Для достоверного сценария разрыва труб в теплообменнике предохранительный клапан должен рассчитываться на требуемую нагрузку по сбросу давления, которая остается после установления фактического расхода при разрыве, фазы сброса, реакции подключенной системы низкого давления и любой технически обоснованной компенсации расхода системы. Его не следует рассчитывать автоматически исходя из нормального расхода теплообменника, размера присоединения, существующего клапана или …
Для достоверного сценария разрыва труб в теплообменнике предохранительный клапан должен рассчитываться на требуемую нагрузку по сбросу давления, которая остается после установления фактического расхода при разрыве, фазы сброса, реакции подключенной системы низкого давления и любой технически обоснованной компенсации расхода системы. Его не следует рассчитывать автоматически исходя из нормального расхода теплообменника, размера присоединения, существующего клапана или предположения, что весь поток со стороны высокого давления поступает в сторону низкого давления.
Таким образом, разрыв труб является проблемой переполнения системы давлением до того, как он станет проблемой пропускной способности клапана. Инженер сначала должен определить реальные границы высокого и низкого давления, определить предполагаемый путь внутреннего разрушения, установить, что может пересечь этот путь и в каком состоянии, определить, что подключенная система низкого давления может обоснованно выдержать, и решить, достаточно ли стационарного режима сброса.
Эта логика полезна для нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических, газоперерабатывающих, энергетических и других производств с кожухотрубными теплообменниками, поскольку определяющим вопросом является не отраслевая классификация, а соотношение давлений между двумя сторонами и реакция принимающей системы при отказе внутренней границы давления.
Инженерная последовательность: достоверный сценарий → граница ВД/НД → основание отказа → расход и фаза при разрыве → реакция системы низкого давления → обоснованная компенсация системы → достаточность стационарного/переходного режима → требуемая нагрузка устройства сброса давления (PRD) → последующий расчет клапана и запрос предложения.
Подтвердите сценарий разрыва труб и границу давления, находящуюся под угрозой
Различайте стороны высокого и низкого давления от сторон кожуха и труб
Первая ошибка, которую следует избегать, — это предположение, что сторона кожуха всегда является стороной низкого давления или что сторона труб всегда является стороной высокого давления. Сторона кожуха и сторона труб описывают конструкцию теплообменника; стороны высокого и низкого давления описывают фактическое соотношение давлений в технологической среде.
Для анализа сброса давления при разрыве труб актуальным вопросом является: Какая система давления может привести к протеканию среды через внутреннее разрушение труб, и какая граница низкого давления может оказаться под избыточным давлением в результате этого?
Британское Управление по охране труда и технике безопасности (HSE) признает разрыв труб в теплообменниках одним из видов отказов, которые необходимо учитывать при оценке безопасности установки. Работы AIChE по технологической безопасности также рассматривают разрыв труб как внутренний отказ, способный создать нагрузку на систему с более низким давлением. Фактические проектные давления, допустимые пределы и распределение услуг по трубному и межтрубному пространству должны быть подтверждены на основе применимой проектной документации, а не определены только по конструкции теплообменника.
Например, два теплообменника могут выглядеть механически одинаково, но иметь противоположные соотношения давлений. В одном случае среда в трубном пространстве может быть источником высокого давления; в другом — в межтрубном. Анализ сброса давления, который исходит из предположения “межтрубное пространство — низкое давление”, может установить неправильную защищаемую границу еще до начала любых расчетов пропускной способности.
Для более широких сценариев сброса давления в теплообменниках, помимо вопроса о разрыве труб, рассматриваемого в данной статье, см. руководство по применению предохранительных клапанов для теплообменников.
Определите границу защищаемой системы с низким давлением
Угрожаемая граница давления может выходить за пределы корпуса теплообменника. Если сторона с более низким давлением остается соединенной с трубопроводами или другим оборудованием во время события, анализ должен определить соответствующую связанную систему давления, а не предполагать, что воздействию подвергается только сам теплообменник.
Это не означает, что каждый связанный элемент автоматически включается в один и тот же расчет сброса. Это означает, что защищаемая граница должна быть определена осознанно до того, как можно будет установить требуемую нагрузку сброса.
