Реакция усилия от выходного трубопровода предохранительного клапана и опоры

Что на самом деле представляет собой реактивная сила на выходе предохранительного клапана?

Когда сбрасываемая среда покидает предохранительный клапан или его сбросную систему,
изменения импульса потока и давления на границе сброса могут
создавать механическую реакцию. При открытом сбросе сжимаемой среды обычно
применяемые инженерные методы учитывают как импульсные, так и
эффекты тяги давления. Такой подход задокументирован в
Emerson Pressure Relief Valve Engineering Handbook.

Важной границей является то, что дает этот расчет. A
сила реакции на выходе представляет собой нагрузку на входе, связанную
с расходом при сбросе. Сама по себе она не определяет:

• реакцию на конкретной опоре трубопровода;
• усилие или момент, передаваемые в присоединение клапана;
• допустимую нагрузку на это присоединение клапана;
• нагрузку на сосуд, коллектор или штуцер оборудования; или
• сложное напряженное состояние сбросного трубопровода.

Эти величины зависят от геометрии смонтированного трубопровода и его
опор. Поэтому утверждение вида “клапан создает усилие X, значит,
ближайшая опора должна воспринимать X” является неполным. Рассчитанную
реакцию необходимо ввести в механическую модель реального
сбросного трубопровода, прежде чем можно будет оценить нагрузки на опоры и штуцеры.

Для более широких требований к входному патрубку, дренажу, ориентации и отводу сброса
см.

Руководство по установке предохранительных клапанов
.
Эта страница по-прежнему посвящена реакции и её механической
интерпретации.

Какие исходные данные определяют реакцию на выходе?

Не начинайте с номинального размера выходного патрубка клапана. Начинайте с
нагрузки по сбросу и фактических условий сброса.

Различные состояния текучей среды требуют различного инженерного подхода.
В инженерном справочнике Emerson по предохранительным клапанам приведены отдельные
подходы для газа или пара, водяного пара, невскипающей жидкости и двухфазного
потока, а не одно универсальное уравнение реакции.

Практический вывод прост: два клапана с одинаковым выходным
патрубком могут иметь разные реакции опор, если их расход при сбросе,
состояние среды, граница давления или схема сброса различаются.

Особую осторожность следует проявлять с допущениями по фазовому состоянию. Метод, разработанный для газа или
пара, не следует применять к сбросу жидкости только потому, что
размер присоединения тот же. Аналогично, методика для жидкости, предполагающая
отсутствие вскипания, не является автоматически применимой для вскипающей жидкости,
а гомогенная двухфазная модель остается применимой только при указанных
допущениях.

Если требуемый расход сброса еще не определен,
сначала выполните эту работу.

Руководство по расчету предохранительных клапанов и сертифицированной пропускной способности

отвечает за эту задачу; в данной статье расход сброса рассматривается как исходный параметр для
механической проверки.

Почему открытые и закрытые системы сброса требуют разного подхода

Прежде чем выбирать расчет усилия реакции, определите,
куда предохранительный клапан сбрасывает среду.

Открытый сброс выпускает среду через определенное выпускное устройство в
в атмосферу. Закрытый сброс остается подключенным к выходному трубопроводу,
коллектору или другой системе отвода. Это различие меняет
границы расчета.
API 520 Часть II
является соответствующей нормативной базой API по установке, тогда как руководство производителя,
например, глава по установке в
LESER Engineering Handbook,
иллюстрирует различие между открытой и закрытой системами и его ограничения.

В условиях установившегося потока усилия в некоторых закрытых
системах могут частично уравновешиваться. Это не предписывает обосновывать
вывод о том, что закрытая система сброса не создает механически
значительной реакционной нагрузки.

Изменения сечения, направления, давления на выходе и переходный поток
все еще могут иметь значение. Обоснованное правило таково:

Определите границу сброса перед выбором метода расчета.

Противодавление находится рядом в инженерной логике, но оно не
синонимично реакции усилия. Противодавление описывает выходное
условие давления, влияющее на систему сброса; анализ реакции/опор
спрашивает, как результирующее поведение жидкости и давления нагружает
механическую систему.

