Questo è illustrativo e non
afferma che una particolare valvola o bocchello sia accettabile.
Stai preparando una richiesta di offerta per valvole di sicurezza o una revisione del sistema di scarico?
Invia il caso di sfioro noto, il fluido e la fase, la portata di scarico richiesta,
le condizioni di pressione e temperatura, la contropressione o il percorso di scarico,
e i requisiti di progetto applicabili tramite
Chiedi a un ingegnere di valvole di sicurezza
.
ZOBAI può utilizzare gli input confermati di valvola/applicazione per la revisione della valvola;
l'accettazione finale del supporto e dello stress del piping resta dipendente dal
sistema di progetto installato.
Domande Frequenti
La forza di reazione allo scarico è uguale al carico del supporto più vicino?
No. La reazione di flusso locale è un dato di ingresso per il modello della tubazione installata. I carichi sugli supporti
dipendono dalla geometria, dalla rigidezza, dai vincoli, dagli altri casi di carico e dal confine di scarico.
È possibile utilizzare una formula per scarico a cielo aperto per un collettore di sfioro chiuso?
Non automaticamente. Un collettore collegato modifica i confini di pressione e quantità di moto,
e può essere necessario un trattamento a livello di sistema o transitorio. Scegliere il metodo per l'effettiva
configurazione di scarico e la base di progetto.
Una forza in regime stazionario copre l'apertura della valvola?
Descrive una condizione di flusso stabilito, non necessariamente l'intera storia di carico
dell'evento di apertura. Se sia necessaria una valutazione transitoria dipende dall'installazione e
dalla base di progetto determinante.
Quali informazioni sono necessarie prima che il progetto dei supporti possa essere accettato?
Fornire il servizio di sfioro e lo stato del fluido, il confine di scarico, la base di reazione, lo scarico
isometrici, vincoli, combinazioni di carico applicabili e valori ammissibili per valvola/apparecchiatura/supporto
carichi. Un valore di forza da solo non può stabilire l'accettabilità meccanica.
Il calcolo della forza di reazione di una valvola di sicurezza non è né “solo una formula” né la progettazione finale del supporto. È il ponte tra il calcolo di sfioro e la verifica meccanica del sistema di scarico installato.
Calcolare la reazione corretta per il caso di scarico corretto, poi verificare come la tubazione effettiva la trasmette.