- Источник: Какая система давления может питать внутренний отказ?
- Принимающая граница: Какое оборудование с более низким давлением и связанные трубопроводы подвергаются воздействию?
- Открытые соединения: Какие пути остаются соединенными во время аварийной ситуации?
- Защита: Какая часть этой границы должна быть защищена системой сброса давления?
Полезная привычка при проектировании — проследить сторону низкого давления за пределами патрубка теплообменника, прежде чем обсуждать клапан. Если теплообменник остается гидравлически соединенным с коллектором, сосудом, сепаратором, обратным контуром или другим оборудованием, находящимся под давлением, во время события, это соединение может изменить реакцию системы. Наличие соединения не дает автоматически права на сброс, но его игнорирование может привести к столь же неполной модели.
Если эти вопросы не могут быть решены на основе проектных данных, работу по определению требуемой пропускной способности следует приостановить, а не позволять предполагаемому размеру клапана задним числом определять защищаемую систему.
Разделяйте достоверность сценария и расчет нагрузки сброса
Работы AIChE по безопасности процессов, связанные с разрывом труб, показывают, что достоверность сценария и соответствующая стратегия защиты сами по себе могут требовать инженерной оценки. Достоверность и определение нагрузки сброса должны оставаться отдельными решениями.
- Определите, относится ли разрыв труб к анализу избыточного давления.
- Если да, определите, какую нагрузку должна выдерживать система защиты.
Оценка достоверности не может быть заменена небрежным утверждением, что разрыв труб маловероятен. Равным образом, признание разрыва труб достоверным не устанавливает универсальную площадь разрушения, требуемый расход или решение по устройству сброса.
| Состояние проверки | Инженерные действия | Граница принятия решения |
|---|---|---|
| Сценарий и защищаемая граница достаточно определены | Перейти к анализу пути отказа. | Не переходите сразу к выбору модели клапана или проходного сечения. |
| Применимость сценария или границы защищаемой системы остаются неопределенными. | ОСТАНОВИТЬ основу расчета и устраните недостающие исходные данные. | Не используйте предполагаемый типоразмер PSV для заполнения пробела в определении сценария. |
| Отдельный контроль технологических рисков решает часть проблемы. | Направьте этот вопрос ответственному специалисту по анализу опасностей, сохранив при необходимости интерфейс сброса давления. | Не рассматривайте расчет PRD как полную оценку опасностей. |
Определите достоверный сценарий разрыва трубки перед расчетом расхода сброса.
Определите предполагаемый внутренний отказ.
Для анализа сброса давления сценарий разрыва трубки представляет собой определенный предполагаемый путь внутреннего отказа между системами с более высоким и более низким давлением. Его не следует рассматривать как синоним любого свища, пути протечки или незначительной утечки в трубке.
Основа отказа важна, поскольку количество жидкости, которое может перетечь в сторону с более низким давлением, зависит от пути, через который эта жидкость может выйти.
Применимая геометрия отказа является исходными данными проекта. В этой статье не назначается универсальная площадь разрыва, количество поврежденных трубок, размер трубки или другие фиксированные допущения об отказе.
Рассмотрим для примера теплообменник, в котором с одной стороны проходит технологический поток с существенно более высоким давлением, а с другой — контур с более низким давлением. Даже если поток высокого давления имеет большую нормальную пропускную способность, расчет сброса не начинается с переноса этой пропускной способности в опросный лист PSV. Он начинается с определения того, что именно соединяет заданный отказ трубного пучка и какой расход может пропустить этот путь отказа при применимых условиях источника и приемной стороны.
Определите источник высокого давления, питающий место отказа
Сторона высокого давления определяет источник события, но наличие источника не равно расходу при разрыве.
Инженерный анализ должен разделять три понятия:
- Условие источника: что система высокого давления может предоставить месту повреждения;
- Ограничение пути повреждения: что предполагаемое внутреннее отверстие позволяет пройти;
- Условие приемной стороны: как система более низкого давления и состояние среды влияют на то, что фактически поступает в эту систему.
