ISO 4126-10:2010
(Main)Safety devices for protection against excessive pressure — Part 10: Sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow
Safety devices for protection against excessive pressure — Part 10: Sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow
ISO 4126-10:2010 specifies the sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow in pressurized systems such as: reactors, storage tanks, columns, heat exchangers, piping systems or transportation tanks/containers.
Dispositifs de sécurité pour protection contre les pressions excessives — Partie 10: Dimensionnement des soupapes de sûreté pour les débits diphasiques gaz/liquide
L'ISO 4126:2010 spécifie le dimensionnement des soupapes de sûreté pour l'écoulement diphasique gaz/liquide montées sur les systèmes sous pression tels que les réacteurs, les réservoirs de stockage, les colonnes, les échangeurs thermiques, les systèmes de tuyauterie, ou les réservoirs/containers de transport.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 4126-10
First edition
2010-10-01
Safety devices for protection against
excessive pressure —
Part 10:
Sizing of safety valves for gas/liquid
two-phase flow
Dispositifs de sécurité pour protection contre les pressions
excessives —
Partie 10: Dimensionnement des soupapes de sûreté pour les débits
diphasiques gaz/liquide
Reference number
©
ISO 2010
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Symbols and abbreviated terms .7
5 Application range of the method .12
5.1 General .12
5.2 Limitations of the method for calculating the two-phase mass flux in safety valves.12
5.3 Limitations of the method for calculating the mass flow rate required to be discharged.13
6 Sizing steps.14
6.1 General outline of sizing steps .14
6.2 Step 1 — Identification of the sizing case.15
6.3 Step 2 — Flow regime at safety valve inlet.16
6.4 Step 3 — Calculation of the flow rate required to be discharged .21
6.5 Step 4 — Calculation of the dischargeable mass flux through a safety valve.28
6.6 Step 5 — Proper operation of safety valves connected to inlet and outlet lines.34
Annex A (informative) Identification of sizing scenarios.38
Annex B (normative) Sizing of a safety valve .39
Bibliography.44
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 4126-10 was prepared by Technical Committee ISO/TC 185, Safety devices for protection against
excessive pressure.
ISO 4126 consists of the following parts, under the general title Safety devices for protection against
excessive pressure:
⎯ Part 1: Safety valves
⎯ Part 2: Bursting disc safety devices
⎯ Part 3: Safety valves and bursting disc safety devices in combination
⎯ Part 4: Pilot-operated safety valves
⎯ Part 5: Controlled safety pressure-relief systems (CSPRS)
⎯ Part 6: Application, selection and installation of bursting disc safety devices
⎯ Part 7: Common data
⎯ Part 9: Application and installation of safety devices excluding stand-alone bursting disc safety devices
⎯ Part 10: Sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow
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Introduction
Well-established recommendations exist for the sizing of safety devices and the connected inlet and outlet
lines for steady-state, single-phase gas/vapour or liquid flow. However, in the case of a two-phase
vapour/liquid flow, the required relieving area to protect a system from overpressure is larger than that
required for single-phase flow when the same vessel condition and heat release are considered. The
requirement for a larger relief area results from the fact that, in two-phase flow, the liquid partially blocks the
relieving area for the vapour flow, by which most of the energy is removed by evaporation from the vessel.
This part of ISO 4126 includes a widely usable engineering tool for the sizing of the most typical safety valves
in fluid services encountered in various industrial fields. It is based on the omega parameter method, which is
extended by a thermodynamic non-equilibrium parameter. Without this extension for considering non-
equilibrium, the proposed method is in accordance with API RP 520. A balance is attempted between the
accuracy of the method and the unavoidable uncertainties in the input and property data under the actual
sizing conditions. There are other sizing methods available, which are referred to in this part of ISO 4126.
In case of two-phase flow, the fluid state and, hence, the mass flow rate required to be discharged are
dependent on the size of the safety valve. Furthermore, the two-phase mass flow rate through a safety valve
essentially depends on the mass flow quality (mass fraction of vapour) of the fluid at the inlet of the valve.
Because these parameters are, in most cases, not readily at hand during the design procedure of a relief
device, this part of ISO 4126 also includes a comprehensive procedure that covers the determination of the
fluid-phase composition at the safety valve inlet. This fluid-phase composition depends on a scenario that
leads to the pressure increase. Therefore, the recommended sizing procedure starts with the definition of the
sizing case and includes a method for the prediction of the mass flow rate required to be discharged and the
resulting mass flow quality at the inlet of the safety valve.
