Sicherheitsventil-Auslegung (API 520 / API 526)
Legen Sie ein Sicherheitsventil für Gas-, Dampf- oder Flüssigkeitsdienst nach API 520 Teil I (10. Ausgabe) aus. Der Rechner liefert den erforderlichen wirksamen Ausblasequerschnitt, wählt den nächstgrößeren API-526-Kennbuchstaben und berücksichtigt Gegendruck- (Kb/Kw), Viskositäts- (Kv), Überhitzungs- (KSH) und Berstscheibenkorrektur (Kc).
Sicherheitsventil für Gas- oder Dampfphasendienst auslegen. Kritische (blockierte) Strömung wird automatisch erkannt; unterkritische Fälle verwenden die F2-Methode. Der Realgasfaktor Z wird für das gewählte Gas nach Peng-Robinson berechnet.
Fremdgegendruck = Druck am Ventilaustritt vor dem Öffnen (ein Niveau, Überdruck oder absolut je nach Einheit); Eigengegendruck = der vom Abblasestrom selbst erzeugte Anstieg (eine Differenz, daher ohne Überdruck/absolut-Basis). Die Summe ist der Gesamtgegendruck für Kb/Kw und den Strömungszustand. Schwankt der Fremdgegendruck im Betrieb, ist die Schwankung für die 10-%-Regel wie Eigengegendruck zu behandeln.
Nahezu ideales Gas — Z = 1 angenommen.
Abblasedruck P1 = 1.201,3 kPa (absolut) · Ansprechdruck 1.000 kPa(g) · Gegendruck = 0 % vom Ansprechdruck
Gewählter Querschnitt: 506.5 mm² (0.785 in²)
Strömungszustand: kritisch (blockiert) — der Gegendruck beeinflusst die Kapazität nicht.
C = 0.0270 · Kd = 0.975 · Kb = 1.000 · Kc = 1
Die Auslegung bestimmt den Ausblasequerschnitt, den ein Sicherheitsventil braucht, um den erforderlichen Massenstrom beim Abblasedruck abzuführen. Die Methode stammt aus API 520 Teil I; die genormten Querschnitte aus API 526. Die Auslegung ist der dritte von vier Schritten: Überdruckszenarien identifizieren (API 521), maßgebenden Massenstrom bestimmen, Querschnitt berechnen, nächstgrößeren Normquerschnitt wählen.
Ansprechdruck, Drucksteigerung und Abblasedruck
Das Ventil wird beim Abblasedruck P1 ausgelegt — Ansprechdruck plus zulässige Drucksteigerung, absolut ausgedrückt. ASME Section VIII erlaubt 10 % für ein Einzelventil (kein Brandfall), 16 % für mehrere Ventile und 21 % für den äußeren Brandfall; die Auswahl oben wendet den passenden Faktor an.
Gas- und Dampfphasendienst
Für kritische (blockierte) Strömung — der Normalfall, sobald der Gegendruck unter etwa der Hälfte des Abblasedrucks liegt — gilt in SI-Einheiten:
- — erforderlicher wirksamer Querschnitt (mm²)
- — erforderlicher Massenstrom (kg/h)
- — Koeffizient aus dem Isentropenexponenten k (≈ 0,027 für Luft)
- — Abblasedruck (kPa absolut)
- — Temperatur (K), Realgasfaktor und molare Masse
Liegt der Gegendruck über dem kritischen Druckverhältnis, ist die Strömung unterkritisch und die F2-Methode greift — der Rechner schaltet automatisch um. Bei Faltenbalgventilen wird stattdessen die Gegendruckkorrektur Kb nach API 520 Bild 30 verwendet, bis 50 % Gegendruck.
Wasserdampf
Die Dampfauslegung verwendet die Napier-Gleichung mit zwei Korrekturen: KN für Ansprechdrücke über etwa 10,3 MPa und die Überhitzungskorrektur KSH, interpoliert aus der API-520-Tabelle (Sattdampf hat KSH = 1).
