2008/04/16

安全閥專有名詞解釋

在所有製程安全和工業壓力疏解之探討時,常因混淆不清的觀念以至埋下錯誤設計之種子。究其原委肇因於未釐清繁多且複雜的專門術語,以致謬誤百出,影響所及造成在緊急或不正常狀況下,壓力真空疏解裝置(設備)無法適時、適量地排放流體。化學石油工程設計的良窳,壓力疏解常有決定性的影響。因此只有在明白如此繁雜的專門術語後才可能著手正確設計的第一步。載明規範與瞭解壓力真空疏解裝置取決於對一些重要定義的認識。當熟識這些定義後,可清楚的進一步瞭解壓力疏解裝置之特徵和動作機制原理 (Mechanism)。在此對所有名詞皆有詳細的解釋。某些重要特徵亦將說明,但更進一步之敘述則在以下各章節一一臚列並闡釋之。在選擇(遴選)與設計任一壓力疏解裝置時,一般以下列五個主要參數來控制:
(a)設定壓力(Set Pressure)
(b)邊際(Margin)
(c)排放(Blowdown,或稱沖放)
(d)過壓(Overpressure)
(e)背壓(Backpressure)
在此除解釋此五個主要參數外也詳述其它相關名詞定義。

1. 壓力疏解裝置- 一旦以入口靜壓力 (Inlet Static Pressure) 打開之裝置。壓力疏解裝置被設計於一緊急或反常狀況下因開啟動作,以防範容器內流體壓力達到或超過某一特定值(容器最大承受之壓力)因而達到保護之目地。而在系統恢復到正常狀態時,此裝置重關以防止容器內流體的進一步流失。此裝置亦可設計來防止額外的內部真空 (Internal Vacuum)。所以壓力疏解裝置可能是下列三種設備使用。
(a)重關的壓力疏解閥(即安全閥、釋壓閥或安全釋壓閥)
(b)非重關(Non-Reclosing)的壓力疏解閥(如破裂板,防爆針,破針裝置,易熔塞等)
(c)真空疏解閥 (Vacuum Relief Valve)

2. 彈簧負載壓力疏解閥 (Spring Loaded Pressure Relief Valve)-彈簧負載釋壓閥係依照壓力之差異驅動彈簧自動重關閥門來防範流體進一步流失。

3. 安全閥(Safety Valve)-安全閥為壓力疏解裝置依容器內靜壓力開啟且以爆開動作 (Pop Action) 來排放流體,即在些微過壓下閥門迅速達到全開的位置,為其特徵。換言之,此彈簧負載壓力疏解裝置,乃利用 (a) 上游入口(內)靜壓力,與 (b) 擁擠室 (Huddling Chamber) 之設計來達到爆開目的。不同於其它疏解設備的是安全閥之彈簧和槓桿曝露於外。安全閥一般使用於可壓縮流體 (Compressible Fluids) 如空氣和水蒸氣等氣體。依應用之法規,其額定容量 (Rated Capacity) 可於 3%、10%或 20% 過壓時達成。

4. 釋壓閥(Relief Valve)-釋壓閥或疏解閥為壓力疏解裝置依容器內靜壓力開啟,又稱調節動作閥 (Modulating Action Valve)。但不同於安全閥的爆開動作其閥門之開合程度等比於超過開啟壓力 (Opening Pressure) 之值。換言之,閥門依超過容器入口(內)靜壓力與開啟壓力差值的增加而漸漸開啟。釋壓閥一般使用於不可壓縮流體 (Incompressible Fluids),如水等液體。其額定容量一般於 25% 過壓時達成。

5. 安全釋壓閥 (Safety Relief Valve)-安全釋壓閥為自動彈簧負載釋壓閥之一種,如圖9所示,依應用的範疇可被使用成安全閥或釋壓閥。根據應用之法規和/或程序條件,其額定容量可於 3% 或 10% 過壓時達成。由於可使用在單相氣體、單相液體或氣/液雙相流體,因此最為當今石化工業界所喜用。