If flow is confirmed to be single-phase up to the narrowest flow cross-section, it is appropriate to use
ISO 4126-1. The equations of ISO 4126-1 are also included in this part of ISO 4126, modified to SI units, to
calculate the flow rates at the limiting conditions of single-phase flow.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 4126-10:2010(E)
Safety devices for protection against excessive pressure —
Part 10:
Sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow
1 Scope
This part of ISO 4126 specifies the sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow in pressurized systems
such as reactors, storage tanks, columns, heat exchangers, piping systems or transportation tanks/containers.
The possible fluid states at the safety valve inlet that can result in two-phase flow are given in Table 1.
NOTE The expression “safety valve” is a synonym for valves as described in ISO 4126-1, ISO 4126-4 and ISO 4126-5.
Table 1 — Possible fluid state at the inlet of the safety valve that can result in two-phase flow
Fluid state at Cases Examples
valve inlet
liquid subcooled (possibly flashing in the safety valve) cold water
saturated boiling water
with dissolved gas CO /water
gas/vapour near saturated vapour (possibly condensing in the safety valve) steam
gas/liquid vapour/liquid steam/water
non-evaporating liquid and non-condensable gas (constant quality) air/water
gas/liquid mixture, when gas is desorbed or produced
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 4126-1, Safety devices for protection against excessive pressure — Part 1: Safety valves
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 4126-1 and the following apply.
3.1
pressurized system
equipment such as reactors, storage tanks, columns, heat exchangers, piping systems and transport
tanks/containers being protected against impermissible pressure accumulation by a safety valve
3.2 Pressure
NOTE 1 See Figures 1 a) and 1 b) for an illustration of the relationship of the pressures defined in 3.2.1 to 3.2.7.
NOTE 2 In contrast to the definition used in other parts of this International Standard, for example ISO 4126-1, all
pressures are absolute pressures and not gauge pressures.
a) Pressure history of a typical tempered reaction system that is adequately sized
Figure 1 — Relationship of the defined pressures (continued)
2 © ISO 2010 – All rights reserved
b) Typical pressure history for an externally heated gas vented system
Key
p maximum allowable accumulated pressure p sizing pressure equal to p as shown in
MAA 0 set
Figure 1 a) and equal to p as shown in
p maximum allowable working absolute pressure over
MAW
Figure 1 b)
p opening pressure
set
p overpressure
over
p reseating pressure
reseat
∆p maximum allowable accumulation
A
p operating pressure
operating
∆p change in overpressure
over
∆p blowdown
BD
Figure 1 — Relationship of the defined pressures
3.2.1
maximum allowable working absolute pressure
p
MAW
maximum pressure permissible at the top of a pressurized system in its operating position for designated
temperature
3.2.2
maximum allowable accumulated pressure
p
MAA
sum of the maximum allowable working pressure and the maximum allowable accumulation
NOTE The maximum allowable accumulation is established by applicable code for operating and fire contingencies.
3.2.3
maximum allowable accumulation
∆p
A
pressure increase over the maximum allowable working pressure of a pressurized system during discharge
through the safety valve
NOTE The maximum allowable accumulation is expressed in pressure units or as a percentage of the maximum
allowable working pressure.
3.2.4
opening pressure
p
set
predetermined absolute pressure at which a safety valve under operating conditions at the latest commences
to open
NOTE 1 The opening pressure is the set pressure defined in ISO 4126-1 expressed as absolute pressure.
NOTE 2 See Figures 1 a) and 1 b) for details.
3.2.5
absolute overpressure
∆p
over
pressure increase over the opening pressure of the safety valve, p
set
NOTE 1 The maximum absolute overpressure is the same as the maximum accumulation, ∆p , when the opening
A
pressure of the safety valve is set at the maximum allowable working pressure of the pressurized system.
NOTE 2 The absolute overpressure is expressed in pressure units or as a percentage of the opening pressure.