Нормальная пропускная способность теплообменника может быть важна для контекста источника, но она не является автоматически расходом при разрыве. Аналогично, не следует предполагать, что весь поток со стороны высокого давления проходит через место повреждения только потому, что он существует выше по потоку.
Именно поэтому начало анализа с существующего PSV может направить проверку в неверном направлении. Установленный клапан показывает, что было выбрано ранее; он не доказывает, что требуется для текущего сценария разрыва трубки. Сценарий сначала определяет требуемую нагрузку. Затем с этой нагрузкой сравнивается пропускная способность кандидата.
Сохраняйте геометрию повреждения применительно к конкретному проекту
Геометрия разрушения может существенно влиять на поток через внутренний путь разрыва и поэтому должна определяться применимой проектной методологией и инженерным обоснованием.
До выполнения расчета нагрузки инженерное обоснование проекта должно подтвердить размеры труб, предполагаемую геометрию разрушения, количество поврежденных труб (если применимо), эффективную площадь проходного сечения и фактические условия высокого и низкого давления, используемые в анализе.
Если путь разрушения не определен, не рассчитывайте и не принимайте требуемую нагрузку при разрыве трубы. Существующий размер PSV, размер патрубка теплообменника или предыдущий результат не устанавливают недостающее обоснование разрушения.
Определите, что именно проходит через путь разрыва
Не используйте нормальный поток теплообменника в качестве потока разрыва по умолчанию
Нормальный поток теплообменника описывает штатную работу. Поток при разрыве трубы описывает перенос через непредусмотренный внутренний путь разрушения. Это разные инженерные величины.
Нормальный рабочий поток может быть частью контекста источника или системы, но он не должен автоматически становиться требуемой нагрузкой на предохранительный клапан.
Нормальный технологический поток отвечает на вопрос, как работает теплообменник. Поток при разрыве отвечает на вопрос, что может пройти через разрушение во время события превышения давления.
Это различие особенно полезно при модернизации и пересмотре замены клапанов. Технологический лист данных может делать нормальный поток сразу видимым, в то время как исходное обоснование разрыва трубы отсутствует или плохо документировано. Легко доступный рабочий поток не должен заменять отсутствующий анализ сброса только потому, что это самое простое число для поиска.
Не предполагайте, что весь поток со стороны высокого давления проходит через разрушение
Противоположный упрощенный подход также ненадежен: предположение, что весь поток со стороны высокого давления автоматически становится потоком при разрыве трубы.
Количество, поступающее на сторону низкого давления, зависит от заданного пути отказа, доступного состояния источника, ограничений между источником и местом отказа, а также поведения среды при прохождении через место отказа.
- Источник: Определите, что может питать место отказа.
- Путь: Установите постулируемую основу внутреннего отказа.
- Перенос: Определите, что может пройти по этому пути.
- Состояние: Определите, какая фаза или состояние достигает принимающей системы.
- Реакция: Только затем определите, что должна обрабатывать система низкого давления и выделенный ПСУ.
Только результат этой инженерной цепочки должен использоваться в расчете требуемой пропускной способности.
Определение фазы среды, поступающей на сторону низкого давления
Фаза среды является частью обоснования сброса при разрыве трубного пучка, а не деталью, которую можно отложить до выбора клапана.
Моделирование разрыва трубного пучка по методике AIChE рассматривало различные случаи реакции жидкости и пара, что подтверждает вывод о том, что фазовое поведение может существенно влиять на реакцию давления на стороне низкого давления. В зависимости от фактической среды, среда, проходящая через место разрыва, может оставаться в аналогичной фазе, испаряться или создавать смешанное или двухфазное состояние.
Одним из важных практических примеров является жидкость высокого давления, которая испытывает значительное снижение давления при входе в сторону низкого давления. Тот факт, что поток в источнике был жидкостью до разрыва, не доказывает, что условие сброса остается жидким. Если испарение становится значимым, реакция принимающей системы и конечная нагрузка на ПСК должны отражать фактическое состояние, а не обозначение до разрыва.
Обратный урок не менее важен: не предполагайте испарение только потому, что давление падает. Фактическое состояние сброса не может быть определено только по типу теплообменника. Состав среды, термодинамические свойства, условия высокого и низкого давления и результирующее фазовое поведение должны быть установлены на основе проектных данных.
