Dimensionnement des safety valves

Une étude approfondie du processus de dimensionnement pour une gamme d’applications, incluant les équations de dimensionnement pour AD Merkblatt, DIN, TRD, ASME, API, BS6759 et d’autres. Couvre des problèmes plus complexes tels que les écoulements diphasiques et la surchauffe.

Introduction au dimensionnement des safety valves

Une safety valve doit toujours être dimensionnée et capable d’évacuer toute source de steam de manière à ce que la pression dans l’appareil protégé ne puisse pas dépasser la pression maximale accumulée admissible (MAAP). Cela signifie non seulement que la valve doit être positionnée correctement, mais aussi qu’elle est correctement réglée. La safety valve doit ensuite être dimensionnée correctement, lui permettant de débiter la quantité requise de steam à la pression requise dans toutes les conditions de panne possibles. Une fois le type de safety valve déterminé, ainsi que sa pression de tarage et sa position dans le système, il est nécessaire de calculer la capacité de décharge requise de la valve. Une fois celle-ci connue, la section d’orifice requise et la dimension nominale peuvent être déterminées à l’aide des spécifications du fabricant. Pour établir la capacité maximale requise, il faut considérer le débit potentiel à travers toutes les branches pertinentes, en amont de la valve. Dans les applications où il existe plus d’un trajet d’écoulement possible, le dimensionnement de la safety valve devient plus complexe, car il peut exister plusieurs méthodes alternatives pour déterminer sa taille. Lorsque plus d’un trajet d’écoulement potentiel existe, les alternatives suivantes doivent être considérées :

• La safety valve peut être dimensionnée sur le débit maximal rencontré dans le trajet d’écoulement ayant le plus grand débit.
• La safety valve peut être dimensionnée pour évacuer le débit des trajets d’écoulement combinés. Ce choix est déterminé par le risque que deux dispositifs ou plus tombent en panne simultanément. S’il existe la moindre chance que cela puisse se produire, la valve doit être dimensionnée pour permettre l’évacuation des débits combinés des dispositifs défaillants. Cependant, lorsque le risque est négligeable, des avantages en termes de coûts peuvent dicter que la valve ne devrait être dimensionnée que sur le plus grand débit de panne. Le choix de la méthode appartient en définitive à la société responsable de l’assurance de l’installation. Par exemple, considérons le réservoir sous pression et le système de piège-pompe automatique (APT) illustré dans la Figure 9.4.1. La situation improbable est que l’APT et la vanne de réduction de pression (PRV « A ») puissent tomber en panne simultanément. La capacité de décharge de la safety valve « A » serait soit la charge de panne de la plus grande PRV, soit, alternativement, la charge de panne combinée de l’APT et de la PRV « A ». Ce document recommande que, lorsqu’il existe des trajets d’écoulement multiples, toute safety valve pertinente soit, à tout moment, dimensionnée en tenant compte de la possibilité que les vannes de régulation de pression amont pertinentes puissent tomber en panne simultanément. Détermination du débit de panne Pour déterminer le débit de panne à travers une PRV ou toute autre vanne ou orifice, les éléments suivants doivent être considérés :
• La pression de panne potentielle - elle doit être prise comme la pression de tarage de la safety valve amont appropriée
• La pression de décharge de la safety valve en cours de dimensionnement
• La pleine capacité d’ouverture (KVS) de la vanne de régulation amont, voir Équation 3.21.2 Exemple 9.4.1 Considérons l’arrangement de PRV dans la Figure 9.4.2. La pression d’alimentation de ce système (Figure 9.4.2) est limitée par une safety valve amont avec une pression de tarage de 11,6 bar g. Le débit de panne à travers la PRV peut être déterminé en utilisant l’équation du débit massique du steam (Équation 3.21.2) : Dans cet exemple : Par conséquent, la safety valve serait dimensionnée pour débiter au moins 953 kg/h lorsqu’elle est tarée à 4 bar g. Une fois la charge de panne déterminée, il est généralement suffisant de dimensionner la safety valve à l’aide des abaques de capacité du fabricant. Un exemple typique d’abaque de capacité est montré dans la Figure 9.4.3. En connaissant la pression de tarage requise et la capacité de décharge, il est possible de sélectionner une dimension nominale appropriée. Dans cet exemple, la pression de tarage est de 4 bar g et le débit de panne est de 953 kg/h. Une safety valve DN32/50 est requise avec une capacité de 1 284 kg/h. Lorsque les abaques de dimensionnement ne sont pas disponibles ou ne prennent pas en charge des fluides ou des conditions particuliers, tels que la contre-pression, une viscosité élevée ou un écoulement diphasique, il peut être nécessaire de calculer la section d’orifice minimale requise. Les méthodes pour ce faire sont décrites dans les normes de réglementation appropriées, telles que :
• ASME/API RP 520
• EN ISO 4126 Les méthodes décrites dans ces normes sont basées sur le coefficient de décharge, qui est le rapport entre la capacité mesurée et la capacité théorique d’une tuyère ayant une section d’écoulement équivalente. Coefficient de décharge Les coefficients de décharge sont spécifiques à toute gamme de safety valves particulière et seront approuvés par le fabricant. Si la valve est approuvée de manière indépendante, on lui attribue un « coefficient de décharge certifié ». Cette valeur est souvent réduite en la multipliant par un facteur de sécurité de 0,9, pour donner un coefficient de décharge réduit. Le coefficient de décharge réduit est noté Kdr = Kd x 0,9 Lors de l’utilisation des méthodes standard de calcul de la section d’orifice requise, les points suivants peuvent nécessiter une considération :
• Écoulement critique et sous-critique - l’écoulement de gaz ou de vapeur à travers un orifice, tel que la section d’écoulement d’une safety valve, augmente à mesure que la pression aval diminue. Cela reste vrai jusqu’à ce que la pression critique soit atteinte et que l’écoulement critique soit établi. À ce point, toute diminution supplémentaire de la pression aval n’entraînera pas d’augmentation supplémentaire du débit. Une relation (appelée rapport de pression critique) existe entre la pression critique et la pression de décharge réelle, et, pour les gaz s’écoulant à travers les safety valves, est donnée par l’Équation 9.4.2. Pour les gaz ayant des propriétés similaires à un gaz parfait, « k » est le rapport de la chaleur spécifique à pression constante (cp) sur la chaleur spécifique à volume constant (cv), c’est-à-dire cp : cv. « k » est toujours supérieur à l’unité, et typiquement compris entre 1 et 1,4 (voir Tableau 9.4.8). Pour le steam, bien que « k » soit un coefficient isentropique, ce n’est pas réellement le rapport de cp : cv. En approximation pour le steam saturé, « k » peut être pris comme 1,135, et pour le steam surchauffé, comme 1,3. En guide, pour le steam saturé, la pression critique est prise comme 58 % de la pression d’entrée accumulée en termes absolus.
• Sursoufflance - Avant le dimensionnement, la sursoufflance de conception de la valve doit être établie. Il n’est pas permis de calculer la capacité de la valve à une sursoufflance inférieure à celle à laquelle le coefficient de décharge a été établi. Il est cependant permis d’utiliser une sursoufflance plus élevée (voir Tableau 9.2.1, Module 9.2, pour les valeurs typiques de sursoufflance). Pour les vannes DIN à pleine levée (Vollhub), la levée de conception doit être atteinte à 5 % de sursoufflance, mais pour le dimensionnement, une valeur de sursoufflance de 10 % peut être utilisée.

