安全弁の選定と設置に関するエキスパートガイド

安全弁は、ボイラー、圧力容器、その他の圧力機器にとって重要な安全部品であり、製造装置の過圧による爆発事故を効果的に防止します。

このように、安全弁は化学プラントで重要な役割を果たしている。

安全弁を包括的に理解するためには、その分類、特性、選択基準、設置要件を検討することが不可欠です。

安全弁の分類と特徴

全体的な構造と負荷メカニズムの違いによる

安全弁は、その全体的な構造と負荷機構により、次の3つのタイプに分類することができる、 スプリングタイプパルスタイプ。

この3つのうち、スプリング式安全弁が最も広く使われている。

1.ヘビーハンマレバー安全弁

ヘビーハンマーレバー式安全弁は、重いハンマーとレバーを使って弁体にかかる力を均衡させることで作動する。

テコの原理を利用し、テコの長さを長くすることで、小さな質量でも大きな力を発生させることができ、重りの位置や質量を変更することで、安全弁の開弁圧を調整することができる。

利点がある：

ヘビーハンマレバー式安全弁はシンプルな構造で、正確な調整が容易です。弁体が上昇しても負荷は大きく増加しません。

高温用途に適しており、かつては特に高温を必要とするボイラーや圧力容器に広く使用されていた。

デメリット

しかし、重いハンマーレバー式安全弁は構造がかさばり、負荷機構が振動しやすく、漏れが発生しやすい。

さらに、再封圧が低いため、開封後にしっかりと閉じるのが難しい。

2.スプリング式安全弁

スプリング式安全弁は、圧縮スプリングの力を利用して弁体にかかる力のバランスをとる。

調整ナットを回すことでスプリングの圧縮を調整することができ、安全弁の開弁（設定）圧力を必要に応じて変更することができます。

利点がある：

スプリング式安全弁は、軽量・コンパクトな構造で、高感度、どの位置にも設置でき、振動に強い。移動式圧力容器に最適です。

デメリット

つまり、弁体が上昇するとスプリングの圧縮が大きくなり、弁体にかかる力も大きくなります。これは安全弁の急速な開弁に影響を与える可能性があります。

さらに、高温に長時間さらされるとスプリングの弾力性が低下するため、高温のコンテナに使用する場合は断熱や放熱を考慮する必要がある。そのため、構造がより複雑になる。

3.パルス安全弁

パルス式安全弁は、主弁と補助弁で構成され、補助弁のパルス作用を利用して主弁を駆動する。

その構造は複雑で、通常、大きな安全排出容量を必要とするボイラーや圧力容器にのみ適している。

媒体排出モードに基づく分類：

安全弁は、媒体の排出様式に基づき、全閉、半閉、開の3種類に分類される。

1.全閉安全弁

完全に密閉された安全弁は、すべてのガスを排気管を通して排出し、作動時に媒体が外部に漏れるのを防ぐ。

このタイプの安全弁は、主に有毒ガスや可燃性ガスを含む容器に使用される。

2.半閉鎖安全弁

半閉鎖式安全弁では、排出されたガスの一部は排気管を通り、残りの一部はバルブカバーとバルブステムの隙間から漏れる。

このタイプの安全弁は、環境に害を与えないガスを含む容器に主に使用される。

3.安全バルブを開く

開放型安全弁は、スプリング室を大気と連通させる開放型のバルブカバーを備えており、スプリングの温度を下げやすくしている。

このタイプの安全弁は、主に蒸気を媒体とする容器や、大気に害を与えない高温ガスを含む容器に使用される。

流路に対する弁体の最大開口高さの比によると、次のようになる。

安全弁は、安全弁の流路径に対する弁体の最大開口高さの比によって、主に微開安全弁と全開安全弁に分けられる。

1.マイクロリフト安全弁

マイクロオープン安全弁の開口高さは流路径の1/4以下であり、通常は流路径の1/40から1/20である。

このタイプの安全弁は比例動作で作動し、主に液体用途で使用され、時には排出量の少ないガス用途でも使用されます。

2.フルリフト安全弁

全開安全弁の開口高さは、流路径の1/4以上である。

全開安全弁の吐出面積は、弁座スロートの最小断面積に等しい。

このタイプの安全弁は2段作動で、全開するには昇降機構が必要です。主にガス媒体用途で使用されます。

行動原理によれば

安全弁はまた、作用原理に基づいて直接作用安全弁と間接作用安全弁に分類することができる。

1.直動式安全弁

直動式安全弁は、作動媒体の直接作用によって作動します。つまり、作動媒体の圧力は、弁体にかかる負荷機構による機械的負荷に打ち勝って弁を開きます。

このタイプの安全弁は構造が簡単で、高い信頼性で素早く作動する。しかし、構造上の制約から高圧・大口径には不向きである。

2.非直動式安全弁

直動式安全弁はさらに、パイロット安全弁と動力補助装置付き安全弁の2種類に分けられる。

安全弁の選択方法

安全弁の各種パラメータの決定：

1. 安全弁の公称圧力を決定する：

バルブの材質、使用温度、最大使用圧力に基づいて公称圧力を選択します。

2. 安全弁の作動圧力レベルを決定する：

使用圧力レベルは、圧力容器の設計圧力と設計温度に基づいて選択されるべきである。

安全弁の作動圧力は、スプリングの作動圧力とは異なる意味を持っていることに注意することが重要です。

安全弁の作動圧力とは、通常運転時の弁前面の静圧のことで、保護されるシステムまたは機器の作動圧力に相当する。

これに対し、スプリングの使用圧力レベルとは、スプリングの許容圧力範囲を指す。