Поэтому инженер должен задавать не просто вопрос “Какова величина потока при разрыве?”, а “Какой поток в каком состоянии фактически становится проблемой превышения давления на стороне низкого давления?”
Если фазовое поведение может существенно изменить требуемую нагрузку, но остается неопределенным, основа расчета должна оставаться на ОСТАНОВИТЬ.
Определить, какую часть события система низкого давления может обоснованно выдержать
Определить реакцию подключенной системы низкого давления
Поток, поступающий в сторону низкого давления, не обязательно идентичен потоку, который должно пропускать специальное устройство сброса давления.
После установления притока при разрыве следующим вопросом является то, как реагирует подключенная система низкого давления. Среда может перемещаться в подключенное оборудование или через другой доступный путь, но любая такая реакция должна оцениваться при сценарии разрыва трубного пучка, а не предполагаться из нормальной эксплуатации.
Приток при разрыве — это нагрузка, поступающая в систему низкого давления. Требуемая нагрузка ПСК — это часть, которую должна обрабатывать специальная функция сброса давления после учета только технически обоснованной реакции системы.
Учитывайте существующий выход или открытые пути потока только при техническом обосновании
Существующий выход на стороне низкого давления не является автоматически дополнительной пропускной способностью для сброса. Работа AIChE, рассматривающая гидравлические контуры низкого давления при защите от разрыва труб, подтверждает, что такой путь следует рассматривать как потенциальный инженерный запас только тогда, когда его роль в условиях аварийного сценария установлена.
Частая ошибка при проектной экспертизе — выход, который при нормальной работе выглядит свободно открытым. Может возникнуть соблазн считать его нормальный поток уже имеющейся пропускной способностью на случай разрыва труб. Но реальные вопросы: остается ли этот путь подключенным, остается ли он доступным при аварийной ситуации, какую пропускную способность он обеспечивает в этих условиях и допускает ли проектная основа защиты опираться на него.
Прежде чем учитывать существующий путь, необходимо закрыть четыре вопроса:
- Подключение: Подключен ли путь фактически к защищаемой системе при аварийной ситуации?
- Доступность: Ожидается ли, что он останется открытым и доступным при разрыве труб?
- Основа пропускной способности: Установлена ли соответствующая пропускная способность для данного сценария, а не определена по нормальному расходу?
- Основа защиты: Принято ли использование этого пути как часть основы защиты от превышения давления в проекте?
Если хотя бы один из этих вопросов остаётся нерешённым, нормальный расход на выходе не следует молча вычитать из требуемой нагрузки на устройство сброса давления.
| Статус существующего пути | Учёт нагрузки на сброс | Решение |
|---|---|---|
| Доступность и резервная пропускная способность технически обоснованы в рамках базиса защиты | Используйте только системный запас, установленный проектным анализом. | Перейти к определению остаточной нагрузки. |
| Путь существует, но доступность или резервная пропускная способность не подтверждены | Не принимайте запас без подтверждения. | ОСТАНОВИТЬ предполагаемый запас. |
| Путь недоступен для данного сценария | Не полагайтесь на него как на часть базиса сброса давления. | Определите оставшееся требование защиты без этого запаса. |
Отделите пропускную способность системы от остаточной нагрузки на ПСК
Анализ должен разделять три уровня:
- Входящее разрушающее воздействие: что поступает в систему низкого давления через предполагаемый внутренний отказ;
- Обоснованное поведение системы: что подключенная система может обоснованно принять или пропустить во время аварийной ситуации;
- Остаточная требуемая пропускная способность сброса: что остается на долю специализированной функции сброса давления.
Это концептуальные инженерные уровни, а не универсальная арифметическая формула. Величина зачета по расходу системы, если она вообще есть, должна быть установлена на основе фактического анализа аварийной ситуации.
Пропускную способность существующего клапана не следует использовать для обратного расчета этой нагрузки. Требуемая нагрузка определяется из анализа сценария; пропускная способность кандидата проверяется после.
