Technical article about use of rupture discs in industrial applications

1. T E X N O Λ O Γ IIA
TE ΛOΓ A
ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΑ ΠΙΕΣΗΣ
(RUPTURE DISCS)
Νίκος Παιγνιγιάννης Tα διαφράγματα πίεσης (rupture σχετικά πρότυπα – συνιστώμενες
J&P AVAX Α.Ε. discs), αποτελούν μαζί με τις ασφαλι- πρακτικές [1], [2].
Δ/νση Ενεργειακών & Βιομηχανικών Έργων
Mηχανικός Διεργασιών (Process Εngineer)
στικές βαλβίδες (safety relief valves),
npaignigiannis@jp-avax.gr τις βασικότερες προστατευτικές δια- Σύντομη παρουσίαση διαφραγμάτων
τάξεις έναντι υπερπίεσης και χρησιμο- πίεσης [3], [4], [5], [6], [7], [8]
ποιούνται ευρέως σε βιομηχανικές Σε αντίθεση με τις ασφαλιστικές βαλ-
καθώς και διϋλιστηριακές διεργασίες. βίδες, τα διαφράγματα πίεσης είναι εξ
ορισμού [3] διατάξεις μη επανακλειό-
Αναμφισβήτητα, οι ασφαλιστικές βαλ- μενες (non-reclosing), δηλαδή μετά
βίδες είναι περισσότερο γνωστές και την εκτόνωση της υπερπίεσης, κατα-
ευρύτερα χρησιμοποιούμενες σε στρέφονται (βλ. Φωτογραφία 1) και
σχέση με τα διαφράγματα πίεσης, θα πρέπει να αντικαθίστανται με και-
οπότε το παρόν άρθρο θα προσπαθή- νούργιο διάφραγμα πίεσης. Αν και η
σει να παρουσιάσει στον αναγνώστη συγκεκριμένη ιδιότητά τους αποτελεί
κάποια βασικά στοιχεία και των δια- ίσως το σημαντικότερο μειονέκτημα
φραγμάτων πίεσης και να τον εξοικει- των διαφραγμάτων πίεσης, όπως θα
ώσει με αυτά. δούμε στη συνέχεια, τα διαφράγματα
πίεσης εμφανίζουν και αρκετά πλεονε-
Ενδεικτικά, κάποιες από τις αιτίες που κτήματα, τα οποία δικαιολογούν τη
μπορούν να προκαλέσουν υπερπίεση χρήση τους σε πληθώρα εφαρμογών.
είναι οι ακόλουθες:
•αστοχία ρυθμιστικής βάνας (π.χ. Τα διαφράγματα πίεσης μπορούν να
λόγω απώλειας παροχής ισχύος ή χρησιμοποιηθούν είτε μόνα τους είτε σε
πεπιεσμένου αέρα) συνδυασμό με ασφαλιστικές βαλβίδες.
•κλείσιμο χειροκίνητης βάνας ή ανε- Γενικά, η χρήση μόνο των διαφραγμά-
παρκές άνοιγμα βάνας των πίεσης προτείνεται όταν η διεργα-
•υδραυλικό πλήγμα σία που εξετάζουμε αφορά συνήθη μη
•εξωτερική φωτιά επικίνδυνα ρευστά (π.χ. ατμός), των
οποίων η όποια διαρροή είναι επιτρεπτή
Ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει και ασφαλής τόσο για τον άνθρωπο όσο
για περισσότερες πληροφορίες στα και για το περιβάλλον.