6. 傳統壓力疏解閥 (Conventional Pressure Relief Valve)-為一彈簧負載釋壓閥,其表現特徵直接受在閥門上之背壓改變所影響,稱為傳統壓力疏解閥。
7. 平衡壓力疏解閥 (Balanced Pressure Relief Valve)-為一彈簧負載壓力疏解閥,其表現特徵為加入一方法以減少背壓之影響,稱之為平衡壓力疏解閥。

8. 自動導閥操控壓力疏解閥 (Pilot Operated Pressure Relief Valve) -如圖9所示,為一彈簧負載壓力疏解閥,其主閥 (Main Valve) 被相結合的輔助壓力疏解閥 (Auxiliary Pressure Relief Valve) 所控制,稱為自動導閥操控壓力疏解閥。此閥幾乎不為背壓之大小所影響。

9. 動力壓力疏解閥 (Power-Actuated Pressure Relieving Valve)-閥門之開啟與關閉完全由外來力量(如電力、水力、空氣、或油壓)所控制,稱為動力壓力疏解閥。假若動力壓力疏解閥也被用來反映其它控制訊號,那防止過壓之控制脈衝 (Control Impulse) 必須只對壓力反映而且凌駕其它控制功能。茲因依賴外來力量,動力壓力疏解閥不被考慮為安全閥之範疇。

10.非重關壓力疏解設備 (Non-Reclosing Pressure Relief Device)-一壓力疏解設備被設計在操作後保持開啟者稱為非重關壓力疏解設備。除美國機械工程師學會 ASME 法規第八節考慮:
(a)破裂板
(b)破針裝置
(c)彈簧負載非重關壓力疏解閥外,另使用在低於15 psig下之非重關壓力疏解設備為爆炸通道 (Explosion Hatch) 與液體封閉器 (Liquid Seals)。

11.破裂板(Rupture Disk)-破裂板為一非重關的壓力疏解裝置,當內靜壓力達到爆開壓力 (Burst Pressure) 時,盤體因此破裂爆開。一破裂板裝置包含一破裂板體與63.一破裂板夾 (Rupture Disk Holder)。破裂板為一夾在凸緣(法蘭)間之薄的碟型片。碟型片材料之厚度和強度被設計在預定的壓力下破裂爆開。由於封閉性良好,對毒性、可燃性、腐蝕性等流體之防護尤其有效。

12.破針裝置-依入口靜壓力啟動的一非重關壓力疏解閥且以一針支撐此疏解閥,當壓力超過設定負載時,此針將斷裂帶動疏解閥口來達到壓力疏解的目的,此種閥稱為破針裝置。一破針裝置包括破針本體或負載/輸送單元以及破針組件。請注意:破針裝置不可單獨使用,必須裝在安全閥或安全疏解閥與桶槽容器之間。

13.爆炸通道-於一桶槽容器上方開口處裝以一具樞鈕的金屬蓋稱為爆炸通道。

14.液體封閉器-為防止液體洩漏所設計的封閉器稱為液體封閉器。一般使用在設定壓力力低於10~15 psig的情況。其實際用途可為 (a) 一燃燒塔之封閉柱 (Seal Leg);(b) 使用於甲基乙基甲酮 (Methyl Ethyl Ketone,簡稱 MEK,又稱丁酮) 單元以保護過濾器 (Filter)。

15.真實洩放面積 (Actual Discharge Area)-量測流體流經一閥所需最小淨面積稱為真實洩放面積。

16.幕面積(Curtain Area)-在管嘴座體上方,因抬高盤體形成介於座體表面間之圓柱或圓錐型洩放面積稱為幕面積。

17.管嘴面積(Nozzle Area)-在最小管嘴直徑下推算之管嘴流體橫截面積稱之管嘴面積。

18.當量流體面積(Equivalent Flow Area)-當根據流體流動公式計算出之壓力疏解閥面積相等於有效洩放面積 (Effective Discharge Area) 時稱之當量流體面積。