Это одна из самых полезных проверок при модернизации. Если рассуждение начинается с “установленный клапан пропускает такой-то расход, следовательно, теплообменник должен быть защищен”, логика обратная. Проверка должна позволять проследить нагрузку независимо от установленного клапана и только затем сравнить существующее устройство с восстановленным требованием.
Направьте реактивное межпоточное смешение в отдельный анализ опасностей
Разрыв трубки может привести к контакту двух технологических потоков. Если смешение может создать отдельную опасность реакции, парообразования или выделения энергии, одного гидравлического расчета сброса при разрыве трубки недостаточно для устранения этого риска.
Эта граница становится особенно важной в технологических теплообменниках, где обе стороны содержат технологические жидкости, а не безвредную пару с коммунальными услугами. Гидравлическая нагрузка переноса может быть лишь частью события, если межпоточное смешение создает дополнительную опасность.
Это условие должно быть направлено на соответствующий анализ технологических опасностей. Расчет PRD может оставаться частью стратегии защиты, но он не может заменить оценку самой опасности смешения.
Существует ли такая опасность, зависит от фактических технологических сред и условий и должно быть подтверждено на основе проектных требований по технологической безопасности.
Определите, достаточно ли расчета стационарного режима сброса
Определите, когда ранняя реакция давления может определять решение о защите
Обычный расчет сброса определяет, какой расход должна обеспечить система защиты. В некоторых случаях разрыва труб добавляется еще один вопрос: Может ли на стороне низкого давления наблюдаться быстрая реакция давления до того, как стационарный баланс сброса будет достаточным для подтверждения защиты?
Технические работы AIChE и IChemE по разрыву труб теплообменников поддерживают рассмотрение переходной реакции стороны низкого давления, где время роста давления и время срабатывания защиты имеет значение. Это не означает, что для каждого теплообменника требуется динамическое моделирование.
Показательный пример — сторона низкого давления со значительным запасом жидкости и ограниченной сжимаемостью. Внезапный приток со стороны высокого давления может сделать раннюю реакцию давления важной частью вопроса защиты. В другом теплообменнике с иным запасом, путем потока, фазовым поведением и соотношением давлений стационарный подход может быть достаточным. Метод анализа должен соответствовать поведению системы, а не универсальному правилу.
Разделяйте стационарную пропускную способность и переходную защиту по давлению
Эти выводы не эквивалентны:
- клапан может пропустить установленный стационарный требуемый расход;
- доказано, что защищаемая система остается адекватно защищенной на протяжении всего события разрыва трубы.
Второй вывод может потребовать дополнительных доказательств реакции системы.
Поэтому клапан большего размера не следует рассматривать как универсальное решение для быстрого переходного процесса при разрыве трубки. Если нерешенный вопрос касается времени роста давления, реакции системы, реакции устройства сброса давления (PRD) или места установки, дополнительная стационарная пропускная способность сама по себе не доказывает адекватную защиту.
Существует также важное различие между консервативным числом и консервативной инженерной основой. Предположение о необычно большом расходе может казаться консервативным при проверке стационарной пропускной способности, но оно не решает проблему неверного предположения о фазе, непроверенного учета расхода в системе, ранней проблемы с давлением в переходном процессе или проблемы с реакцией защитного устройства. Консерватизм в одном параметре не может заменить корректную модель сценария.
Проверяйте реакцию и место установки ПРД только там, где они изменяют защиту системы
Реакция и место установки ПРД имеют значение только там, где они существенно влияют на защитную реакцию соответствующей границы давления. В этой статье не предписывается время срабатывания или место установки; эти выводы зависят от фактической системы и проектного анализа.
| Инженерный вопрос | Если достаточно определено | Если не определено и существенно |
|---|---|---|
| Адекватно ли стационарное состояние отражает требуемое решение по защите? | Продолжайте к фиксации режима сброса. | Переходите к требуемому переходному или динамическому анализу. |
| Может ли ранняя реакция давления в системе повлиять на достаточность защиты? | Сохраняйте обоснованную инженерную основу. | Не утверждайте, что только стационарная пропускная способность закрывает вопрос. |
| Являются ли реакция или место установки ПРД существенными для реакции системы? | Продолжайте, используя установленную основу. | Учитывайте эти эффекты в анализе ответственной системы перед окончательным выбором. |
Если адекватность анализа установившихся режимов остается нерешенной, расчетная основа остается на ОСТАНОВИТЬ в ожидании требуемого переходного или динамического анализа.