32 ΔEΛTIO ΠΣΔM-H ΜΑΪΟΣ 2011

2. Η κατασκευή των διαφραγμάτων πίεσης είναι πολύ απλή: ρυθμός διαρροής μπορεί να φτάσει και τις 40 φυσαλίδες το
μία μεμβράνη, κατασκευασμένη από κατάλληλο υλικό, η λεπτό (bubbles per minute), με ό,τι αυτό συνεπάγεται, τόσο
οποία στηρίζεται από κατάλληλο εξάρτημα (disc holder), για την απώλεια κερδών όσο και για την προστασία του
μέσω του οποίου το διάφραγμα πίεσης προσαρμόζεται στο περιβάλλοντος. Σε αντίθεση, τα διαφράγματα πίεσης εφαρ-
σωλήνα ή στο δοχείο της εφαρμογής μας (βλ. Φωτογραφία μόζουν απολύτως στεγανά, με αποτέλεσμα οι διαρροές
1) αυτές να αποφεύγονται.
Yπάρχει διαθέσιμη μεγάλη ποικιλία disc holders για όλες τις Σε κάθε περίπτωση, όταν η διεργασία μας αφορά επικίνδυ-
εφαρμογές (φλαντζωτοί, βιδωτοί, με σύνδεσμο (union να, διαβρωτικά ή τοξικά υλικά, συνιστάται ανεπιφύλακτα ο
type) κ.ά). συνδυασμός διαφράγματος πίεσης και ασφαλιστικής βαλβί-
δας.
Στην περίπτωση συνδυασμένης χρήσης διαφράγματος πίε-
σης και ασφαλιστικής βαλβίδας, προκειμένου να γίνεται
αντιληπτή τυχόν αστοχία του διαφράγματος πίεσης, πρέπει
πάλι βάσει των προδιαγραφών [3] να προδιαγράφεται η
τοποθέτηση ενός μανομέτρου πίεσης στο χώρο που
παρεμβάλλεται μεταξύ του διαφράγματος πίεσης και της
ασφαλιστικής βαλβίδας (βλ. Φωτογραφία 2).
Σε περίπτωση αστοχίας του διαφράγματος, η τοπική ένδει-
ξη του μανομέτρου θα αλλάξει και θα εξισωθεί με την πίεση
του ρευστού ανάντι του μανομέτρου. Με τον τρόπο αυτό,
έχουμε μία αξιόπιστη τοπική ένδειξη της αστοχίας του δια-
φράγματος πίεσης.
Επίσης, πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη ώστε ο χώρος μεταξύ
του διαφράγματος πίεσης και της ασφαλιστικής βαλβίδας
Φωτογραφία 1 – Τυπικό διάφραγμα πίεσης, πριν και μετά να μπορεί να εξαερωθεί ή/και να εξυδατωθεί (vent/ drain)
την ενεργοποίηση [3] και για το λόγο αυτό, το μανόμετρο φέρνει στην άκρη του
κατάλληλο εξάρτημα (συνήθως βιδωτό), μέσω του οποίου
Kάθε μεμβράνη χαρακτηρίζεται από μία συγκεκριμένη μπορεί να πραγματοποιηθεί η αναγκαία εξυδάτωση-εξαέ-
πίεση θραύσης (burst pressure), η οποία αντιστοιχεί σε μία ρωση.
συγκεκριμένη θερμοκρασία. Βάσει προδιαγραφών [3], για
πίεση θραύσης των 3 bar, η ανοχή στην πίεση θραύσης ορί-
ζεται στο ± 5%, ενώ για πίεση θραύσης μικρότερη των 3
bar, η μέγιστη αντίστοιχη ανοχή είναι ± 0,15 bar. Αρκετοί
κατασκευαστές διαφραγμάτων πίεσης είναι σε θέση να
προσφέρουν σήμερα ακόμα μικρότερες ανοχές, π.χ. 3%.
Οι κυριότεροι λόγοι που συντελούν στην ευρεία εφαρμογή
των διαφραγμάτων πίεσης είναι οι ακόλουθοι:
•μειωμένες απαιτήσεις συντήρησης
Τα διαφράγματα πίεσης δε διαθέτουν κινούμενα μέρη: απο-
τελούνται μόνο από μία απλή μεμβράνη, η οποία ανοίγει
(σα βεντάλια) σε μία προκαθορισμένη πίεση, βάσει των
απαιτήσεων της εφαρμογής μας. Ακριβώς επειδή δεν υπάρ-
χουν κινούμενα μέρη, η απαιτούμενη συντήρηση είναι ελά-
χιστη.
•γρήγορη ενεργοποίηση
Σε αντίθεση με τις ασφαλιστικές βαλβίδες, οι οποίες χαρα-
κτηρίζονται από τη σχετικά αργή ενεργοποίησή τους, τα
διαφράγματα πίεσης μπορούν να ενεργοποιηθούν ακόμα Φωτογραφία 2 – Τοποθέτηση μανομέτρου πίεσης στο χώρο
και μετά την πάροδο ορισμένων millisec από τη στιγμή που μεταξύ διαφράγματος πίεσης και ασφαλιστικής βαλβίδας [6]
η πίεση υπερβεί το όριο θραύσης (burst pressure) του δια-
φράγματος.
•μικρότερο κόστος
•αυξημένη αξιοπιστία σε εφαρμογές με ρευστά που έχουν
μεγάλη περιεκτικότηταα σε στερεά ή υψηλό ιξώδες. Η Σε εφαρμογές όπου λόγω των συνθηκών απαιτείται η
χρήση των παραπάνω ρευστών αυξάνει τον κίνδυνο μπλο- χρήση εξωτικών υλικών ή κραμάτων (π.χ. τιτάνιο, inconel,
καρίσματος σε περίπτωση χρήσης ασφαλιστικής βαλβίδας. hastelloy ή άλλο), είναι φθηνότερος ο συνδυασμός δια-
φράγματος πίεσης & ασφαλιστικής βαλβίδας, όπου το διά-
•αποφυγή διαρροής ποσοτήτων του ρευστού διεργασίας φραγμα θα είναι κατασκευασμένο από το εξωτικό υλικό και
κατά τη διάρκεια λειτουργίας. η ασφαλιστική βαλβίδα από κάποιο συμβατικό υλικό (π.χ.
Σύμφωνα με το [4], για συμβατικού τύπου ασφαλιστικές ανοξείδωτος χάλυβας) σε σχέση με τη χρήση μόνο ασφαλι-
βαλβίδες και μέγεθος orifice F ή και μικρότερο, ο μέγιστος στικής βαλβίδας, η οποία θα είναι εξολοκλήρου κατασκευα-
σμένη από το εξωτικό υλικό.

3. T EXNOΛOΓIA
•μεγαλύτερο εύρος λειτουργίας διαφράγματος πίεσης – ασφαλιστικής
Με την έννοια του εύρους λειτουργίας βαλβίδας καθώς και δυνατότητα μείω-
(operating ratio) αναφερόμαστε στο σης κόστους σε περίπτωση απαιτού-
πόσο κοντά στην πίεση ενεργοποίησης μενης εφεδρείας 100%
του διαφράγματος (burst pressure) Με δεδομένο ότι το διάφραγμα πίεσης
μπορούμε να λειτουργούμε τη διεργα- απομονώνει την ασφαλιστική βαλβίδα
σία μας. Όσο το εύρος λειτουργίας από το ρευστό της διεργασίας, ο έλεγ-
αυξάνεται, είμαστε σε θέση να βελτι- χος της ασφαλιστικής βαλβίδας μπορεί
στοποιήσουμε τη διεργασία και να να γίνει σχετικά εύκολα και με ασφά-
αυξήσουμε συνήθως την ποσότητα λεια με τη χρήση φορητής συσκευής.
του παραγόμενου προϊόντος. Στις Με τη διοχέτευση αέρα ή αζώτου
μέρες μας, το συγκεκριμένο εύρος λει- μέσω της συσκευής αυτής στο χώρο
τουργίας έχει φτάσει στο 95%, αυξά- που μεσολαβεί μεταξύ διαφράγματος
νοντας με τον τρόπο αυτό την ευελι- πίεσης και ασφαλιστικής βαλβίδας,
ξία και την αποδοτικότητα των διεργα- μπορούμε να αυξήσουμε την πίεση και
σιών. με τον τρόπο αυτό να ελέγξουμε την
•προστασία ευαίσθητου εξοπλισμού ακριβή πίεση ενεργοποίησης (set pres-
της εγκατάστασης sure) της ασφαλιστικής βαλβίδας.
