Bezpieczeństwo produkcji, Pary i gazy, Rozwiązania dla przemysłu, Technika i przemysł

Najwyższe dopuszczalne ciśnienie PS – jak nie popełnić błędu przy projektowaniu rurociągów

fot. freepic.com
fot. freepic.com

Grzegorz Piotrowski | Inżynier Materiałowy, Fluor S.A.

Najwyższe dopuszczalne ciśnienie PS nie jest pojęciem nowym w dziedzinie urządzeń ciśnieniowych, lecz jego poprawne zdefiniowanie może przysparzać kłopotów, w szczególności, gdy urządzeniem ciśnieniowym jest skomplikowane połączenie zamkniętych przestrzeni lub pozostają one współzależne względem siebie, jak na przykład rurociągi.

W związku z tym należałoby zadać pytanie, czy określana wartość ciśnienia PS przez projektantów i wytwórców jest zawsze właściwa? Przy całej złożoności tego zagadnienia stwierdzono, że jest ona nawet dość często błędnie wyznaczana. W dyrektywie PED najwyższe dopuszczalne ciśnienie PS jest definiowane jako „najwyższe ciśnienie, dla którego zaprojektowane jest urządzenie, określone przez producenta i zdefiniowane w miejscu przez niego określonym, którym jest miejsce przyłączenia urządzeń zabezpieczających lub ograniczających albo górna część urządzenia lub, jeśli nie jest to właściwe, dowolny określony punkt”. Jak widać, już sama definicja pozwala na interpretację uzależnioną od różnych możliwych przypadków, bez jakiegokolwiek rozróżnienia, o jakie urządzenia ciśnieniowe właściwie chodzi, ani bez wyjaśnienia, jak stosować czy interpretować przytoczoną definicję.

Inżynierowie firmy Fluor dostrzegają, że przy tak skonstruowanych wytycznych nietrudno o popełnienie pomyłki lub uproszczenie powyższej definicji. Najłatwiej wyjaśnić ten mechanizm, posługując się prostym układem rurociągu (Rys. 1), łączącego dwa zbiorniki, których różnica poziomu wynosi 50 m, a ciecz w nim jest przepompowywana z dolnego zbiornika do górnego.

Zakładając, że górny zbiornik jest bezciśnieniowy (otwarty do atmosfery), a pomiar ciśnienia jest dokonywany na króćcu tłocznym pompy i na wlocie do górnego zbiornika oraz że nasz układ nie posiada dodatkowych urządzeń zabezpieczających przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, to w tak przedstawionym układzie urządzenia pomiarowe wskażą dwa różne ciśnienia. Ciśnienie mierzone w czasie pracy układu na króćcu pompy będzie zależne od ciśnienia, jakie wytworzy pompa, i będzie wynosić w tym przypadku 5 [barg], natomiast ciśnienie uzyskane na wlocie do zbiornika górnego będzie pomniejszone o wartość ciśnienia słupa cieczy i będzie w okolicy 0 [barg].

Odnosząc ten przykład do definicji, pozwala nam to na wyznaczenie ciśnienia PS w górnej części układu lub jeśli nie jest to właściwe – w dowolnym określonym punkcie. Pozostaje zatem rozważyć, czy przyjęty zgodnie z definicją najwyższy punkt rurociągu jest właściwy czy nie? Z obserwacji specjalistów firmy Fluor jak i autora artykułu wynika, że w wielu przypadkach określenie ciśnienia PS kończy się właśnie w tym miejscu, natomiast tak przyjęta wartość sprawia, że zaprojektowane urządzenie nie spełnia podstawowego warunku definicji, ponieważ w układzie wystąpi ciśnienie większe niż to, na jakie zostało zaprojektowane urządzenie, wyrażone poprzez wartość PS. Różnice w doborze najwyższego dopuszczalnego ciśnienia PS biorą się, po pierwsze, z definicji, która pozwala na pewną dowolność interpretacji, po drugie, ze złożoności wytycznych, zawartych na przykład w normach produktowych EN 13445-3, EN 13480-3, dotyczących projektowania i wytwarzania konkretnych typów urządzeń ciśnieniowych.

