Grzegorz Bartkiewicz | PETROSTER SP.J.
Dobór zaworów oddechowych w wielu przypadkach zaczyna i kończy się na podaniu średnicy przyłączeniowej urządzenia, wynikającej z projektu zbiornika lub zamontowanych na zbiorniku króćców. Jedynymi parametrami, jakie podaje większość zamawiających, są prędkości napełniania i opróżniania zbiornika, czyli techniczne parametry przepływu wymagane od urządzenia odpowietrzająco-napowietrzającego. Czy są to wystarczające dane pozwalające na odpowiedni dobór zaworów oddechowych?
Dobór zaworów oddechowych wymaga rozważenia szeregu warunków, w jakich będzie pracować urządzenie oraz zabezpieczany przez nie zbiornik czy instalacja. Do czynników, jakie trzeba wziąć pod uwagę, należy zaliczyć temperaturę i ciśnienie robocze, a także to, czy konieczne jest wymuszenie przepływu par w konkretne miejsce (np. w celu odzysku oparów).
Równie ważne są warunki indywidualne, specyficzne dla konkretnej instalacji, jak możliwość kondensacji medium, wymagająca odpowiedniej konstrukcji lub podgrzewania zaworu, agresywność medium, obligująca nas do zastosowania odpornych na jego działanie materiałów konstrukcyjnych, czy wysoka lotność produktu, której należy przeciwdziałać poprzez odpowiednie nastawienie progu otwarcia się zaworu.
Każdy z wymienionych warunków stanowi temat na odrębne opracowanie, w niniejszym artykule skupimy się tylko na jednym z nich – przepustowości zaworu oddechowego.
To właśnie ten parametr wraz z towarzyszącymi mu spadkami ciśnień odpowiada za podstawową funkcję zaworu oddechowego, czyli zdolność odprowadzania oparów oraz napowietrzenia zbiornika z jednoczesnym zachowaniem zadanego ciśnienia wewnątrz zabezpieczanej instalacji.
W przypadku zbiorników podziemnych lub usytuowanych w pomieszczeniach zamkniętych sprawa wygląda dość prosto. Zakładając, że zawór umieszczany jest indywidualnie, bezpośrednio na zbiorniku, bez rozbudowanego układu oddechowego, prędkości napełnienia i opróżniania zbiornika są, w większości przypadków, danymi wystarczającymi pod względem technicznym.
Dodatkowo należy rozważyć indywidualną specyfikę danego zbiornika oraz medium. Przykładowo, czy istnieje możliwość wytworzenia dużej ilości gazów w zachodzącym wewnątrz zbiornika procesie chemicznym jak choćby proces utleniania.
Przy rozbudowanych instalacjach należy wziąć pod uwagę współdziałanie zaworu z jej pozostałymi elementami, które również powodują konkretne spadki ciśnień na instalacji. Wówczas zawór oddechowy powinien zostać uwzględniony jako jeden z komponentów układu, którego spadek ciśnienia jest jedną ze składowych sumarycznego spadku ciśnienia w całej instalacji. Suma wszystkich spadków ciśnień urządzeń oraz rurociągów przy konkretnym przepływie nie może przekroczyć maksymalnej odporności konstrukcyjnej zbiornika na nad- oraz podciśnienie.
Sytuacja jest zgoła inna, gdy mamy do czynienia ze zbiornikami naziemnymi, które narażone są na działanie warunków atmosferycznych. W takich przypadkach poza technologicznym zapotrzebowaniem na napowietrzenie i odpowietrzenie zbiornika konieczne jest uwzględnienie tzw. oddechu termicznego.
Oddech termiczny, ze względu na zmieniającą się temperaturę otoczenia w czasie, występuje zarówno w cyklu rocznym, jak i w cyklu dobowym. Przy czym ten drugi skutkuje szybszymi wahaniami ciśnień w zbiorniku.
Prócz zmiany temperatury otoczenia największy wpływ na pracę zaworów oddechowych mają promienie słoneczne, które są w stanie podgrzać ścianki zbiornika w bardzo szybkim tempie. O sile działania tego zjawiska z pewnością możemy się przekonać, wsiadając do samochodu wystawionego na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Nawet w zimie, przy temperaturach otoczenia sporo poniżej zera, wewnątrz nasłonecznionego samochodu jest ciepło, a w miesiącach letnich temperatura bardzo szybko osiąga nawet 60oC.
Z analogiczną sytuacją mamy do czynienia w przypadku zbiorników procesowych. Ich ścianki działają jak płaszcz grzewczy, który w szybkim tempie podgrzewa znajdujące się wewnątrz ciecze i opary, powodując przy tym znaczny wzrost objętości tych ostatnich. Z kolei pod koniec dnia, gdy słońce zachodzi, a temperatura otoczenia spada, mamy do czynienia z procesem odwrotnym. Kiedy dodamy do tego np. dni, gdy w jednej chwili mocno świeci słońce, a po krótkim czasie szybko się ochładza i pada deszcz, okaże się, że wahania objętości są nadspodziewanie duże. Przy schładzaniu dochodzi dodatkowo do zjawiska skroplenia par. Dzieje się tak, gdy rozgrzane opary spotkają się z dużo chłodniejszymi ściankami zbiornika. Jako iż z rozszerzaniem się gazów pod wpływem temperatury mamy często do czynienia, a nagrzewanie ścianek zbiornika pod wpływem słońca odbywa się szybciej niż schładzanie temperaturą otoczenia, większość zakłada, że zbiornik będzie miał większe zapotrzebowanie na odpowietrzenie niż napowietrzenie. Musimy jednak pamiętać, że maksymalne dopuszczalne ciśnienie w zbiorniku bezciśnieniowym to 3,5 kPa, a podciśnienie to tylko –0,25 kPa, czyli dokładnie 14 razy mniej, jeżeli dołożymy do tego zjawisko skraplania, paradoksalnie okaże się, że zapotrzebowanie zbiornika na napowietrzenie jest kilkukrotnie większe niż na odpowietrzenie.
