PSV 設定壓力是壓力安全閥校正後開始開啟時的入口壓力,而設計壓力則是作為計算容器壁厚與結構額定值的依據——在一般服務中的基本原則是,PSV 設定壓力必須設定在容器設計壓力(含最大允許工作壓力 MAWP)以下,這樣設備在安全閥開啟前才不會被要求在其額定強度之上運作。實務上這代表製程工程師在選型安全閥時,會從設計壓力出發,往下經過 MAWP,再將 PSV 設定在該數值之下,並預留明確的安全裕度。

psv set pressure vs design pressure
PSV 設定壓力與設計壓力:單位轉換

PSV 設定壓力與設計壓力:它們的意義

這兩個術語描述的是壓力容器生命週期中不同階段的壓力,而混淆它們正是安全閥選型錯誤最常見的原因之一。

設計壓力是機械工程師用來計算容器所需壁厚、封頭厚度與補強的壓力。它在設計階段選定,通常設定略高於預期最高操作壓力,讓容器本身具備結構裕度。設計壓力以專案使用的單位表示——歐洲與多數 EPC 專案使用 bar,北美現場製造設備使用 psi,較舊的亞洲規格書則使用 MPa 或 kgf/cm²。

MAWP(最大允許工作壓力)是容器被允許操作的最高壓力,由設計壓力與相關規範(ASME Section VIII、EN 13445、GB 150 等)推導得出。MAWP 會標示於容器銘牌上,是正常操作的上限。

PSV 設定壓力是壓力安全閥開始開啟時的入口壓力,亦即彈簧預載使閥盤開始離開閥座的壓力。低於此壓力時閥保持關閉;達到或超過此壓力時閥便開啟並開始洩壓。設定壓力於 PSV 試驗檯校驗時設定,並於現場以測試設備驗證。

設計壓力、MAWP 與 PSV 設定壓力這三個數值都應出現於受保護容器的資料表中,通常 PSV 設定壓力會低於另外兩個。

設定壓力如何相對於設計壓力選擇

這些數值之間的關係由規範決定,並非僅憑判斷。對大多數一般(非火災)服務而言,相關限制來自 ASME Section VIII,多數國家與國際壓力容器規範皆與之對應:

  • 90% 規則(一般 PSV)。對於保護單一容器的一般 PSV,設定壓力不得超過 MAWP 的 90%。此規定保留 10% 的壓力空間,用於同系統其他安全裝置的累計壓力及洩壓期間的一般過壓。
  • 多 PSV 的 96%/97% 規則。當同一容器裝設兩個以上 PSV 時,各 PSV 的設定壓力可提高,但其總洩放量仍必須在規範允許之超壓範圍內(一般火災情境為 MAWP 的 116%,非火災情境為 110%)洩放火災或阻塞出口情境所需量。
  • 火災情境洩壓。當洩放情境為外部火災時,設定壓力可調高——最高可達 MAWP 的 95%,這是業界常用的數字——因為火災洩壓時允許的超壓也較高。
  • 設定壓力必須低於設計壓力。由於 MAWP 本身係由設計壓力推導(多數規範中 MAWP ≤ 設計壓力),只要遵循 90% 規則,PSV 設定壓力必然低於設計壓力。

簡而言之:設計壓力位於堆疊最頂端,MAWP 緊接其下,PSV 設定壓力則在 MAWP 之下,保有規範規定的裕度。設定在設計壓力以上的安全閥,依定義而言,是在保護它無法挽救的設備。

為何單位轉換是 PSV 選型的常見陷阱

機械規範與單位無關——它接受任何一致的單位系統——但現實世界的設備並非如此。歐洲壓力容器製造商可能在資料表上以 bar 表示設計壓力;美國閥門供應商可能以 psi 表示 PSV 設定壓力;中國產地的壓縮機套件可能使用 MPa;較舊的煉油廠銘牌可能仍使用 kgf/cm²。同一個數字——100 bar、1450 psi、10 MPa、1019.7 kgf/cm²——必須在整個套件中達成一致後,才能進行 PSV 選型。