Flüssigkeitsdienst
Für Flüssigkeitsdienst mit zertifiziertem Ventil gilt in SI-Form:
- — erforderlicher Volumenstrom (L/min)
- — relative Dichte bezogen auf Wasser
- — Ausflusskoeffizient (0,65), Gegendruckkorrektur (Faltenbalgventile) und Viskositätskorrektur über die Reynolds-Zahl
- — Abblasedruck minus Gesamtgegendruck (kPa)
Genormte Querschnitte nach API 526
Man kauft keinen Querschnitt mit exakt dem berechneten Wert: API 526 normt vierzehn Kennbuchstaben von D (71 mm²) bis T (16.774 mm²); gewählt wird der nächstgrößere. Widerstehen Sie der Versuchung, mehrere Buchstaben Reserve einzuplanen — ein überdimensioniertes Sicherheitsventil öffnet, bläst mehr ab als das System nachliefert, schlägt zu und wiederholt das Spiel. Dieses Flattern zerstört Sitze.
Wirksame vs. zertifizierte Werte
Dieser Rechner verwendet die wirksamen Ausflusskoeffizienten nach API 520 (0,975 Gas/Dampf, 0,65 Flüssigkeit) mit den wirksamen Querschnitten nach API 526 — das System der Vorauslegung. Die Endkontrolle muss den tatsächlichen Querschnitt des Herstellers mit dessen zertifiziertem Ausflusskoeffizienten kombinieren. Niemals Querschnitt des einen Systems mit Koeffizient des anderen mischen.
Was dieser Rechner nicht kann
Zweiphasen- und Flash-Entlastung ist ein Spezialgebiet nach API 520 Anhang C und der DIERS-Methodik — keine der einphasigen Gleichungen hier darf darauf extrapoliert werden. Auch die Szenarienbestimmung (Brandfall, blockierter Abfluss, Rohrreißer …) und die Massenstromermittlung nach API 521 liegen vor diesem Tool.
Die zwei Rohrleitungsprüfungen, die das Ventil funktionieren lassen
Ein korrekt ausgelegtes Ventil wird regelmäßig durch seine Verrohrung ruiniert. API 520 Teil II begrenzt den nicht rückgewinnbaren Druckverlust der Zuleitung auf 3 % des Ansprechdrucks beim Nennmassenstrom — mehr, und das Ventil flattert. Und der Abblasestrom erzeugt Eigengegendruck in der Ausblaseleitung: über 10 % des Ansprechdrucks verliert ein konventionelles Ventil Kapazität und Stabilität — das erzwingt den Wechsel zum Faltenbalgventil.
Beides sind gewöhnliche kompressible Druckverlustberechnungen an Zuleitung und Ausblaseleitung — genau das, was ein Rohrnetz-Simulator beantwortet.
Den vollständigen Leitfaden — Begriffe, Zertifizierungen (ASME-V/UV-Stempel, DGRL Kategorie IV) und sicheres Ausblasen — finden Sie unter Safety Valve vs Relief Valve: Sizing & Certification Guide (englisch).
Verwandte Rechner & Referenzen
Die vierzehn genormten Kennbuchstaben der API 526. Die Flächen sind die wirksamen API-Querschnitte der Vorauslegung.
| Kennbuchstabe | Querschnitt (mm²) | Querschnitt (in²) |
|---|---|---|
| D | 71 | 0.110 |
| E | 126,5 | 0.196 |
| F | 198,1 | 0.307 |
| G | 324,5 | 0.503 |
| H | 506,5 | 0.785 |
| J | 830,3 | 1.29 |
| K | 1.185,8 | 1.84 |
| L | 1.840,6 | 2.85 |
| M | 2.322,6 | 3.60 |
| N | 2.800 | 4.34 |
| P | 4.116,1 | 6.38 |
| Q | 7.129 | 11.1 |
| R | 10.322,6 | 16.0 |
| T | 16.774,2 | 26.0 |
- Erforderlicher Abblasemassenstrom. Der Durchfluss, den das Ventil im maßgebenden Szenario abführen muss — ein Massenstrom bei Gas und Dampf, ein Volumenstrom bei Flüssigkeit. Er ist eine Eingabe: die Szenarioanalyse (blockierter Abfluss, Außenbrand, Regelventilausfall, thermische Ausdehnung, …), die ihn liefert, ist Arbeit nach API 521 und wird hier nicht durchgeführt.
- Ansprechdruck und Abblasedruck P1. Der Ansprechdruck ist der Typenschildwert, bei dem das Ventil zu öffnen beginnt (Überdruck). Abblasedruck P1 = Ansprechdruck (Überdruck) × (1 + Überdruck) + Atmosphärendruck, absolut — der Druck, mit dem die Auslegungsgleichungen rechnen. Beide Angaben sind möglich; die Zusammenfassungszeile zeigt beide.