19.擁擠室-在一壓力疏解裝置之座體上方,為達到產生一迅速開啟之目的所需的一環狀壓力室 (Annular Pressure Chamber) 稱為擁擠室。

20.進口尺寸(Inlet Size)-除非特別規定,在入口內結合處,一閥之標稱管件尺寸(Nominal Pipe Size,NPS) 稱為進口尺寸。

21.出口尺寸(Outlet Size)-除非特別規定,在洩放結合處,一閥之標稱管件尺寸稱為出口尺寸。

22.升程(Lift)-當一閥作釋壓行為時,閥盤離開關閉位址(置)之真實上升距離稱為升程。

23.系統壓力 (System Pressures)
(1)操作壓力(Operating Pressure)-系統於一般操作時容器桶槽頂部的壓力稱為操作壓力。操作壓力一般保持在低於壓力疏解裝置的設定壓力, 以防止釋壓閥開啟頻率過高。
(2)最大操作壓力 (Maximum Operating Pressure)-系統操作時,預期的最大壓力稱為最大操作壓力。
(3)設計壓力(Design Pressure)-對一容器桶槽中各不同部份,為決定其最小許可槽壁厚度的目的所設計的壓力,此錶壓力稱之設計壓力。
(4)最大許可工作壓力(Maximum Allowable Working Pressure,或簡稱MAWP)-對一指定溫度下,在一完整容器桶槽之操作位置上,可容許的最大錶壓力稱之最大許可工作壓力。依美國機械工程師學會ASME壓力容器法規第八節的定義,MAWP 是對單一壓力疏解設備之系統而言,為防止超越容器最大限制所能達到的最大壓力。理論上,MAWP值應為壓力疏解設備為保護容器桶槽之壓力設定的基礎。但在多數的應用例子中,壓力疏解設備被設定在設計壓力而非MAWP,這是因為後者只在詳細的機械設計完成後才可獲得所致。
(5)最大許可操作壓力(Maximum Allowable Operating Pressure,或簡稱MAOP)-相對於應用在石化與天然氣工業的MAWP,美國交通部 (U.S. Department of Transportation,或簡稱DOT) 則使用最大許可操作壓力。MAOP的相關條例中,並不要求壓力疏解設備得設在MAOP,但在不同的情況下卻表明可允許的壓力上昇值。MAOP乃針對一般大氣儲槽等情況所設定的,應用上可依此值改良排放閥 (Emergency Vent) 和/或呼吸閥 (Breath Vent)等。
(6)積聚壓(Accumulation Pressure)-緊急疏解狀況下,流經壓力疏解設備之洩放中, 超過容器桶槽MAWP或MAOP之壓力,稱之積聚壓。積聚壓以壓力單位(Pressure Units) 如psig、KPa、MAWP / MAOP百分率 (Percent, %)或錶壓力百分率表示。對正常操作和其它如火災、失控反應等意外,可依法規來建立最大許可積聚壓。
(7)最大許可積聚壓(Maximum Allowable Accumulation Pressure)-最大許可工作壓力與積聚壓之和,稱為最大許可積聚壓。
(8)疏解壓 (Relieving Pressure)-設定壓力與過壓之和,稱之疏解壓。
(9)設計錶壓力(Design Gauge Pressure)-操作期間可能形成最嚴重情況 (Most Severe Conditions) 下,同時存在的溫度和壓力,此時的壓力稱設計錶壓力或設計壓力。當MAWP尚未建立時,可以設計錶壓力代替之。一般設計錶壓力等於或小於MAWP。
(10)過壓(Overpressure)-當壓力疏解設備第一次微開直到全開時,超過設定壓力之增壓稱為過壓。對設定壓力是MAWP的容器桶槽且對壓力疏解設備無入口管件損失 (Inlet Pipe Losses),過壓等於積聚壓。由於壓力疏解設備之機構慣性,閥門在設定壓力下可能無法全開 (Fully Opened)。若繼續加壓將造成閥門全開。對可壓縮氣體,閥門根據入口(內)靜壓力爆開而且在些微過壓時達到全開。對不可壓縮液體,閥門根據入口(內)靜壓力漸開而且直至全過壓 (Full Overpressure) 時,始達到全開。過壓以壓力單位如psig或百分率表示。
(11)疏解容量(Capacity)-真實的質量流率稱之疏解容量。一般以體積流率表示。
(12)額定疏解容量(Rated Relieving Capacity)-對壓力疏解設備應用時, 以法規為基礎所量得的疏解容量稱為額定疏解容量。按美國機械工程師學會ASME壓力容器桶槽法規第八節附錄M-7(非義務性)和美國石油協會API RP520第二部份段落2.2.2規定,必須使用額定疏解容量來計算入口壓力降 (Inlet Pressure Drop)。
(13)圖記疏解容量(Stamped Capacity)-在壓力疏解設備牌名板上的額定疏解容量稱為圖記疏解容量。對可壓縮流體,圖計疏解容量乃基於設定壓力或爆開壓加上可容許過壓所得。至於不可壓縮流體則為兩者之差。
(14)當量疏解容量(Equivalent Capacity)-對一測試流體計算壓力疏解設備之疏解容量,此質量或體積流率稱為當量疏解容量。

24.設備壓力 (Device Pressures)
(1)設定壓力-設定在使用條件下,以入口(內)靜壓力開啟壓力疏解設備時的錶壓力稱之設定壓力。由於壓力疏解設備之設定壓力乃根據美國機械工程師學會ASME壓力容器桶槽法規所建立必須等於或小於MAWP值,從業人員常視設定壓力為設計壓力或MAWP的同義名詞,然而為製程安全之故,設定壓力力常被設定低於MAWP。
(2)邊際-設定壓力與最大工作壓之差稱為邊際。邊際之設定相當於建立設定壓力而且間接建立MAWP 。一般有四項考慮分別為:(a) 根據UG-126 (d) 或UG-134 (d)(1),70 psig(含)以下時設定壓力的公差或可容忍度 (Tolerance) 為 + / -2%。70 psig以上則為 + / -3%。請注意,根據UG-125 (c),對NGL儲存槽其設定壓力的可容忍度則分別為 + / -10% 與 + / -0%。(b) 傳統和平衡鼓式閥在 95-98% 設定壓力時徐沸 (Simmer) 。金屬盤座閥比軟盤座閥有更大的徐沸範圍。(c) 操作壓力必須小於重設定壓力 (Reseat Pressure)。因此邊際(設定壓力減掉重操作壓力)必須大於排放(或沖放)(設定壓力減掉重設定壓力)。(d) 當排放到開放系統時,(i) 對傳統疏解閥,附加背壓不可超過 5% 設定壓力;(ii) 對平衡伸縮管式閥與自動操控閥附加背壓不可超過 0% 設定壓力。
(3)設定邊際(Setting Margin)-如上的四項考慮可轉化成對壓力疏解設備為建立設定壓力的四法則,此工作稱為設定邊際。此四法則分別為:
(a)由於設定壓力的可容忍度,設定壓力必須超過操作壓 2.0% 至 3.1%。
(b)由於徐沸,傳統疏解閥與平衡伸縮管式閥之設定壓力必須超過操作壓 2% 至 5.3%。
(c)由於邊際的要求,設定壓力必須超過操作壓 4.2% 至 8.7%,但很少超過 18%。對排放則很少超過 15%。
(d)由於附加背壓 (Superimposed Backpressure),傳統疏解閥之設定壓力必須超過操作壓5.3% 以上。但對自動導閥操控閥與對平衡伸縮管式閥則無此限制。許多公司印製圖表以便在給與操作壓之條件下用來定義設定壓力。事實上根據美國機械工程師學會ASME壓力容器法規第八節第一段附錄M-7(非義務性的)的指示,對邊際之法則為:(a) 對設定壓力到70 psig,其邊際為5% 的設定壓力;(b) 對設定壓力介於71 psig至1,000 psig,其邊際為10% 的設定壓力;(c) 對設定壓力高於1,000 psig,其邊際為7% 的設定壓力。因此若熟記以上三法則,則無需額外的圖表。
(4)冷差測試壓(Cold Differential Test Pressure)-在測試地點與常溫條件下,壓力疏解設備被調整到開啟的壓力稱為冷差測試壓。冷差測試壓包括使用時背壓或/與溫度的修正。為彌補閥體溫度上升所產生的效應,此值將高於設定壓力。
(5)背壓-因在洩放系統(Discharge System)裡的壓力形成以至在壓力疏解設備出口處存在之壓力,稱為背壓。換言之,在疏解過程中,由於排放管線的壓力影響而產生在壓力疏解設備排放口之壓力。背壓乃組合背壓(Built-Up Backpressure)與附加背壓之和。
