圧力弁は何をするのですか?

圧力バルブは、流体システム内の圧力を制御、調整、解放する重要な安全装置です。この包括的なガイドでは、産業用途にわたる圧力リリーフ バルブ、減圧バルブ、圧力レギュレーター、および圧力制御デバイスについて説明します。

圧力制御は、加圧された液体または気体を扱うシステムにおいて非常に重要です。蒸気ボイラー、油圧システム、配水ネットワークのいずれを扱う場合でも、圧力バルブは致命的な故障を防止し、システムのパフォーマンスを最適化する主要な安全機構として機能します。

圧力弁とは何ですか? (定義とコア機能)

主な機能:

• 圧力調整:システム圧力を所定の制限内に維持します
• 過圧保護:過剰な圧力を逃がすことで機器の損傷を防ぎます
• フロー制御:流体の流れを調整してシステム効率を最適化します
• 安全性の保証:圧力関連の障害に対する最後の防御線として機能します

圧力制御バルブの仕組み: 技術原理

基本的な動作メカニズム

圧力リリーフバルブは力平衡原理に基づいて動作します。

どこ：

• F₁ = P₁×A (入口圧力×有効ディスク面積)
• F₂ = ばね定数×圧縮距離
• F₃ = P₂×A (背圧×ディスク面積)

動作シーケンス:

1. 設定圧力:システム圧力 < 設定圧力の場合、バルブは閉じたままになります
2. クラッキング圧力:初期開放は設定圧力の 95 ～ 100% で発生します。
3. フルリフト:設定圧力の 103 ～ 110% で完全に開きます (API 526 による)
4. 再着圧:バルブは設定圧力の 85 ～ 95% で閉じます (通常のブローダウン)

主要な技術パラメータ:

圧力制御装置の種類: 技術仕様

1. 圧力安全弁（PSV）と安全リリーフ弁（SRV）

技術基準:ASME BPVC クリエーター I および VIII、API 520/526

バネ式安全弁

どこ：

• W = 必要な容量 (ポンド/時)
• C = 排出係数
• Kd = 排出係数補正係数
• P₁ = 設定圧力 + 過圧 (psia)
• Ksh = 過熱度補正係数
• Kv = 粘度補正係数
• M = 分子量
• T = 絶対温度 (°R)

パイロット式安全リリーフ弁 (POSRV)

2. 減圧弁（圧力調整器）

技術基準:ANSI/ISA 75.01、IEC 60534

直動式圧力調整器

どこ：

• Cv = 流量係数
• Q = 流量 (GPM)
• G = 比重
• ΔP = 圧力損失 (psi)

パイロット式減圧弁

3. 背圧調整器と制御弁

関数：下流の流れを制御することで上流圧力を一定に維持

産業用途とケーススタディ

発電産業

蒸気ボイラー安全弁 (ASME セクション I)

• 必要な容量:設定圧力を 6% 超えずに、発生した蒸気をすべて排出する必要があります
• 最小要件:ボイラーごとに安全弁 1 つ。 500 平方フィートを超える加熱面用の 2 つのバルブ
• テスト:6 か月ごと (高圧) または 3 か月ごと (低圧) の手動吊り上げテスト

石油・ガス産業

パイプライン圧力安全システム (API 521)

• 設計圧力:1.1 × 最大許容使用圧力 (MAOP)
• 安全弁のサイズ:予想される最大流量と圧力のシナリオに基づく
• 材料:サワーガスサービスには NACE MR0175 準拠が必要です

水処理と配水

減圧弁ステーション

化学および石油化学処理

原子炉保護システム

• 動作条件:500°F、600 psig
• 救済シナリオ:熱膨張、暴走反応、冷却不良
• 材料:腐食サービス用ハステロイ C-276
• サイズ:API 521 に基づく最悪のシナリオ分析に基づく

選択基準と工学的計算

パフォーマンスパラメータ

圧力定格 (ASME B16.5):

材料選択ガイド

サイズの計算

液体サービス (API 520) の場合:

どこ：

• A = 必要な有効放電面積 (平方インチ)
• GPM = 必要な流量
• G = 比重
• Kd = 排出係数 (液体の場合は 0.62)
• Kw = 背圧補正係数
• Kc = 組み合わせ補正係数
• ΔP = 設定圧力 + 過圧 - 背圧

ガス/蒸気サービス (API 520) の場合:

設置および保守の基準

設置要件 (ASME BPVC)

安全弁の取り付け:

• 入口配管:短くて直接、パイプ直径 5 以内のエルボを避ける
• 出口配管：最大 10% の背圧に耐えるサイズ
• 取り付け:垂直方向が推奨されますが、サポートがあれば水平方向も可能です
• 分離：入口でのブロックバルブの使用は禁止されています。開いた状態でロックされている場合はコンセントで使用可能

減圧弁の取り付け:

• 上流側ストレーナー：クリーンなサービスには最低 20 メッシュ
• バイパスライン:メンテナンスや緊急時の運用に
• 圧力計:上流および下流の監視
• リリーフバルブ：過圧に対する下流側の保護

メンテナンスのスケジュールと手順

API 510 検査要件:

• 目視検査:6か月ごと
• 動作テスト:毎年
• 能力テスト:5年ごと
• 完全なオーバーホール:10年ごと、またはメーカーの推奨に従って

テスト手順:

• 設定圧力テスト:開放圧力が設定の±3%以内であることを確認してください
• シート漏れテスト:API 527 クラス IV (最大 5,000 cc/hr)
• 能力テスト:流れのパフォーマンスが設計要件を満たしていることを確認する
• 背圧テスト:システム条件下でのパフォーマンスを評価する

予知保全技術

音響放射試験:

• 検出：内部漏れ、シート摩耗、バネ疲労
• 周波数範囲:20kHz～1MHz
• 感度：0.1 GPM 未満の漏れを検出可能

振動解析:

• アプリケーション:パイロットバルブのチャタリング、バネの共振
• パラメータ:振幅、周波数、位相の解析
• トレンド:故障予測のための履歴データ

コンプライアンス基準と認証

ASME ボイラーおよび圧力容器コード

セクション I (動力ボイラー):

• 容量要件:安全弁は設定圧力を 6% 以上上回る圧力上昇を防止する必要があります
• 最小限の安全弁:ボイラーごとに 1 つ、加熱面が 500 平方フィートを超える場合は 2 つ
• テスト:6 か月ごと (高圧) または 3 か月ごと (低圧) に手動で持ち上げます。

セクション VIII (圧力容器):

• 救済装置の要件:すべての圧力容器には過圧保護が必要です
• 設定圧力:保護された機器の MAWP を超えないこと
• 容量：API 521 に基づく最悪のシナリオに基づく

API標準の実装

API 520 (救済デバイスのサイジング):

• 範囲：従来のバランス型リリーフバルブ、パイロット操作型リリーフバルブをカバー
• サイズ調整方法:すべての流体タイプの計算手順を提供します
• インストール:配管要件とシステム統合を指定します

API 526 (フランジ付きスチール製リリーフバルブ):

• 設計基準:寸法要件、圧力温度定格
• 材料:炭素鋼、ステンレス鋼仕様
• テスト:工場受け入れテストの要件

API 527 (商用シートの気密性):

• クラスI:目に見える漏れはありません
• クラス II:シート直径 1 インチあたり 40 cc/hr
• クラスIII:シート直径 1 インチあたり 300 cc/hr
• クラス IV:シート直径 1 インチあたり 1,400 cc/hr

国際規格

IEC 61511 (安全計装システム):

• SIL 評価:圧力保護の安全性レベルの要件
• 実証試験:安全機能を維持するための定期的なテスト
• 故障率:安全システムの最大許容故障率

トラブルシューティングと障害分析

一般的な故障モード

早すぎる開き（煮る）：

原因:

• 入口配管損失が設定圧力の 3% を超える
• システム内の振動または脈動
• バルブシート上の破片
• 設定圧力が動作圧力に近すぎる

解決策:

• 入口配管のサイズを大きくします (速度が液体の場合は 30 フィート/秒未満、気体の場合は 100 フィート/秒未満)
• パルセーションダンパーを取り付ける
• バルブシートとディスクをきれいにする
• 動作圧力と設定圧力の間のマージンを増やす (>10%)

開けない場合:

原因:

• スプリングの腐食やバインディング
• 過剰な背圧 (設定圧力の >10%)
• コンセントや通気口が詰まっている
• 可動部のスケールや腐食

解決策:

• スプリングの交換、材質のアップグレード
• 背圧を下げるか、バランスの取れたバルブ設計を使用してください
• 障害物を取り除き、出口配管のサイズを大きくします
• 清掃と潤滑、さまざまな素材の検討

過度の漏れ：

原因:

• 破片や腐食によるシートの損傷
• 熱サイクルによるディスクの歪み
• シート荷重不足（バネ疲労）
• シール面への化学的攻撃

解決策:

• ラップシートとディスク表面
• ディスクを交換し、熱設計を改善
• スプリングを交換し、設定圧力を確認します
• 化学的適合性のために材料をアップグレードする

診断技術

フローテスト:

• 目的：実際の容量と設計容量を検証する
• 方法：設定圧力の110%での吐出流量を測定
• 受け入れ:API 527 に基づく設計容量の ±10%

冶金分析:

• アプリケーション:故障調査、材料選定
• テクニック:SEM解析、硬さ試験、腐食評価
• 結果：根本原因の特定、推奨される材料

経済的影響とコストの考慮事項

総所有コスト

初期投資:

• 標準リリーフバルブ:サイズ/素材に応じて $500 ～ $5,000
• パイロット操作弁:複雑なアプリケーションの場合は 2,000 ～ 25,000 ドル
• 設置費用:設備コストの25～50%

運営費:

• エネルギー損失:バルブに漏れがあると、システム エネルギーの 1 ～ 5% が無駄になります
• メンテナンス：バルブあたり年間 200 ～ 2,000 ドル
• テストと認証:5 年ごとにバルブあたり 500 ～ 1,500 ドル

失敗のコスト:

• 機器の損傷:50,000ドル-