Όταν χρησιμοποιούνται διαβρωτικά Επιπρόσθετα, μπορούμε να αποφύ-
ρευστά, η τοποθέτηση ενός διαφράγ- γουμε την εγκατάσταση διπλών ασφα-
ματος πίεσης στην είσοδο της ασφαλι- λιστικών βαλβίδων και αντίστοιχων
στικής βαλβίδας προστατεύει τα εσω- απομονωτικών βανών στην είσοδό
τερικά μέρη της βαλβίδας από διά- τους σε περιπτώσεις όπου απαιτείται
βρωση. Κατ’ αντιστοιχία, αν η ασφαλι- 100% εφεδρεία (redundancy). Η εγκα-
στική βαλβίδα καταθλίβει σε ένα συλ- τάσταση διιπλών ασφαλιστικών βαλβί-
λέκτη (manifold) ο oποίος περιέχει δια- δων παρατηρείται συχνά προκειμένου
βρωτικό ρευστό, η τοποθέτηση ενός να γίνει δυνατή η αντικατάσταση μίας
διαφράγματος πιέσης στην έξοδο της ασφαλιστικής βαλβίδας που χάνει, ενώ
ασφαλιστικής βαλβίδας προστατεύει η εγκατάστασή μας συνεχίζει να λει-
τα εσωτερικά μέρη της βαλβίδας από τουργεί κανονικά. Εναλλακτικά, δύο
το να έρθουν σε επαφή με το διαβρω- διαφράγματα πίεσης μπορούν να συν-
τικό ρευστό. Παράλληλα, στην κατά- δεθούν το ένα παράλληλα στο άλλο
θλιψη των διαφραγμάτων πίεσης μπο- και να μας προσφέρουν την απαιτού-
ρούν να τοποθετηθούν διατάξεις για μενη εφεδρεία.
την προστασία του προσωπικού αλλά •δυνατότητα ενημέρωσης για την
και γειτονικών εγκαταστάσεων, όπως ενεργοποίηση του διαφράγματος πίε-
μεταλλικό πλέγμα προστασία ή/και σης
Φωτογραφία 3 – Χαρακτηριστικοί παρακαμπτήριες πλάκες (baffle plates).
τύποι ενδεικτικών θραύσης (bursting Σε περίπτωση χωροταξικά απομακρυ-
•εύκολος έλεγχος της ασφαλιστικής σμένων διεργασιών, οι περισσότεροι
indicators) [6] βαλβίδας σε περίπτωση συνδυασμού προμηθευτές προσφέρουν σήμερα τη
δυνατότητα ενημέρωσης για την
ενεργοποίηση του διαφράγματος
μέσω αντίστοιχων οπτικών, επαγωγι-
κών, ηλεκτρικών και μαγνητικών ενδει-
κτικών θραύσης (bursting indicators),
βλ. Φωτογραφία 3.