この範囲内であれば、スプリングの予圧を変えることで安全弁の開弁圧（設定圧）を調整することができます。

同じ公称圧力の安全弁でも、スプリングの設計要件によって使用圧力レベルが異なる場合があります。

安全弁を選択する際には、必要な開弁圧力値に基づいて作動圧力レベルを決定することが極めて重要です。

3. 安全弁の吐出圧力（PD）を決定する：

安全弁の吐出圧力は通常、設定圧力（開弁圧力）の1.1倍であり、蒸気ボイラー安全弁の吐出圧力は設定圧力の1.03倍である。

4. 安全弁のサイズを決める：

安全弁の吐出量は必要吐出量に基づいて決定し、安全弁の吐出量は必要吐出量以上とする。

保護システムの必要排出量とは、システムに異常な過圧が発生した場合に、過圧を防止するために排出しなければならない量を指す。

この値は、システムまたは機器の作業条件、容量、潜在的な過圧によって決定される。

5. を決定する。 材料選択:

安全弁の材料は、媒体の使用温度と圧力、媒体の特性、材料の実現可能性と費用対効果を考慮する必要がある。

安全弁の特殊構造の決定

開弁圧力が 3 Mpa を超える蒸気、または媒体温度が 320 ℃を超えるガスの場合は、放熱器（フィン）付きの安全弁を選択する必要があります。

追加背圧を受ける安全弁の場合、背圧の変化が設定圧力の 10% を超える場合は、ベローズ形安全弁を選定する必要があります。また、腐食性媒体を扱う安全弁では、媒体によるスプリングやガイド機構の腐食を防止するため、ベローズ式安全弁を選定する必要があります。

可燃性、高毒性、または極めて危険な媒体には、必ず閉鎖式安全弁を使用してください。昇降機構付き安全弁が必要な場合は、スパナ付き閉鎖式安全弁を使用してください。

60 ℃以上の空気、温水、蒸気などの非危険媒体には、スパナ付安全弁を採用する。

液化タンク（タンクローリー）は、安全弁を内蔵すること。

吐出容量が大きい場合は、全開タイプを選定してください。使用圧力が安定し、吐出容量が小さい場合は、マイクロスタートタイプを選定してください。高圧で吐出容量が大きい場合は、パルス安全弁などの間接始動タイプを選定してください。長さ6m以上の容器は、安全弁を2個以上設置する。

使用圧力が低い固定容器には、静止重錘型（プレッシャークッカー）またはレバーウエイト型安全弁が使用できます。移動設備の場合 春 タイプの安全弁を採用すべきである。

媒体が濃く、ブロッキングを起こしやすい場合は、安全弁とバーストディスクを組み合わせた直列型リリーフ装置を選択する必要があります。

安全弁の設置位置と要件

1.設置位置

安全弁は垂直に上向きに取り付けてください。

設置位置は、保護される機器やパイプラインにできるだけ近づける。

安全弁は、メンテナンスや調整が容易な場所に、十分なスペースをとって設置してください。

圧力容器の安全弁は、圧力容器の液面より上の気相空間またはパイプライン上に設置し、接続点は圧力容器の気相空間に設置する。

可燃性、毒性、または粘性のある媒体を含む容器や機器には、安全弁の前にストップバルブを取り付けることができます。ただし、ストップバルブの流路面積は安全弁の最小流路面積以下であってはならず、ストップバルブが全開で常開であることを保証するためにリードシールを取り付ける必要があります。

バルブの自重の影響を軽減し、応力疲労や吐出振動疲労を避けるため、安全弁は停止弁と逆に設置する。

安全弁が閉塞したり、材料により腐食するおそれがある場合は、安全弁の入口の前に破裂板を設置し、安全弁と破裂板の間に点検弁を設置し、安全弁の入口配管にバックパージ、ヒートトレース、保温等の閉塞防止措置を講じること。

配管に設置する安全弁は、流体圧力が比較的安定し、変動源から一定距離離れた場所に設置する。水平配管の死角には設置しない。

液体を媒体とするパイプライン、熱交換器、圧力容器の場合、バルブが閉じていると熱膨張により圧力が高くなることがあります。このため、安全弁を水平に設置し、液体を直接下方に排出することができます。

空気緊急排出の場合、静電気放電を防ぐため、パイプオリフィスは平らで鋭利でなく、バリがないこと。

安全弁の設置位置は、過大な背圧がかからないようにし、規定の許容範囲内とする。安全弁の弁体を安定に支持すること。

極めて危険な、あるいは可燃性、爆発性の媒体が入った容器の場合、安全弁の出口を安全な場所に導き、適切に取り扱わなければならない。

つ以上の安全弁が排出管を共有する場合、排出管の断面積はすべての安全弁の排出口の断面積の和を下回ってはならない。ただし、酸素または可燃性ガスと、互いに化学反応を起こしうる2種類のガスとは、排出管を共用することはできない。

2.設置条件

腐食性媒体の場合、安全弁は破裂ディスクと組み合わせて設置する必要があります。

毒性の強い媒体には、密閉性の高い安全弁を選定する。

高温媒体の場合、高温がバネに大きな影響を与える可能性があるため、バネ式安全弁は避けるべきである。

重要な安全弁や火災に弱い安全弁には、噴霧保護システムを設置する。

球形タンクの安全弁は二重安全弁とし、一重安全弁の圧力逃がし容量は球形タンクの安全圧力逃がし要件を満たすものでなければならない。

安全弁は静電ジャンパーを装備してください。

安全弁が開閉を繰り返し、フラッターを起こし、弁を損傷するのを防ぐために、安全弁の入口配管の圧力損失を減少させる必要があります。このためには、入口配管の口径を大きくし、入口配管部分を短くすることが有効です。