- Zulässiger Überdruck. 10 % für ein Einzelventil an einem ASME-VIII-Behälter, 16 % bei mehreren Ventilen, 21 % im Außenbrandfall. Er erhöht P1 und bestimmt bei Balgventilen, welche Kb-Kurve gilt.
- Gegendruck. Aufgeprägter (am Austritt vorhanden, bevor das Ventil öffnet) plus aufgebauter (durch den Abblasestrom selbst erzeugter) Gegendruck. Die Summe ist der Gesamtgegendruck P2, der zwischen kritischer und unterkritischer Strömung entscheidet und bei Balgventilen die Kb/Kw-Korrektur bestimmt. API 520 und die meisten Hersteller begrenzen den aufgebauten Gegendruck an einem konventionellen Ventil auf etwa 10 % des Ansprechdrucks.
- Ventiltyp. Konventionelle und pilotgesteuerte Ventile werden ohne Gegendruckfaktor ausgelegt (der Gegendruck eines konventionellen Ventils muss stattdessen innerhalb seiner Grenze bleiben). Ein Balgventil nutzt die Gleichung für kritische Strömung mit Kb (Gas) bzw. Kw (Flüssigkeit) bis 50 % Gegendruck (Überdruck); darüber endet die Korrelation und der Ventiltyp muss wechseln.
- Ausflusskoeffizient Kd und Kc. Die effektiven Koeffizienten nach API 520 für die Vorauslegung: 0,975 für Gas und Dampf, 0,65 für Flüssigkeit an einem zertifizierten Ventil, gepaart mit den effektiven Flächen nach API 526. Kc = 0,9 bei vorgeschalteter Berstscheibe ohne zertifizierte Kombination, sonst 1.
- Gaseigenschaften. Molare Masse M, Isentropenexponent k = Cp/Cv und Realgasfaktor Z bei Abblasebedingungen — Peng-Robinson für ein voreingestelltes Gas mit kritischen Daten, sonst der eingegebene Wert (1 für ein nahezu ideales Gas). Für Dampf nutzt der Reiter die Napier-Gleichung mit KN oberhalb 10,3 MPa und dem Überhitzungsfaktor KSH aus der API-520-Tabelle.
- Flüssigkeitseigenschaften. Spezifisches Gewicht G bezogen auf Wasser und dynamische Viskosität. Oberhalb weniger Centipoise fällt die Viskositätskorrektur Kv unter 1; sie hängt von der Reynolds-Zahl an der gewählten Öffnung ab, daher legt der Rechner mit Kv = 1 aus, wählt die Öffnung, wertet Re dort aus und geht eine Größe höher, wenn die korrigierte Fläche nicht mehr passt.
- Korrekturfaktoren. C — der Koeffizient für kritische Strömung aus k; F2 — der Koeffizient für unterkritische Strömung aus k und P2/P1; Kb / Kw — Gegendruckkorrekturen für Balgventile bei Gas / Flüssigkeit; Kv — die Viskositätskorrektur für Flüssigkeit aus der Reynolds-Zahl; KN / KSH — Napier-Hochdruck- und Überhitzungskorrektur für Dampf; Kc — der Kombinationsfaktor für Berstscheiben. Die Konstanten 0,03948, 17,9 und 190,5 in den Gleichungen sind die einheitenkonsistenten SI-Konstanten der API 520 für W in kg/h, P in kPa und A in mm².
- Ergebnisse. Die erforderliche effektive Ausflussfläche, der nächstgrößere API-526-Buchstabe (D bis T) mit seiner effektiven Fläche und der Kapazitätsreserve, das Strömungsregime und die verwendeten Faktoren (C, Kd, Kb, Kc; KN, KSH; Kw, Kv, Re).
Das erste Auslegungsbeispiel der Norm, mit den obigen Gleichungen gerechnet: Abblasen von 24.270 kg/h Kohlenwasserstoffdampf bei einem Abblasedruck von 670 kPa (absolut) und 348 K, M = 51, k = 1,11, Z = 0,90, Abströmung in die Atmosphäre über ein konventionelles Ventil (Kd = 0,975, Kb = Kc = 1).
- Strömungsregime: Gegendruck zu Abblasedruck P2/P1 = 101,3/670 = 0.151; das kritische Druckverhältnis (2/(k+1))^(k/(k−1)) = 0.583. P2/P1 ist kleiner als das kritische Verhältnis, die Strömung ist also kritisch und der Gegendruck geht nicht in die Fläche ein.