Для подробного обсуждения наложенного и накопленного противодавления используйте
специализированный

Противодавление и сильфон

справочник.

Когда постоянная сила реакции недостаточна?

Расчет реакции в установившемся режиме отвечает на конкретный вопрос:

какая сила реакции соответствует установившемуся расходу сброса?

Он не обязательно отвечает на вопрос:

какова полная история механических нагрузок при открытии клапана
и реакции системы сброса?

При открытии давление и расход изменяются во времени. Опубликованное исследование
по сбросу предохранительных клапанов, выполненное Мушелькнаутцем и Велленхофером, сообщает о
кратковременных пиках силы реакции в процессе открытия в
изученных ими конфигурациях. Это подтверждает, что установившиеся и переходные
нагрузки следует рассматривать как связанные, но различные инженерные вопросы, а не
при условии, что одно установившееся значение описывает всё событие.
См.
Исследование Wiley по реактивным силам потока при сбросе предохранительного клапана.

Переходный или динамический анализ становится более актуальным, когда, например:

• событие открытия клапана происходит быстро по сравнению с реакцией
  трубопроводной системы;
• волны давления или неустановившееся течение в подключённом сбросном трубопроводе могут
  влиять на механический отклик;
• система чувствительна к кратковременным нагрузкам; или
• принятая в проекте/нормативная база требует динамического расчёта.

Это граница предварительной оценки, а не утверждение, что каждый предохранительный клапан требует
анализа временной истории. Обратное упрощение также небезопасно: единичную
силу в установившемся режиме не следует автоматически рассматривать как полную
нагрузка от события.

Метод должен соответствовать кодексу трубопроводов, редакции и проектному обоснованию, которые
фактически определяют монтаж.
ASME B31.1,
например, относится к кодексу Power Piping и не должен рассматриваться как
универсальная замена другого действующего кодекса трубопроводов. Поэтому
в данной статье не публикуется универсальный коэффициент динамической нагрузки.

Как геометрия выходного трубопровода изменяет путь передачи нагрузки?

После расчета силы реакции следующий инженерный
вопрос:
куда передается эта нагрузка в смонтированном трубопроводе?

Геометрия во многом определяет ответ. В технических
рекомендациях Emerson Birkett отмечается, что неподкрепленный сбросной трубопровод может работать как рычаг,
таким образом, механическая нагрузка, приложенная к клапану, зависит как от
реакции сброса, так и от геометрии трубопровода. Именно поэтому длина трубы,
изменения направления и места установки опор имеют значение после того, как
определена местная реактивная сила.
См.
Технические данные предохранительно-сбросного клапана Emerson Birkett.

Изменения направления добавляют ещё один уровень. В отводе импульс потока
меняет направление, поэтому систему сброса необходимо рассматривать как набор
векторов сил, плеч моментов, опор и граничных условий,
а не как одну скалярную силу, движущуюся по трубе без изменений.

Сбросной поток → вектор реакции → геометрия трубопровода → изменения
направления и плечи моментов → опоры → нагрузки на клапан/опоры/оборудование.

Смещение, отвод, сбросной трубопровод, глушитель, переход или подключение к
расположенному ниже по потоку трубопроводу могут изменить путь передачи нагрузки. Точное последствие зависит
от фактической геометрии и закреплений.

Опоры также выполняют не только функцию восприятия веса. Направляющая, анкер, линейный упор или
другое закрепление изменяет механические граничные условия трубопроводной
системы. Не превращайте это в фиксированное правило шага опор: подходящая
схема зависит от фактической геометрии трубопровода, модели закреплений и
допустимых нагрузок.

Реакция от сброса также является лишь одним из расчетных случаев. В зависимости от
проекта установленная система может должна воспринимать собственный вес,
температурные перемещения, нагрузки, связанные с давлением, реакцию от сброса и
применимые переходные или случайные нагрузки.

Компоновка, рассчитанная на вес, не обязательно подходит для сброса
нагрузки. И наоборот, добавление чрезмерных связей только для восприятия усилия
может вызвать другие механические последствия при тепловом расширении
трубопровода.

Почему усилие реакции не равно конечной нагрузке на опору или патрубок

Расчет усилия реакции и окончательная проверка механической
прочности — это отдельные этапы проектирования.