Équations de dimensionnement pour safety valves conçues selon les normes suivantes

Les méthodes suivantes sont utilisées pour calculer la section d’orifice minimale requise pour une safety valve, telles que mentionnées dans les normes nationales les plus couramment utilisées. Norme - ASME /API RP 520 Les formules suivantes sont utilisées pour calculer la section d’orifice minimale requise pour une safety valve selon les normes ASME et les directives API RP 520. Utilisez l’Équation 9.4.3 pour calculer la section d’orifice minimale requise pour une safety valve utilisée sur des applications de steam :

Exemple 9.4.2 Calculez la section de décharge effective minimale requise pour une safety valve conçue selon

ASME/API RP520.

Exemple 9.4.3 Calculez la section de décharge effective minimale requise pour une safety valve conçue selon ASME/API RP520.

Facteurs de correction de surchauffe pour ASME/API RP 520

Tableau 9.4.1 Facteurs de correction de surchauffe (KSH) utilisés dans ASME/API RP 520 (unités impériales)

Norme - EN ISO 4126: 2004 Utilisez l’Équation 9.4.4 pour calculer la section d’orifice minimale requise pour une safety valve utilisée sur du steam sec saturé (fraction de sécheresse > 0,98) et du steam surchauffé en écoulement critique :

Utilisez l’Équation 9.4.5 pour calculer la section d’orifice minimale requise pour une safety valve utilisée sur des applications de steam humide en écoulement critique. Note : le steam humide doit avoir une fraction de sécheresse supérieure à 0,9 :

Exemple 9.4.4 Dimensionnez la section d’écoulement minimale requise pour une safety valve conçue selon EN ISO 4126 pour évacuer une surpression d’un système de steam surchauffé.

Tableau 9.4.2 Valeur de C en fonction de « k » pour les applications de steam, air et gaz selon la norme EN ISO 4126. Les valeurs isentropiques, « k », sont incorporées dans la norme ISO 4126 : (Partie 7). Alternativement, les valeurs de « k » pour le steam peuvent être obtenues à partir des tables de steam du site web Spirax Sarco.