Parametry wymagane od urządzeń napowietrzająco-odpowietrzających ze względu na oddech termiczny oblicza się na podstawie normy lub standardu dotyczących odpowietrzania zbiorników bezciśnieniowych, jakie akceptowane są na obszarze, gdzie usytuowany jest zbiornik.
W Polsce możemy opierać się na amerykańskim standardzie API:2000, który w przeszłości był jedynym dokumentem dotyczącym odpowietrzania zbiorników, lub na europejskiej normie EN ISO28300, czy też jej polskim odpowiedniku PN-EN ISO 28300:2011. Niezależnie jednak, którą normę zastosujemy, zapotrzebowanie zbiornika na napowietrzenie jest zawsze większe niż na odpowietrzenie.
Standard amerykański ma bardzo rozbudowany wzór, uwzględniający wiele danych, przez co obliczenia są pracochłonne i skomplikowane. Standard europejski czerpie wiele z rozwiązania amerykańskiego, jednakże kwestia oddechu termicznego jest tu znacznie uproszczona, a wynik zazwyczaj jest bardziej restrykcyjny. Niemniej należy podkreślić, że obliczenia według standardu europejskiego są obarczone znacznie mniejszym ryzykiem pomyłki i wymagają znacznie mniejszej ilości danych wejściowych. Ponadto ISO jest standardem europejskim tłumaczonym przez PKN na język polski, dzięki czemu nie ma mowy o pomyłkach wynikających z błędnego zrozumienia oryginalnego tekstu.
Jak wynika z obliczeń (zobacz wyżej), wolnostojące zbiorniki o objętości 30 m3, które dość często spotykamy w przemyśle, ze względu na oddech termiczny wymagają napowietrzenia o wydajności 900 l/min. Gdy dodamy do tego prędkość opróżniania zbiornika, często uzyskujemy wartość przekraczającą 1000 l/min. Bazując na standardzie ISO, otrzymujemy wyniki wyższe od tych bazujących na standardzie API o około 20–30%. Nie zmienia to jednak obrazu skali wymaganej przepustowości od urządzenia, która zazwyczaj wielokrotnie przewyższa technologiczny wdech związany z fizycznym opróżnianiem zbiornika.
Niedoceniane jest również izolowanie zbiorników, które w znaczącym stopniu może zredukować parametry podciśnienia wymagane od zaworu oddechowego. W normie ISO 28300 można znaleźć przykład wskazujący, że izolacja o grubości 0,1 m, wykonana z materiału o przewodności cieplnej 0,05 [W/m2∙K] powoduje zredukowanie wymaganej wydajności zaworu 10-krotnie.
Przy doborze zaworów oddechowych warto zatem wziąć pod uwagę wdech termiczny, gdyż może on diametralnie zmienić wymagane parametry pracy zaworu oddechowego. Projektując, modernizując lub po prostu odbierając instalację procesową, warto zwrócić się do wyspecjalizowanych firm projektowych bądź producentów armatury bezpieczeństwa. Przy doborze zaworów oddechowych wezmą oni pod uwagę aspekty, które normalnie użytkownik prawdopodobnie by pominął. Przykładowo przy dużych obiektach ważne jest, by już na etapie projektowania zasięgać opinii służb pożarniczych, gdyż w niektórych obiektach może istnieć konieczność wzięcia pod uwagę nie tylko wdechu i wydechu termicznego, ale również odpowietrzenia awaryjnego w przypadku ognia. Wtedy należy uwzględnić dodatkowe parametry zaworów oddechowych lub zastosować osobne urządzenia w postaci zaworów awaryjnych.
Poprawnie dobrane zawory oddechowe nie tylko zapewniają pozytywny odbiór obiektu przez odpowiednie służby, ale również poprawną pracę systemu, współdziałanie ze sobą jego elementów, a co najważniejsze – bezpieczeństwo, pewność pracy i brak nieprzewidzianych usterek.
Pominięcie pewnych aspektów i w konsekwencji źle dobrane zawory oddechowe mogą doprowadzić do nieodpowiedniego funkcjonowania instalacji, a w ekstremalnych przypadkach do uszkodzenia zbiornika i bardzo kosztownych napraw. Z kolei w przypadku mediów palnych może dojść do skrajnie niebezpiecznych sytuacji. W kontekście tego typu zdarzeń negatywny wynik odbiorów jest najmniejszym zmartwieniem, choć i ten może przysporzyć wielu kosztownych prac, których można by uniknąć, od razu prawidłowo dobierając zawory oddechowe i współdziałające z nimi elementy.