3.2.6
overpressure
p
over
maximum pressure in the pressurized system during relief, i.e. pressure less or equal to the maximum
accumulated pressure
3.2.7
sizing pressure
p
pressure at which all property data, especially the compressibility coefficient, ω, are calculated for sizing the
safety valve
NOTE In the case of tempered and hybrid reactive systems, the sizing pressure shall be equal to the opening
pressure. In the case of non-reactive and gassy systems, the designer may choose a higher value for the sizing pr
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 4126-10
Première édition
2010-10-01
Dispositifs de sécurité pour protection
contre les pressions excessives —
Partie 10:
Dimensionnement des soupapes de
sûreté pour les débits diphasiques
gaz/liquide
Safety devices for protection against excessive pressure —
Part 10: Sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow
Numéro de référence
©
ISO 2010
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Publié en Suisse
ii © ISO 2010 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .2
4 Symboles et termes abrégés.8
5 Champ d'application de la méthode.12
5.1 Généralités .12
5.2 Limitations de la méthode de calcul du flux massique diphasique dans les soupapes de
sûreté.12
5.3 Limitations de la méthode de calcul du débit massique qu'il est requis de décharger.14
6 Étapes du dimensionnement .15
6.1 Lignes principales des étapes du dimensionnement.15
6.2 Étape 1 — Identification des contraintes de dimensionnement.16
6.3 Étape 2 — Régime d'écoulement à l'entrée de la soupape de sûreté.17
6.4 Étape 3 — Calcul du débit qu'il est requis de décharger .22
6.5 Étape 4 — Calcul du flux massique déchargeable à travers une soupape de sûreté.29
6.6 Étape 5 — Fonctionnement correct des soupapes de sûreté raccordées aux tuyauteries
d'entrée et de sortie.37
Annexe A (informative) Identification des scénarios de dimensionnement .41
Annexe B (normative) Dimensionnement des soupapes de sûreté .43
Bibliographie.49
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 4126-10 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 185, Dispositifs de sûreté pour la protection
contre les excès de pression.
L'ISO 4126 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Dispositifs de sécurité pour
protection contre les pressions excessives:
⎯ Partie 1: Soupapes de sûreté
⎯ Partie 2: Dispositifs de sûreté à disque de rupture
⎯ Partie 3: Soupapes de sûreté et dispositifs de sûreté à disque de rupture en combinaison
⎯ Partie 4: Soupapes de sûreté pilotées
⎯ Partie 5: Dispositifs de sûreté à décharge contrôlés contre les surpressions (DSDCS)
⎯ Partie 6: Application, sélection et installation des dispositifs de sûreté à disque de rupture
⎯ Partie 7: Données communes
⎯ Partie 9: Application et installation des dispositifs de sûreté autres que les dispositifs à disques de rupture
installés seuls
⎯ Partie 10: Dimensionnement des soupapes de sûreté pour les débits diphasiques gaz/liquide
iv © ISO 2010 – Tous droits réservés
Introduction
Il existe des recommandations bien établies pour définir le dimensionnement des soupapes de sûreté et des
tuyauteries d'évent connectées en entrée et en sortie, relatives à un écoulement monophasique gaz/vapeur
ou liquide, en régime constant. Cependant, dans le cas d'un écoulement diphasique, vapeur/liquide, la section
de décharge requise pour protéger un système contre la surpression est supérieure à celle exigée dans le cas
d'un écoulement monophasique, en considérant un récipient dans les mêmes conditions et avec le même
dégagement de chaleur. L'exigence d'avoir une plus grande section de décharge vient du fait que, dans
l'écoulement diphasique, le liquide bloque partiellement la vapeur s'écoulant par cette dernière, alors que c'est
par cet écoulement de vapeur que la majeure partie de l'énergie est éliminée du récipient par évaporation.
La présente partie de l'ISO 4126 comprend un outil technique, avec un vaste champ d'utilisation, destiné au
dimensionnement des soupapes de sûreté applicable à la plupart des soupapes de sûreté et des fluides les
plus courants rencontrés dans les divers domaines industriels. Il est basé sur la méthode «omega parameter»
étendue par un paramètre de non-équilibre thermodynamique. Sans cette extension visant à considérer le
non-équilibre, la méthode proposée est conforme à l'API RP 520. On tente d'établir un moyen terme entre la
précision de la méthode et les incertitudes inévitables de l'entrée et des données des caractéristiques dans
les conditions de dimensionnement réelles. Il existe d'autres méthodes de dimensionnement disponibles
auxquelles référence est faite dans la présente partie de l'ISO 4126.