(6)組合背壓-壓力疏解設備開啟後,洩放頭(Discharge Header)因流體之流動後所產生的壓力增量(超過附加背壓之壓力)稱為組合背壓。換言之,組合背壓乃組合在附加背壓上之壓力。組合背壓永遠是變數背壓。
(7)附加背壓-當壓力疏解設備開始動作時之前一剎那,即存在閥門出口處的靜壓力稱之附加背壓。附加背壓的形成是由於在洩放系統中,其它流體來源(如附近的安全釋壓閥開啟)加上大氣壓力的結果。根據實際情況,此背壓又分常數附加背壓(Constant Superimpose Backpressure)和變數附加背壓(Variable Super-impose Backpressure) 兩種。附加背壓一詞的來源是因其附加在如傳統疏解閥開啟時之壓力而得。
(8)重設定壓力-壓力疏解設備在開啟後,因容器桶槽內逐漸壓力減少(先決條件:壓力疏解設備能有效疏解。換言之,即槽內壓力總增量小於壓力疏解設備的疏解總增量),使得閥門漸漸降低高度以至全關時之壓力稱為重設定壓力。重設定壓力大約低於設定壓力 4~8%。
(9)排放壓(Blowdown Pressure)-一壓力疏解設備中設定壓力與重設定壓力(即重關)之差壓稱為排放壓或返座壓。
(10)排放(Blowdown)-如上 (9) 之行為稱之排放或返座。一般以設定壓力百分率或壓力如 psig、kgf/cm2、KPa 等為單位。傳統與平衡鼓式閥的排放約4-8%。調節閥比爆啟閥有較小的排放。自動導閥操控壓力疏解閥之排放可低至2% 。排放值一般由製造商提供且很少超過15%。當壓力疏解設備重關時,排放之行為以閥的機械動作來完成。
(11)開啟壓(Opening Pressure)-壓力疏解設備中閥盤抬起或流體連續瀉溢時,容器桶槽增加的入口靜壓力稱為開啟壓。
(12)關閉壓(Closing Pressure)-壓力疏解設備中閥盤抬起高度為零(即閥盤與盤座重新接觸)或流體停止瀉溢時的壓力稱為關閉壓。
(13)洩漏測試壓(Leak-Test Pressure)-當測試盤座的洩漏時,所指定的入口靜壓力稱為洩漏測試壓。
(14)疏解條件(Relieving Conditions)-於一特定過壓下,壓力疏解設備之入口靜壓力與溫度稱之疏解條件。此疏解壓力等於壓力疏解設備之設定壓力(或防爆盤之爆開壓)加上過壓。值得注意的是,在此疏解條件下,流體溫度可能高於或低於操作溫度。
(15)爆開壓 (Popping Pressure)-閥門閥盤經徐沸時的微開位置迅速開啟至全開的位置時的壓力,稱之爆開壓。
(16)壓力條件-應用壓力疏解裝置時,所有與壓力相關的操作與限制稱為壓力條件。研究壓力條件時必須考慮以下六項條件:
(a)入口壓力為正常系統操作壓力,其值一般為低於設定壓力或重設定壓力10%。此時閥門緊閉故無流體流失也無背壓產生
(b)入口壓力相等於設定壓力時,閥門輕微開啟形成微量流體流出,此現象稱徐沸
(c)入口壓力為設定壓力與過壓之和,此時閥門全開以全流量洩放流體。背壓在洩放管件中形成,此為組合背壓