Разница становится понятнее при простом мысленном эксперименте.
Предположим, две системы имеют одинаковую расчетную реакцию сброса. У одной
короткий, четко определенный выходной тракт с близко расположенной проектной опорой.
У другой — более длинный смещенный участок до точки крепления трубопровода.

Реакция потока может быть одинаковой, тогда как изгибающий момент и нагрузки,
передаваемые на клапан или опоры, различаются.

Вот почему

допускаемые нагрузки нельзя определить из уравнения реакции усилия
.
Допускаемая нагрузка на патрубок клапана, патрубок сосуда, несущая способность опоры или
допускаемая нагрузка на оборудование должны быть взяты из документации, применимой к
фактическому клапану, оборудованию, конструкции или проекту.

Значения, полученные для клапана другого производителя или другой установки,
не являются взаимозаменяемыми. В данной статье не устанавливаются
допустимые нагрузки на выходной патрубок/штуцер для конкретной модели ZOBAI,
поэтому их не следует выводить из общего инженерного обсуждения.

Что следует проверить перед приемкой схемы опор выходного трубопровода?

Приведенные ниже десять проверок представляют собой практическую методику инженерной проверки
в рамках данной статьи. Они не представлены как
универсальная последовательность, предписанная API или ASME. Действующий проектный стандарт,
документация на оборудование и базис расчета трубопроводов/напряжений остаются
определяющими для фактической установки.

1. Определите режим сброса.
   Подтвердите определяющий сценарий сброса и основу требуемого расхода сброса.
   Если требуемый расход всё ещё неизвестен, расчёт механической реакции
   преждевременен.
2. Определите рабочую среду и фазовое состояние.
   Установите, является ли сбрасываемый поток газом/паром, паром,
   неиспаряющейся жидкостью или случаем, требующим двухфазного расчёта.
3. Определите границу сброса.
   Подтвердите, сбрасывается ли клапан открыто в атмосферу или в
   подключённый трубопровод downstream. Для подключённой системы также установите
   соответствующее давление downstream и информацию о трассировке.
4. 
   Используйте метод расчёта силы реакции, соответствующий этой границе.
   
   Привязывайте результат к границам его расчета, а не
   сразу рассматривайте его как нагрузку на опору.
5. Опишите реальную геометрию выходного участка.
   Зафиксируйте ориентацию выходного патрубка клапана, длины прямых участков, отводы,
   смещения, переходы или расширения, где это применимо, глушители или другие
   элементы, установленные в линии, где они есть, и подключение к свече, коллектору или
   системе сброса.
6. Определите закрепления.
   Определите фактические опоры, направляющие, анкеры, упоры, приварные
   элементы и другие граничные условия, относящиеся к трубопроводу
   анализ.
7. Включите другие применимые варианты нагрузок.
   Определите, какие дополнительные нагрузки должны быть учтены в соответствии с
   проектными основами проекта, включая вес, температурные перемещения, воздействие
   давления и любые применимые случайные или динамические случаи.
8. Получите реальные допустимые нагрузки.
   Используйте документацию по клапану, оборудованию, опорам и проекту.
   Если отсутствует критичный для решения допустимый параметр патрубка или конструкции,
   механическая приемка не завершена.
9. Решите, достаточно ли расчета установившегося режима.
   Подтвердите, требуют ли установленная конфигурация и определяющие проектные
   основы дополнительной оценки переходных процессов или динамики.
10. Закрыть проверку трубопровода/напряжений.
    Для реального проекта сбросная нагрузка, граница расчета, трубопровод
    компоновка, опоры, применимые расчетные случаи и соответствующие допустимые
    нагрузки должны быть определены до того, как механическая приемка может быть
    закрыта.

Поэтому полезная передача проекта — это не просто
“реакция = ___”. Это:

сбросная нагрузка + состояние среды + граница сброса + основа для расчета реакции
+ фактическая геометрия + модель опор + применимые допустимые нагрузки +
статус динамической проверки.

Такой комплект позволяет дисциплинам процесса/сброса и трубопровода/напряжений работать
исходя из той же расчётной базы.