錯誤往往在此發生。PSV 設定壓力寫成「150」而設計壓力寫成「10」,看似逼近 MAWP 上限,但若一者單位為 psi、另一者為 bar,實際比值約為 1.034 而非 15。反之,150 psi 的設定壓力對上 10 bar 的設計壓力,看似有 67% 的裕度,但換算為相同單位時,10 bar = 145.038 psi,設定壓力 150 psi 反比設計壓力高出約 3.4%,已明顯超出規範。

只要謹慎進行,轉換其實很單純。1 bar = 14.5038 psi = 100 kPa;1 atm = 14.6959 psi = 1.01325 bar = 101.325 kPa;1 psi = 6.89476 kPa。壓力轉換工具包含以上所有單位——外加 MPa、hPa、mbar、torr、mmHg、inHg 與 kgf/cm²——且所有換算係數皆回溯至 NIST Special Publication 811,因此交叉核對的數字與安全閥供應商自家資料表所使用的數字一致。

使用壓力轉換工具轉換 PSV 與設計壓力數值

確認 PSV 設定壓力與以不同單位表示之設計壓力的最快方法,是將兩者皆輸入 壓力轉換工具,並以您選擇的單位進行比較。

  1. 將設計壓力數值(例如 100)輸入輸入欄位。
  2. 選擇該數值原本引用的單位——若為歐洲資料表則選 bar。
  3. 選擇您希望結果呈現的單位——若 PSV 供應商資料表使用美制單位則選 psi。
  4. 於輸入欄位下方讀取轉換後的數值;本工具無提交按鈕。
  5. 以相同單位對 PSV 設定壓力重複相同流程,即可直接比較兩數值。
  6. 勾選 一次顯示所有單位,即可同時以全部十二種單位並列顯示該數值;當規範條文引用 mmHg 或 inHg 為限制時,這項功能可作為快速核對。

所有運算皆於瀏覽器本地執行,因此 PSV 資料表審查在頁面載入後即可離線進行,且任何壓力數值皆不會上傳至任何伺服器。當所核對的數字涉及商業機密時(煉油廠的操作壓力通常不會離開工程師的筆電),這點格外重要。

計算範例:100 bar 設計壓力換算為 psi

假設某歐洲資料表標示容器設計壓力為 100 bar,而美方閥門廠提出的 PSV 設定壓力為 1450 psi。您希望確認 PSV 設定壓力於相同單位下是否低於設計壓力。

步驟 1. 使用已知係數 1 bar = 14.5038 psi,將設計壓力換算為 psi:

100 bar × 14.5038 psi/bar = 1450.38 psi

步驟 2. 與 1450 psi 的 PSV 設定壓力進行比較。

於相同單位下,PSV 設定壓力僅低於設計壓力 0.38 psi。至於對 MAWP 的核對(原資料表亦應提供),90% 規則適用,PSV 必須於相同單位下 ≤ 0.9 × MAWP。反向計算亦同:將 1450.38 除以 14.5038 即可還原為 100 bar,或使用壓力轉換工具一次讀取兩數值於十二種單位下的對應值。

安全閥工程常用參考單位

不同產業與地區在設計壓力與 PSV 設定壓力上有不同的常用單位。事先了解專案預期使用的單位,可省去與製造商來回確認的時間。

地區/產業 設計壓力常用單位 PSV 設定壓力常用單位
歐洲 EPC 與煉油 bar(高壓時用 MPa) bar 或 barg
北美 ASME 製造廠 psi(或 psig) psi 或 psig
亞洲 EPC 與較舊機械 kgf/cm² 或 MPa kgf/cm²
製程管線、API 570/API 521 psi 或 bar(依專案而定) psi 或 barg
壓縮機與液壓套件 MPa(高壓)或 bar bar 或 MPa

在發出 PSV 訂購單前,一個有用的核對方式:自容器資料表取得設計壓力,將其換算為 PSV 供應商報價單所使用的單位(或反之),並確認設定壓力至少低於設計壓力與 MAWP 規範規定的百分比。一般非火災服務中,ASME 規定的比值為 90%;火災情境洩壓則可達 95%。確切百分比依規範而異,因此規範本身——ASME Section VIII、API 520/API 521、EN 13445 或當地等效規範——永遠應為主要參考依據,壓力轉換工具則用於確認數值上的比較。

延伸閱讀:扇形面積公式、單位與步驟。