(d)入口壓力如 (a) 之條件但背壓在洩放管件中出現,此為附加背壓。
(e)入口壓力如(b)之條件但附加背壓遠高於條件(d)
(f)入口壓力如(c)之條件但附加背壓因流體流經閥門而增加。若背壓於條件 (d) 和 (e) 為變數則必須使用平衡伸縮管式壓力疏解閥。
(17)設定壓力力差(Differential Set Pressure)-當壓力疏解裝置建立設定壓力時,介於設定壓力與常數附加背壓的壓力差稱之設定壓力力差。設定壓力力差僅在當使用一傳統疏解閥為對抗常數附加背壓時所建立。
及設備壓力關係如下頁圖10。
25.系統特徵 (System Characteristics)
(1)徐沸-當入口靜壓力低於設定壓力且無測得流量時,介於壓力疏解設備之閥盤與盤座間,可聽見或/和看見可壓縮流體逃逸之行為稱之徐沸。換言之,徐沸乃在未達到設定壓力時壓力疏解設備過早開啟之行為。
(2)緊密度(Tightness)-閥座緊密程度稱之緊密度。與緊密度息息相關之名詞為洩漏流率 (Leakage Rate)。
(3)顫振-閥門迅速開啟與關閉且閥盤(Disk)不曾真正全開啟或全關閉(因閥門不曾與盤座接觸)的現象稱之顫振。換言之,顫振乃閥盤在全開啟或全關閉的位置之間變動。顫振之動作極像扣上扳機的機關槍對安全疏解裝置形成嚴重損害,主要是迅速損壞盤座與導桿 (Guides)。
(4)所需流量(Required Flow)-工程師為防止過壓所計算出之流量稱之所需流量。此值由分析所有過壓事變(Overpressure Scenarios)後決定之。當給定此所需流量時,可能需要計算兩種面積。第一種乃基於美國石油協會API之公式求得之面積。第二種為必須通過所需流量之真實面積,此值因依美國機械工程師學會ASME的降額定係數 (Derating Factor, 最大為 0.9) 所以大於美國石油協會API之公式求得之面積。此美國石油協會API之公式乃根據對不可壓縮流體 (Incompressible Fluids)由達西方程式 (Darcy Equation) 推導而得。此公式可在API-520及一般製造商或販賣商手冊找到。
(5)額定面積(Rated Area)-由API公式計算出之面積後,選擇下一個最大的標準API孔口尺寸(Orifice Size),此相對的面積稱額定面積或API面積。
(6)額定流量(Rated Flow)-流經額定面積或API面積流量稱之額定流量或圖計流量 (Stamped Flow)。
(7)真實面積 (Actual Area)-依美國機械工程師學會ASME的降額定係數所計算出大於美國石油協會API之公式求得之面積之真實孔口面積稱為真實面積或ASME面積。
(8)實流量 (Actual Flow)-在一流量測試中,真正流經壓力疏解裝置(閥)之流量稱為真實流量或ASME流量。真實流量等於額定流量除以ASME的降額定係數,因此真實流量永遠大於額定流量。
(9)蒸汽儲罐的安全洩放量-用於儲存或處理壓縮氣體、水蒸汽的壓力容器,由於器內不可能產生氣體,而且即使容器受到較強輻射熱的影響,器內氣體的壓力一般也不至於顯著升高。此一類壓力容器的安全洩放量主要決定於容器的氣體輸入量。