- Koeffizient C = 0,03948 · √(k · (2/(k+1))^((k+1)/(k−1))) = 0.02489 (SI-Form: W in kg/h, P1 in kPa, A in mm²).
- Erforderliche Fläche A = W / (C · Kd · P1 · Kb · Kc) · √(T·Z/M) = 24.270 / (0.02489 × 0,975 × 670) · √(348 × 0,90 / 51) = 3.699 mm². Die Norm druckt 3.698 mm² — ihre Zwischenkoeffizienten sind gerundet.
- Öffnung: die nächstgrößere effektive Fläche nach API 526 ist die Öffnung P, 4.116 mm², eine Kapazitätsreserve von 11.3 %.
- Beispiel 2, unterkritisch: dasselbe Abblasen gegen 532 kPa (absolut) Gegendruck. P2/P1 = 0.794 überschreitet 0.583, also gilt das F2-Verfahren: F2 = 0.8548, A = 17,9 · W / (F2 · Kd · Kc) · √(T·Z / (M · P1 · (P1 − P2))) = 4.248 mm² (Norm: 4.248).
- Beispiel 4, überhitzter Dampf: 69.615 kg/h bei 707 K (813 °F) und 12.236 kPa (absolut). Napier mit dem Hochdruckfaktor KN = 1.0115 und dem Überhitzungsfaktor KSH = 0.855: A = 190,5 · W / (P1 · Kd · Kb · Kc · KN · KSH) = 1.285 mm² (Norm: 1.285).
- Beispiel 5, Flüssigkeit an einem Balgventil: 1.800 US gpm Rohöl, G = 0,90, Ansprechdruck 250 psig bei 10 % Überdruck, 50 psig Gegendruck (ΔP = 1.551 kPa). Der Gegendruck beträgt 20 % des Ansprechdrucks, also Kw = 0.9724 aus der API-520-Kurve (die Norm liest ≈ 0,97 aus dem Diagramm ab); Kd = 0,65. Erster Durchgang mit Kv = 1: A = 3.059 mm² (Norm: 3.066 — ein Rundungsrest von 0,2 %). Die Norm prüft anschließend die Viskositätskorrektur an der gewählten Öffnung, wie es der Flüssigkeits-Reiter automatisch tut.
Regressionsübersicht — die gedruckten Antworten der Norm gegenüber diesem Rechner, bei jedem Seitenaufruf neu berechnet:
| Rechenbeispiel API 520 Teil I (10. Ausg.) | Antwort der Norm | Dieser Rechner |
|---|---|---|
| Beispiel 1 — Gas, kritische Strömung | 3.698 mm² | 3.699 mm² |
| Beispiel 2 — Gas, unterkritische Strömung (F2) | 4.248 mm² | 4.248 mm² |
| Beispiel 4 — überhitzter Dampf (KN, KSH) | 1.285 mm² | 1.285 mm² |
| Beispiel 5 — Flüssigkeit, Balgventil (Kw) | 3.066 mm² | 3.059 mm² |
Kleine Abweichungen stammen aus der Zwischenrundung der Norm selbst (sie rechnet mit gerundeten Koeffizienten und Einheitenumrechnungen); die Auslegungsfunktionen sind zudem Term für Term gegen die API-520-Implementierung der Open-Source-Bibliothek fluids verifiziert.
Diese Zahlen werden von denselben Funktionen berechnet, die die Reiter oben ausführen. Beispiel 1 im Reiter Gas / Dampf nachrechnen: 24.270 kg/h und 348 mit der Einheit K eingeben; das Druckfeld auf Abblasedruck (P1) umschalten, kPa(a) wählen und 670 bei 10 % Überdruck eingeben; beide Gegendruckfelder auf ihren atmosphärischen Vorgaben lassen; ein benutzerdefiniertes Gas mit M = 51, k = 1,11, Z = 0,90 wählen.
- Vorauslegung nach API 520 Teil I mit den effektiven Ausflusskoeffizienten (Kd 0,975 Gas/Dampf, 0,65 Flüssigkeit) und den effektiven Öffnungsflächen nach API 526. Die endgültige Auswahl paart die tatsächliche Öffnungsfläche des Herstellers mit dessen zertifiziertem Koeffizienten und wird vom verantwortlichen Ingenieur gegen das geltende Regelwerk (ASME VIII, DGRL / EN ISO 4126) geprüft.
- Nur einphasige Strömung — Gas oder Dampf, trockener oder überhitzter Wasserdampf, oder Flüssigkeit. Zweiphasen- und Flash-Abblasen (API 520 Anhang C, DIERS-Omega-Methode) ist bewusst nicht implementiert; eine ausdampfende Flüssigkeit oder ein Dampf-Flüssigkeits-Gemisch am Eintritt braucht diese Analyse.
- Gas: Koeffizient C für kritische Strömung aus k mit Realgasfaktor Z bei Abblasebedingungen. Unterkritische Strömung nutzt das F2-Verfahren für konventionelle und pilotgesteuerte Ventile; ein Balgventil wird mit der kritischen Gleichung und Kb ausgelegt, gültig bis 50 % Gegendruck (Überdruck).
- Dampf: Napier-Gleichung mit KN für P1 über 10,3 MPa und KSH aus der Überhitzungstabelle der API 520, gültig bis 649 °C und 22,06 MPa; außerhalb der Tabelle gilt das Gasverfahren.
- Flüssigkeit: Verfahren für zertifizierte Ventile mit Kw für Balgventile und der Reynolds-Viskositätskorrektur Kv an der gewählten Öffnung. Nicht zertifizierte Flüssigkeitsventile (ASME-Kapazität) folgen einem anderen Verfahren, das hier nicht angeboten wird.
- Der Abblasemassenstrom ist eine Eingabe. Szenariodefinition und Lastberechnung — Brand, blockierter Abfluss, Regelventilausfall, thermische Ausdehnung, Rohrreißer — folgen API 521 und werden auf dieser Seite nicht durchgeführt.
- Die Installation wird nicht geprüft: die 3-%-Eintrittsverlustregel, die Grenze des aufgebauten Gegendrucks und die Reaktionskraft der Austrittsleitung sind Prüfungen nach API 520 Teil II an der Verrohrung um das Ventil.
Diese Rohrleitungsprüfungen beantwortet ein Netzwerk-Solver — Eintritts- und Abblaseleitung lassen sich in der SimuPipe-Sandbox modellieren, um Eintrittsverlust und aufgebauten Gegendruck beim Abblasestrom abzulesen. Der vollständige Gleichungssatz steht in der Berechnungsmethodik.
Normen und Quellen hinter dieser Seite:
- API Standard 520, Part I (2020). Sizing, Selection, and Installation of Pressure-relieving Devices — Part I: Sizing and Selection, 10th ed., American Petroleum Institute — die Auslegungsgleichungen, C, F2, Kb, Kw, Kv, KN und KSH sowie die obigen Rechenbeispiele.
- API Standard 520, Part II (2020). Part II: Installation, 7th ed. — die Installationsregeln zu Eintrittsverlust und Gegendruck.
- API Standard 526 (2017). Flanged Steel Pressure-relief Valves, 7th ed. — die Standardöffnungen D–T und ihre effektiven Flächen.
- API Standard 521 (2020). Pressure-relieving and Depressuring Systems, 7th ed. — Definition der Abblaseszenarien und Lastberechnung.
- ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1, UG-125 to UG-140 — die zulässigen Überdrücke (10 / 16 / 21 %) und die Zertifizierungsgrundlage.
- ISO 4126-1:2013. Safety devices for protection against excessive pressure — Part 1: Safety valves — die europäische Sicherheitsventilnorm für DGRL-Anlagen.
- Bell, C. et al. fluids: Fluid dynamics component of Chemical Engineering Design Library (ChEDL). github.com/CalebBell/fluids — Open-Source-Implementierung der API 520, gegen die die Auslegungsfunktionen verifiziert sind.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Sicherheitsventil und Überströmventil?
Was ist der Abblasedruck und wie unterscheidet er sich vom Ansprechdruck?
Was sind die API-526-Kennbuchstaben?
Warum darf ein Sicherheitsventil nicht überdimensioniert werden?
Welche Gegendruckgrenze gilt für ein konventionelles Sicherheitsventil?
Wann brauche ich ein Faltenbalg-Sicherheitsventil?
Was ist Kd und warum 0,975 für Gas, aber 0,65 für Flüssigkeit?
Kann dieser Rechner Zweiphasen- oder Flash-Entlastung auslegen?
Ersetzt dieser Rechner die zertifizierte Herstellerauslegung?
Prüfen Sie die Verrohrung um Ihr Sicherheitsventil
Die 3-%-Zuleitungsregel und der Eigengegendruck sind kompressible Druckverlustberechnungen — modellieren Sie Zuleitung, Ausblaseleitung oder einen ganzen Sammler in SimuPipes visuellem Simulator.