En cas d'écoulement diphasique, l'état du fluide et donc le débit massique qu'il est requis de décharger
dépendent de la taille de la soupape de sûreté. En outre, le débit massique diphasique à travers une soupape
de sûreté dépend essentiellement de la qualité de l'écoulement massique (fraction de la masse de vapeur) du
fluide à l'entrée de la soupape. Puisque, dans la plupart des cas, ces paramètres ne sont pas facilement
accessibles pendant la conception d'un dispositif de décharge, la présente partie de l'ISO 4126 inclut donc
également un mode opératoire intégré complet, qui couvre la détermination de la composition de la phase du
fluide à l'entrée de la soupape de sûreté. Cette composition de phase du fluide dépend d'un scénario qui
conduit à l'augmentation de pression. Par conséquent, le mode opératoire de dimensionnement recommandé
commence par la définition du cas de dimensionnement et inclut une méthode destinée à la prévision du débit
massique à décharger et de la qualité résultante de l'écoulement massique à l'entrée de la soupape de sûreté.
S'il est confirmé que l'écoulement est monophasique jusqu'à la section droite d'écoulement la plus étroite, il
est approprié d'utiliser l'ISO 4126-1. Les équations de l'ISO 4126-1 sont également incluses dans la présente
partie de l'ISO 4126 afin de calculer les débits aux conditions limites de l'écoulement monophasique; elles
sont modifiées en fonction des unités SI utilisées.
NORME INTERNATIONALE ISO 4126-10:2010(F)
Dispositifs de sécurité pour protection contre les pressions
excessives —
Partie 10:
Dimensionnement des soupapes de sûreté pour les débits
diphasiques gaz/liquide
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 4126 spécifie le dimensionnement des soupapes de sûreté pour l'écoulement
diphasique gaz/liquide montées sur les systèmes sous pression tels que les réacteurs, les réservoirs de
stockage, les colonnes, les échangeurs thermiques, les systèmes de tuyauterie, ou les réservoirs/containers
de transport. Les états possibles du fluide à l'entrée de la soupape de sûreté qui peuvent entraîner un
écoulement diphasique sont donnés dans le Tableau 1.
NOTE L'expression «soupape de sûreté» renvoie aux soupapes décrites dans l'ISO 4126-1, l'ISO 4126-4 et
l'ISO 4126-5.
Tableau 1 — États possibles du fluide à l'entrée de la soupape de sûreté
pouvant entraîner un écoulement diphasique
États du fluide Cas Exemples
à l'entrée
de la soupape
liquide faiblement sous-refroidi (éventuellement autovaporisation dans la soupape eau froide
de sûreté)
saturé eau bouillante
avec gaz dissous CO /eau
gaz/vapeur vapeur presque saturée (éventuellement condensation dans la soupape de vapeur d'eau
sûreté)
gaz/liquide vapeur/liquide vapeur d'eau/eau
liquide non volatil et gaz non condensable (qualité constante) air/eau
mélange gaz/liquide, lorsque le gaz est désorbé ou produit
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris tous les amendements).
ISO 4126-1, Dispositifs de sécurité pour protection contre les pressions excessives — Partie 1: Soupapes de
sûreté
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 4126-1 ainsi que les
suivants s'appliquent.
3.1
système sous pression
équipement, tel que réacteurs, réservoirs de stockage, colonnes, échangeurs thermiques, systèmes de
tuyauterie et réservoirs/containers de transport, protégé par une soupape de sûreté contre une accumulation
de pression non admissible
3.2 Pression
NOTE 1 Voir Figures 1 a) et 1 b) pour une illustration de la relation entre les pressions définies de 3.2.1 à 3.2.7.
NOTE 2 Contrairement à la définition utilisée dans les autres parties de l'ISO 4126, par exemple l'ISO 4126-1, toutes
les pressions sont exprimées en pression absolue et non pas en pression manométrique.
a) Historique de pression idéalisé d'un système de réaction tempéré typique,
correctement dimensionné
Figure 1 — Relation entre les différentes pressions définies (suite)
2 © ISO 2010 – Tous droits réservés
b) Historique typique de pression d’un système gazeux chauffé extérieurement avec un évent
Légende
p pression accumulée maximale admissible p pression de dimensionnement égale à p
MAA 0 set
comme montré à la Figure 1 a) et égale à p
over
p pression absolue de service maximale admissible
MAW
comme montré à la Figure 1 b)
p pression de début d’ouverture
set
p surpression
over
p pression de fermeture
reseat
∆p accumulation maximale admissible
A
p pression de service
operating
∆p changement en surpression
over
∆p chute de pression
BD
Figure 1 — Relation entre les différentes pressions définies
3.2.1
pression absolue de service maximale admissible
p
MAW
pression maximale acceptable en partie supérieure d’un système sous pression, dans sa position de service,
à une tem
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.