Pierwsza z norm dotyczy wszelkiego rodzaju zbiorników ciśnieniowych, w tym kolumn, reaktorów, walczaków itp., które nie są ogrzewane płomieniowo. Definicja najwyższego dopuszczalnego ciśnienia PS w świetle normy EN 13445-3 jest dokładnie taka sama jak w przypadku definicji podawanej przez PED 2014/68/UE. Projektując urządzenie ciśnieniowe w oparciu o tę normę, będzie można przyjąć punkt, w którym określimy ciśnienie PS w górnej części zbiornika, niezależnie od jego wielkości lub wysokości. Taki sposób postępowania jest uzasadniony dlatego, że zbiorniki ze względu na swą prostą konstrukcję są łatwo przewidywalne. Ewentualne rozbieżności w ciśnieniach wynikających z wysokości słupa cieczy łatwo można skompensować poprzez właściwe obliczenie minimalnej grubości ścianki i poprawne zaprojektowanie całego urządzenia.

W przypadku normy EN 13480-3 rzecz ma się zupełnie inaczej. Projektowanie rurociągów jest samo w sobie dużo bardziej złożonym problemem, ponieważ trzeba brać pod uwagę konfigurację samej rury, jak również jej współzależności z innymi rurociągami oraz zbiornikami – już sam ten fakt powinien skłaniać do głębszej refleksji. Norma EN 13480-3 nie zawiera jednak definicji ciśnienia PS, której można by użyć bez obawy popełnienia błędu. Prawdopodobnie jest to jedna z przyczyn odnoszenia się bezpośrednio do zapisu PED 2014/68/UE, który stwarza możliwość popełnienia pomyłki, jak przedstawiono w przykładzie powyżej. Tymczasem analizując wnikliwie normę EN 13480-3 doszukamy się zapisu dotyczącego ciśnienia obliczeniowego Pc.

Ciśnienie obliczeniowe Pc jest zestawione wraz z ciśnieniem roboczym oraz najwyższym dopuszczalnym ciśnieniem PS. Ich wzajemna korelacja dla warunku określonego jako minimum jest tożsama. Można zatem stwierdzić z całą pewnością, że praktyka, z jaką mamy do czynienia w przypadku normy dla zbiorników ciśnieniowych EN 13445-3, polegająca na przyjmowaniu najwyższego dopuszczalnego ciśnienia PS w górnej części urządzenia, nie jest już dozwolona w normie EN 13480-3. Nie można bowiem spełnić warunku wzajemnej równości Po = Pc = PS jako minimum w przypadku, kiedy ciśnienie robocze Po byłoby większe od założonego PS, co jest niedozwolone, i jednocześnie pozostawałoby nie większe niż ciśnienie obliczeniowe Pc. Należy również dodać, że w skład ciśnienia roboczego Po wchodzi między innymi ciśnienie statyczne słupa cieczy oraz brane są pod uwagę dodatkowe czynniki wskazane przez normę. W takim rozumieniu normy EN 13480-3 najwyższe dopuszczalne ciśnienie PS jest to najwyższe ciśnienie, jakie może wystąpić w rurociągu, niezależnie z jakiego źródła pochodzi. Mówiąc inaczej, manometr zainstalowany w dowolnym punkcie rurociągu musi w każdym przypadku wskazać wartość mniejszą od ciśnienia PS.

Inżynierowie firmy Fluor aby potwierdzić własne doświadczenia oraz rozważania, zwrócili się również w tej sprawie do Urzędu Dozoru Technicznego, z prośbą o niezależną interpretację przytoczonych dokumentów. W odpowiedzi otrzymali nie tylko potwierdzenie swojego sposobu rozumowania, ale uzyskali również dodatkowe potwierdzenie w postaci wskazania na interpretację europejską do dyrektywy PED numer A-38 uwaga 1, z której wynika wyraźnie, że najwyższe dopuszczalne ciśnienie PS to maksymalna wartość ciśnienia, na jakie może być narażony rurociąg.

Podsumowując poruszony temat, warto zwrócić szczególną uwagę na dobór parametrów urządzeń ciśnieniowych i ich wzajemnych korelacji już na wczesnym etapie projektowania lub wytwarzania. W ocenie autora artykułu, jak również w ocenie inżynierów firmy Fluor, wnikliwa analiza podstawowych parametrów urządzeń ciśnieniowych może uchronić przed wieloma nieoczekiwanymi doświadczeniami.

grafiki-portal

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *