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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).

Nur Vorauslegung. Dieses Tool verwendet die wirksamen Ausflusskoeffizienten nach API 520 und die wirksamen Querschnitte nach API 526 — korrekt für die Vorauswahl der Ventilgröße. Die endgültige Auswahl muss den TATSÄCHLICHEN Querschnitt des Herstellers mit dessen ZERTIFIZIERTEM Ausflusskoeffizienten kombinieren und ist gegen das anwendbare Regelwerk (ASME Section VIII, DGRL/EN ISO 4126) durch den verantwortlichen Ingenieur zu prüfen.
Gas / Dampfphase (API 520)

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.

kPa(g)
kPa

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

Erforderlicher Querschnitt
502.3 mm²
Erforderlicher Querschnitt (in²)
0.779
API-526-Kennbuchstabe
H
Kapazitätsreserve
+1%

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

So funktioniert die Sicherheitsventil-Auslegung nach API 520

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:

A=WC Kd P1 Kb KcTZMA = \frac{W}{C \, K_d \, P_1 \, K_b \, K_c} \sqrt{\frac{T Z}{M}}
  • AA — erforderlicher wirksamer Querschnitt (mm²)
  • WW — erforderlicher Massenstrom (kg/h)
  • CC — Koeffizient aus dem Isentropenexponenten k (≈ 0,027 für Luft)
  • P1P_1 — Abblasedruck (kPa absolut)
  • T,Z,MT, Z, M — 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).

A=190.5 WP1 Kd Kb Kc KN KSHA = \frac{190.5 \, W}{P_1 \, K_d \, K_b \, K_c \, K_N \, K_{SH}}

Flüssigkeitsdienst

Für Flüssigkeitsdienst mit zertifiziertem Ventil gilt in SI-Form:

A=11.78 QKd Kw Kc KvGP1−P2A = \frac{11.78 \, Q}{K_d \, K_w \, K_c \, K_v} \sqrt{\frac{G}{P_1 - P_2}}
  • QQ — erforderlicher Volumenstrom (L/min)
  • GG — relative Dichte bezogen auf Wasser
  • Kd,Kw,KvK_d, K_w, K_v — Ausflusskoeffizient (0,65), Gegendruckkorrektur (Faltenbalgventile) und Viskositätskorrektur über die Reynolds-Zahl
  • P1−P2P_1 - P_2 — 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 Valves vs Relief Valves: Sizing, Certification, and Venting Safely (englisch).

Verwandte Rechner & Referenzen

API-526-Kennbuchstaben und Querschnitte

Die vierzehn genormten Kennbuchstaben der API 526. Die Flächen sind die wirksamen API-Querschnitte der Vorauslegung.

KennbuchstabeQuerschnitt (mm²)Querschnitt (in²)
D710.110
E126,50.196
F198,10.307
G324,50.503
H506,50.785
J830,31.29
K1.185,81.84
L1.840,62.85
M2.322,63.60
N2.8004.34
P4.116,16.38
Q7.12911.1
R10.322,616.0
T16.774,226.0
Wie genau ist diese Berechnung?

Der Rechner implementiert die Gleichungen der API 520 Teil I (10. Ausgabe) direkt; der Rechenkern wird Fall für Fall gegen die API-520-Implementierung der quelloffenen fluids-Bibliothek verifiziert. Sie können ihn am Rechenbeispiel der Norm selbst prüfen:

Rechenbeispiel (API 520, Gas)

Eine Kohlenwasserstoff-Entlastung von 24.270 kg/h bei Abblasedruck 670 kPa (absolut), 348 K, M = 51, k = 1,11, Z = 0,9, Ausblasung in die Atmosphäre: der erforderliche Querschnitt beträgt 3.699 mm² (die Norm druckt 3.698, aus ihren gerundeten Zwischenwerten), aufgerundet auf einen P-Querschnitt (4.116 mm²). Zum Nachrechnen im Tab Gas / Dampfphase: Massenstrom 24.270 kg/h und Temperatur 348 mit der Einheit K eingeben; das Druckfeld auf Abblasedruck (P1) umstellen, die Einheit kPa(a) wählen, dann 670 bei 10 % Drucksteigerung eingeben; beide Gegendruckfelder auf ihren Standardwerten lassen (Ausblasung in die Atmosphäre; die Felder rechnen beim Einheitenwechsel automatisch um); und ein eigenes Gas mit M = 51, k = 1,11, Z = 0,9 wählen.

Jede Version dieses Rechners wird gegen die Rechenbeispiele der Norm selbst regressionsgetestet. Aktuelle Ergebnisse:

Rechenbeispiel API 520 Teil I (10. Ausgabe)Ergebnis der NormDieser Rechner
Beispiel 1 — Gas, kritische Strömung3.698 mm²3.699 mm²
Beispiel 2 — Gas, unterkritisch (F2)4.248 mm²4.248 mm²
Beispiel 4 — überhitzter Dampf (KN, KSH)1.285 mm²1.285 mm²
Beispiel 5 — Flüssigkeit, Faltenbalgventil (Kw)3.066 mm²3.059 mm²

Kleine Abweichungen stammen aus den gerundeten Zwischenwerten der Norm selbst; der Rechenkern wird zusätzlich Fall für Fall gegen die quelloffene fluids-Bibliothek verifiziert.

Den vollständigen Gleichungssatz und die Normenreferenzen finden Sie in unserer Berechnungsmethodik.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Sicherheitsventil und Überströmventil?
Ein Überström-/Entlastungsventil öffnet proportional zur Drucküberschreitung und ist primär für Flüssigkeiten gedacht. Ein Sicherheitsventil öffnet schlagartig bis zum Vollhub und ist für kompressible Medien — Gas, Dampfphase, Wasserdampf — bestimmt. Ein Safety-Relief-Ventil beherrscht beides. Alle werden mit derselben API-520-Methode ausgelegt; je nach Medium wechselt nur die Gleichung (Gas, Dampf oder Flüssigkeit).
Was ist der Abblasedruck und wie unterscheidet er sich vom Ansprechdruck?
Der Ansprechdruck ist der Druck, bei dem das Ventil zu öffnen beginnt; der Abblasedruck ist der Druck, bei dem es die Nennkapazität liefert — Ansprechdruck plus zulässige Drucksteigerung, absolut ausgedrückt. ASME Section VIII erlaubt 10 % für ein Einzelventil (kein Brandfall), 16 % für mehrere Ventile und 21 % im Brandfall — deshalb fragt der Rechner nach dem Szenario.
Was sind die API-526-Kennbuchstaben?
API 526 normt vierzehn Ventilquerschnitte, mit Buchstaben D (71 mm²) bis T (16.774 mm²), samt Einbaumaßen und Flanschklassen, sodass Ventile herstellerübergreifend austauschbar sind. Man legt auf den erforderlichen Querschnitt aus und wählt den nächstgrößeren Buchstaben.
Warum darf ein Sicherheitsventil nicht überdimensioniert werden?
Ein überdimensioniertes Ventil öffnet, bläst weit mehr ab als das System nachliefert, lässt den Zulaufdruck einbrechen, schlägt zu und wiederholt den Zyklus — dieses Flattern (Chatter) beschädigt den Sitz und kann den Eintrittsstutzen ermüden. Wählen Sie den nächstgrößeren Normquerschnitt über dem Rechenwert, nicht mehrere Buchstaben darüber.
Welche Gegendruckgrenze gilt für ein konventionelles Sicherheitsventil?
Bei einem konventionellen federbelasteten Ventil sollte der Eigengegendruck 10 % des Ansprechdrucks nicht übersteigen — darüber leiden Kapazität und Stabilität, weil der Gegendruck die Schließkraft der Feder verstärkt. Faltenbalgventile vertragen etwa 30-50 % (mit der Kb-Korrektur dieses Rechners), pilotgesteuerte noch mehr. Der Gegendruck selbst kommt aus einer Druckverlustberechnung der Ausblaseleitung.
Wann brauche ich ein Faltenbalg-Sicherheitsventil?
Wenn der Gesamtgegendruck — Fremd- plus Eigengegendruck — überschreitet, was ein konventionelles Ventil verträgt (etwa 10 % des Ansprechdrucks für den veränderlichen Anteil), oder wenn der Gegendruck schwankt. Der Faltenbalg entkoppelt die Feder vom Austrittsdruck, der Ansprechdruck bleibt stabil; die Kapazität wird mit dem Kb-Faktor nach API 520 Bild 30 korrigiert.
Was ist Kd und warum 0,975 für Gas, aber 0,65 für Flüssigkeit?
Kd ist der wirksame Ausflusskoeffizient — das Verhältnis der realen Ventilströmung zur idealen Düsenströmung. API 520 nennt 0,975 für Gas/Dampf und 0,65 für Flüssigkeit als Vorauslegungswerte, gekoppelt an die wirksamen API-526-Querschnitte. Für die Endkontrolle gilt der zertifizierte Koeffizient des Herstellers (aus der National-Board-Prüfung, mit 90 % des Prüfmittels bewertet) zusammen mit dem tatsächlichen Querschnitt.
Kann dieser Rechner Zweiphasen- oder Flash-Entlastung auslegen?
Nein — bewusst nicht. Zweiphasen- und Flash-Entlastung erfordert die Methodik nach API 520 Anhang C / DIERS; einphasige Gleichungen darauf zu extrapolieren ist unsicher. Wenn Ihr Medium über dem Ventil ausdampft, verwenden Sie ein Werkzeug mit Omega-Methode oder ziehen Sie einen Spezialisten hinzu.
Ersetzt dieser Rechner die zertifizierte Herstellerauslegung?
Nein. Er liefert eine korrekte Vorauslegung nach API 520 — den richtigen Kennbuchstaben für die Anfrage. Die endgültige Auswahl ist gegen die zertifizierten Kapazitätsdaten des Herstellers und das anwendbare Regelwerk (ASME Section I oder VIII im ASME-System, DGRL 2014/68/EU mit EN ISO 4126 in Europa) durch den verantwortlichen Ingenieur zu prüfen.

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.

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