•μεγάλη γκάμα προϊόντων για πληθώ-
ρα εφαρμογών
Η αρκετά μεγάλη λίστα προμηθευτών
(βλ. πίνακα πιο κάτω) μπορεί να προ-
σφέρει διαφράγματα πίεσης με τεχνικά
χαρακτηριστικά που μπορούν να χρη-
σιμοποιηθούν σε πληθώρα εφαρμο-
γών και διεργασιών:
- θερμοκρασία λειτουργίας από αρκε-
τές δεκάδες βαθμούς Κελσίου υπό το
μηδέν έως και αρκετές εκατοντάδες
βαθμούς Κελσίου με τη χρήση ειδικών
υλικών ή/και ειδικών ασπίδων θερμό-
τητας (heat shields) [2]
- πίεση θραύσης (burst pressure) από
34 ΔEΛTIO ΠΣΔM-H ΜΑΪΟΣ 2011

4. T EXNOΛOΓIA
0,03 bar έως χιλιάδες bars πα – συνιστώμενες πρακτικές και ειδι- συνδυασμού τους προκύπτει πολλα-
- πληθώρα υλικών κατασκευής (αλου- κότερα από το [2], καθώς και από τους πλασιάζοντας τη δυναμικότητα της
μίνιο, ασήμι, ανοξείδωτος χάλυβας, εκάστοτε προμηθευτές. Αρκετοί προ- ασφαλιστικής βαλβίδας (σε kg/h ή
τιτάνιο, monel, inconel, hastelloy, γρα- μηθευτές σήμερα προσφερούν δωρε- άλλη μονάδα) με το συντελεστή συν-
φίτης για χρήση με χημικά κλπ) άν υπολογιστικά προγράμματα για τη δυασμού (capacity combination fac-
tor).
BS&B Safety Systems www.bsbsystems.com Bάσει προτύπου [3], ο συντελεστής
αυτός ορίζεται να έχει την τιμή 0,9 ή
Continental Disc www.contdisc.com να προσδιορίζεται από τους κατασκευ-
Fike www.fike.com αστές μέσω ειδικών πιστοποιημένων
δοκιμών με συγκεκριμένα πάντα
Donadon SDD www.donadonsdd.com μοντέλα ασφαλιστικών βαλβίδων. Απο-
τέλεσμα αυτών των δοκιμών είναι
Oseco www.oseco.com αρκετοί κατασκευαστές διαφραγμά-
των πίεσης να προσφέρουν σήμερα
Πίνακας 1 – Προμηθευτές διαφραγμά- βασική διαστασιολόγηση διαφραγμά- πιστοποιημένους συντελεστές συν-
των πίεσης (rupture discs) των πίεσης (πχ. δυασμού της τάξης του 0,97 ή ακόμα
http://discalc.fike.com/sizing.asp?pro- και 0,99, για συγκεκριμένα πάντα
Ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει ject_id=5509: απαιτείται εγγραφή του μοντέλα ασφαλιστικών βαλβίδων.
για περισσότερες πληροφορίες στα χρήστη πριν τη χρήση του προγράμ-
σχετικά πρότυπα- συνιστώμενες πρα- ματος) Επίλογος
κτικές [1], [2], [3], [4]. Το παρόν άρθρο αποσκοπούσε στο να
Όπως αναφέρεται στο [2], προτού εξοικειώσει τον αναγνώστη με τα δια-
3. Κυριότεροι τύποι διαφραγμάτων προδιαγράψουμε ένα διάφραγμα πίε- φράγματα πίεσης. Τα διαφράγματα
πίεσης [7] σης, θα πρέπει να έχουμε προσδιορίσει πίεσης βρίσκουν σήμερα ευρύ πεδίο
Tα διαφράγματα πίεσης ταξινομούνται τουλάχιστον τα κάτωθι: εφαρμογής στη βιομηχανία και η
γενικά σε δύο μεγάλες κατηγορίες: χρήση τους, είτε μεμονωμένα είτε σε
•μέγιστη επιτρεπόμενη πιέση λειτουρ- συνδυασμό με ασφαλιστικές βαλβίδες
•διαφράγματα πίεσης μεταλλικά γίας (Μaximum Allowable Working παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήματα. Η
•διαφράγματα πίεσης από γραφίτη Pressure, MAWP) τελική διαστασιολόγηση και επιλογή
•φυσική κατάσταση ρευστού του κατάλληλου διαφράγματος πίεσης
Χωρίς η παραπάνω ταξινόμηση να •εύρος πιέσεων και θερμοκρασιών λει- προτείνεται να γίνεται σε συνεργασία
είναι απόλυτη, τα διαφράγματα πίεσης τουργίας με τον εκάστοτε προμηθευτή.
