油圧システム、ボイラー、またはプロセス機器内で流体圧力が安全限界を超えて上昇すると、何らかの影響が生じます。そこで圧力リリーフバルブが登場します。圧力リリーフバルブは、致命的な障害に対するシステムの最後の防御線です。しかし、産業用供給品のカタログを見てみると、それぞれが特定の条件向けに設計された数十種類のバルブを見つけることができます。間違ったタイプを選択すると、お金が無駄になるだけではありません。安全性が損なわれる可能性があります。
スプリング式バルブは、産業用アプリケーションで最も一般的なタイプです。コイルスプリングがバルブディスクの上にあり、閉じる力を提供します。入口圧力が増加すると、ディスクがシートから離れるまでスプリングが圧縮されます。
圧力リリーフバルブの実際の仕組み
特定のタイプに入る前に、基本原則を確立しましょう。すべての圧力リリーフバルブは力のバランスに基づいて動作します。閉じる力（通常はバネによる）が、バルブディスク領域に作用するシステム圧力による開く力を超えると、バルブは閉じたままになります。
【圧力逃がし弁力バランス図のイメージ】基本的な方程式は単純です。
システム圧力が十分に高くなると、開く力がバネの力に打ち勝ち、バルブが開いて流体が排出されます。圧力が十分に低下すると、スプリングがディスクをシートに押し戻し、流れを止めます。
これらの用語が同じ意味で使用されることをよく耳にしますが、ASME ボイラーおよび圧力容器規定では流体の圧縮性に基づいて明確に区別されています。
スプリング式直動バルブ: 業界の主力製品
スプリング式バルブは、産業用アプリケーションで最も一般的なタイプです。コイルスプリングがバルブディスクの上にあり、閉じる力を提供します。入口圧力が増加すると、ディスクがシートから離れるまでスプリングが圧縮されます。
従来のスプリング式バルブ
これらが基本的な設計です。スプリングを収容するボンネット（キャップ）はバルブの出口側に通気します。この単純な構成は多くのアプリケーションで問題なく機能しますが、重大な制限があります。
背圧 (出口側の圧力) がバルブディスクの背面に作用し、閉じる力が増加します。これはつまり：
背圧が変化すると (複数のバルブが共有ヘッダーに排出する場合によく起こります)、バルブの実際の開口圧力が変化します。 API 520 規格では、この理由から、従来のバルブは背圧が設定圧力の 10% 未満にとどまる用途に限定されています。
バランスベローズバルブ: 背圧との戦い
背圧に対する敏感さを克服するために、エンジニアはバランスのとれたベローズ設計を開発しました。柔軟な金属ベローズがバルブステムの周りを包み込み、ボンネットをプロセス流体から密閉します。ジャバラ有効面積はシート面積に一致します。
ここが賢い部分です。背圧はディスクの背面を押し下げますが、同時にベローズの底部を押し上げます。両方の面積が等しいため、これらの力は相殺されます。
この設計は、バルブの性能に影響を与えることなく、設定圧力の 30 ～ 50% までの背圧に対応します。
| 特徴 | 従来の | バランスベローズ |
|---|---|---|
| 背圧制限 | シンプルでパーツが少ない | 設定圧力の30～50％ |
| 設計の複雑さ | スタンドアロンシステム | ベローズが複雑さを増す |
| 料金 | より低い | より高い (15 ～ 30% のプレミアム) |
| メンテナンスのリスク | より低い | ベローズの疲労・破断 |
| 代表的な用途 | スタンドアロンシステム | 共通排出ヘッダー |
パイロット操作リリーフバルブ: 圧力下での精度
厳密な制御が必要な場合、または極端な条件（非常に高い圧力、大流量、または非常に不安定な背圧）に直面する場合、スプリング式バルブは限界に達します。スプリングが大きくなりすぎて扱いにくくなります。そこでパイロット作動リリーフバルブ (PORV) が威力を発揮します。
【パイロット式リリーフ弁の概略図】逆シール原理
PORV はメイン バルブ (通常はピストン タイプ) と小さなパイロット バルブで構成されます。魔法は面積の差にあります。ピストンの上部 (ドーム領域) は下部 (シート領域) より 30 ～ 50% 大きいです。システム圧力は接続チューブを通じてドーム チャンバーを満たす。
$$F_{オープニング} = P_{システム} \times A_{座席}$$