Зафиксируйте требуемый режим сброса при разрыве трубки до выбора предохранительного клапана.
Документируйте утвержденную основу отказа и фазы.
Перед началом расчета клапана в инженерной документации должно быть указано, какая система давления является источником высокого давления, какая связанная граница низкого давления защищена, утвержденная основа разрыва трубки, сбрасываемая среда и фаза или состояние, используемые в анализе.
Давления, геометрия, свойства текучей среды, допущения об отказе и расчетный расход при разрыве, использованные для установления этой основы, должны быть получены из фактических проектных инженерных данных.
Эта дисциплина документирования важна как в новых проектах, так и на существующих объектах по той же причине: будущий инженер должен иметь возможность понять, почему существует нагрузка на клапан, не выводя сценарий из установленного клапана.
Документируйте любые обоснованные кредиты на расход системы.
Если требуемая нагрузка на ПСД зависит от существующего пути потока на стороне низкого давления, этот кредит должен быть виден в инженерной основе, а не скрыт внутри окончательного значения сбрасываемой нагрузки. В записи должно быть показано, что путь был оценен для данной аварийной ситуации, и указана роль, которую он должен выполнять.
Определите оставшуюся требуемую нагрузку сброса.
Только после того, как путь отказа, расход при разрыве, фазовое поведение, реакция связанной системы и требуемый режим анализа будут достаточно проработаны, можно зафиксировать требуемую нагрузку при разрыве трубки.
Какой требуемый расход и состояние сброса должен обеспечивать специальный предохранительный клапан для утвержденного сценария разрыва трубки?
- Утвержден ли сценарий для анализа?
- Явно ли определена защищаемая граница ВД/НД?
- Явно ли определен путь отказа?
- Отличается ли расход при разрыве от нормального технологического расхода и общего расхода источника?
- Установлена ли фаза/состояние сброса?
- Является ли каждый кредит на расход системы технически обоснованным для данного сценария?
- Решен ли вопрос о стационарном и переходном режиме?
- Направлены ли отдельные реакционные или технологические опасности на соответствующий анализ?
Если нерешенный вопрос может существенно изменить требуемую нагрузку, правильным результатом не является предполагаемый размер клапана. Основа нагрузки остается на ОСТАНОВИТЬ.
Эта статья не определяет модель предохранительного клапана, проходное сечение, сертифицированную пропускную способность или выводы о соответствии для конкретного проекта. Для следующего шага используйте Руководство по расчету предохранительных клапанов.
Передайте нагрузку на расчет клапана и проверку запроса предложения
Структура API для сброса давления разделяет анализ системы сброса от последующего расчета и выбора устройства сброса давления. После утверждения требуемой нагрузки при разрыве трубки кандидаты на клапан могут быть оценены на соответствие определенному требованию, а не путем реконструкции сценария на основе существующего размера клапана или соединения теплообменника.
Практическая передача для расчета/запроса котировки должна включать утвержденную требуемую нагрузку сброса, сбрасываемую среду и фазу/состояние, соответствующий проектный уровень давления, уровень противодавления на выходе, если применимо, проектные требования, специфичные для проекта, и любые условия анализа разрыва трубки, влияющие на последующий выбор устройства сброса давления.
Для нефтеперерабатывающих, нефтехимических, химических, газоперерабатывающих, энергетических или других теплообменных производств принцип передачи остается тем же: поставщик клапанов должен получить утвержденную основу для нагрузки, а не должен изобретать технологический сценарий на основе размера патрубка или старой заводской таблички.
Основа для нагрузки при разрыве трубки должна быть установлена и утверждена ответственной дисциплиной проекта или системой сброса давления. Последующий процесс расчета клапана затем определяет, какой кандидат имеет достаточную документированную пропускную способность для этого утвержденного требования.