από γραφίτη χρησιμοποιούνται ως επί •είδος λειτουργίας (π.χ. κυκλική ή
το πλείστον για μικρότερες πιέσεις σε άλλη)
σχέση με τα μεταλλικά, ενώ χρησιμο- •απαιτούμενη παροχή
ποιούνται αποκλειστικά σε περίπτωση •αντοχή σε διάβρωση εξεταζόμενου
χρήσης τοξικών ή διαβρωτικών υγρών. εξοπλισμού Βιβλιογραφία
Τα μεταλλικά διαφράγματα πίεσης •ύπαρξη κενού ή άλλων ειδικών συν- 1.ΑPI Recommended Practice 521:
υποδιαιρούνται με τη σειρά τους σε θηκών πίεσης Guide for pressure-relieving and
εμπρόσθιας ενεργοποίησης (forward •χρήση μόνο διαφράγματος πίεσης ή depressuring systems
acting) και ανάστροφης ενεργοποίη- συνδυασμός διαφράγματος πίεσης & 2.ΑPI Recommended Practice 520:
σης (reverse acting). ασφαλιστικής βαλβίδας Sizing, selection and installation of
Στα μεταλλικά διαφράγματα εμπρό- •χρήση μονού ή διπλού διαφράγματος pressure-relieving devices in refiner-
σθιας ενεργοποίησης, η πίεση εφαρμό- πίεσης ies
ζεται στην επίπεδη ή κοίλη (concave) •την πιθανότητα ύπαρξης φωτιάς ή 3.ΑSME Section VIII, Division 1,
επιφάνειά τους και το σχήμα της μεμ- όχι Clauses UG-127 & UG-132
βράνης παραμορφώνεται ελαφρά πριν 4.API standard 527: Seat tightness of
την ενεργοποίηση του διαφράγματος Με αυτά ως δεδομένα, μπορούμε pressure relief valves
πίεσης (bursting point). προσεγγιστικά να διαστασιολογήσουμε 5.http://www.fike.com/docu-
Στα μεταλλικά διαφράγματα αντίστρο- το διάφραγμα πίεσης, λαμβάνοντας ments/1-26114205%20Eprint.pdf
φης ενεργοποίησης, η πίεση εφαρμό- υπόψη και τα σχήματα (figures) 26, 27, “Getting the most out of your rup-
ζεται στην κυρτή (convex) επιφάνειά 28A, 28B & 28C του [2]. Τα τελικά ture disc”
τους, ενώ το σχήμα της μεμβράνης δε τεχνικά στοιχεία και η διαστασιολόγη- 6.http://www.fike.com
μεταβάλλεται πριν την ενεργοποίηση. ση του διαφράγματος θα προσδιορι- 7.http://www.donadonsdd.com/EN
στούν όμως για λόγους ασφαλείας /rupture_discs.htm
4. Διαστασιολόγηση διαφραγμάτων πάντα σε συνεννόηση με τον προμη- 8.‘’Οh What a relief it is!’’ (Άρθρο
πίεσης θευτή του διαφράγματος πίεσης. του Joy Le Pree που δημοσιεύτηκε
Μολονότι οι αναλυτικές οδηγίες για τη στο περιοδικό Chemical
διαστασιολόγηση των διαφραγμάτων Κάτι που πρέπει να αναφέρουμε στο Engineering, τεύχος Αυγούστου
πίεσης ξεφεύγουν από το περιεχόμενο σημείο αυτό είναι, ότι σε περίπτωση 2010, σελίδες 18-20)
του συγκεκριμένου άρθρου, περισσό- συνδυασμένης χρήσης διαφράγματος
τερες πληροφορίες μπορούν να αντλη- πίεσης και ασφαλιστικής βαλβίδας, η
θούν από τα προαναφερθέντα πρότυ- συνολική δυναμικότητα (capacity) του
36 ΔEΛTIO ΠΣΔM-H ΜΑΪΟΣ 2011