ドーム面積がシート面積を超えるため、ドーム圧力がシステム圧力と等しい限り、閉じる力が常に優先されます。設定圧力付近でシールの圧縮が低下するスプリング式バルブとは逆に、圧力が増加するとバルブはよりしっかりと密閉されます。
ポップアクション vs 変調パイロット
パイロット バルブには 2 つの制御哲学があります。
- ポップアクションのパイロット:設定圧力に達するとパチンと全開します。迅速な圧力解放が必要なガスサービス向けの従来の安全弁の動作を模倣します。
- パイロットの調整:過圧に比例して亀裂が開きます。ウォーターハンマーを防ぐリキッドライン保護に必須です。
流れるデザインと流れないデザイン
流動式パイロットプロセス流体がパイロット機構を通過できるようにします。流体が汚れている場合、パイロット機構が詰まる可能性があります。流れのないデザインプロセス流体をパイロットから遠ざけるため、液体が混入した原油や天然ガスなどのダーティサービスに最適です。
安全弁とリリーフ弁: 流体が重要です
これらの用語が同じ意味で使用されることをよく耳にしますが、ASME ボイラーおよび圧力容器規定では流体の圧縮性に基づいて明確に区別されています。
ポップアクション動作向けに設計されています。設定圧力に達すると、バルブは数ミリ秒以内に完全に開いた位置に戻ります。なぜ？ガスは急速に膨張します。徐々に開くと、暴走膨張を防ぐのに十分な速さで圧力が解放されない可能性があります。
非圧縮性流体（液体）用リリーフバルブ
開口部を調整するように設計されています。ディスクは圧力に比例して徐々に上昇します。これにより、ウォーターハンマー- 液体の流れが突然停止または開始されることによって引き起こされる破壊的な圧力サージ。
ASME セクション I とセクション VIII: コードが重要な理由
ASME 規格を満たすすべての圧力リリーフ バルブが互換性があるわけではありません。
- ASME セクション I (ボイラー):燃焼蒸気ボイラー >15 psig 用。 「V」のスタンプです。過圧は最大 3%。優先事項: 蒸気を節約しながら爆発を防止します。
- ASME セクション VIII (圧力容器):反応器、タンク、熱交換器用。 「UV」スタンプです。過圧は最大 10%。優先事項: 多様なプロセス流体の取り扱い。
アプリケーションによる選択: 現実世界のシナリオ
ブロックされた放電ポンプは出口を閉じた状態で動作します。バルブはポンプの全流量に対応する必要があります。多くの場合、これが液体のサイズ選択を決定します。
外部火災熱により液体は急速に沸騰します。膨張する蒸気には膨大な逃がし能力が必要です。火災シナリオによって、必要な最大のオリフィス サイズが決定されることがよくあります。
熱膨張パイプ内に閉じ込められた液体は加熱されます (太陽光/微量加熱)。ほんの数度でも圧力が大幅に上昇します。ここでは小さなリリーフバルブが不可欠です。
インストールと障害モード
入口配管と 3% ルール
API 520 では、入口配管の圧力降下は設定圧力の 3% を超えないよう規定しています。おしゃべり。チャタリングとは、バルブが開き、摩擦により入口圧力が低下し、バルブがバタンと閉まり、圧力が上昇し、再び開くという激しいサイクルです。これにより座面やフランジが急速に損傷します。
一般的な故障モード
- 漏れ/煮詰まり:汚れがシートに溜まっているか、設定圧力に近すぎる位置で動作している（ワイヤ引き）。
- おしゃべり:サイズが大きすぎるか、入口圧力が過度に低下します。
- スタックシャット:腐食または重合した流体がコンポーネントを接着します。
- ベローズの破断:疲労破壊によってばねが腐食性流体にさらされる。
従来のスプリング式バルブ
テスト戦略
- ベンチテスト:バルブを取り外して工場でテストしてください。シャットダウンが必要です。
- 現場テスト:取り付けた状態でテストするには、油圧アシスト装置を使用してください。設定圧力は確認しますが、吐出容量は確認しません。
新興テクノロジー: スマートモニタリング
ワイヤレス音響センサー:漏れから超音波周波数を検出し、即座に警告を発します。
ベローズモニタリング:ボンネットベントの圧力トランスミッターはベローズの破裂を警告し、事後対応のメンテナンスを予測的なメンテナンスに変換します。
結論
圧力リリーフバルブは成熟した技術を代表しますが、間違ったタイプを選択すると、迷惑な漏れから致命的な損傷に至るまで、さまざまな問題が発生します。時間をかけて動作条件、特に背圧と流体の種類を分析し、バルブの特性を実際の要件に合わせます。
