کاربرد شیر تنفسی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

شیر تنفسی (Breather Valve) یا شیر تخلیه فشار/خلأ (Pressure and Vacuum Relief Valve) که در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی با نام‌های دیگری مثل شیر خلاء شکن (Vacuum breaker)، وکیوم والو و ریم ونت (Rim vent) نیز شناخته می‌شود، در دسته‌بندی تجهیزات ایمنی قرار دارد. شیر تنفسی نوع خاصی از شیر تخلیه فشار است که به‌طور اختصاصی برای محافظت از مخازن طراحی و ساخته می‌شود.

سه نوع مختلف شیر تنفسی در بازار موجود است:

  • شیر خلاء شکن
  • شیر تخلیه فشار
  • شیر تنفسی ترکیبی (فشار- خلاء)

کاربرد شیر تنفسی در پتروشیمی

یکی از تجهیزاتی که در واحدهای پالایشگاهی و پتروشیمی نقش مهمی در حفظ ایمنی مخازن ذخیره‌ی فرآورده‌های نفتی (storage Tank) دارد، شیر تنفسی است. از این شیرها در مخازن ذخیره سقف ثابت و سقف شناور که سرعت ورود و خروج سیال (مثل حلال‌ها) در آن‌ها بالا است، استفاده می‌شود. با توجه به اینکه مخازن سقف ثابت یک سیستم بسته محسوب می‌شوند، زمانی که سیال با سرعت بالا وارد مخزن می‌شود احتمال افزایش فشار در سیستم وجود دارد و در نقطه مقابل آن با خروج سریع سیال از مخزن، حجم مخزن به طور ناگهانی کاهش می‌یابد و سیستم دچار افت فشار می‌شود و این افت فشار نیز باعث ایجاد خلاء در مخزن می‌شود.

فشار عملکردی این تجهیز به‌گونه‌ای محاسبه و طراحی می‌شود که تنها در زمان رسیدن به حداکثر فشار کاری درنظر گرفته شده عمل ‌کند. عملکرد به موقع شیر، نه تنها میزان تلفات و هدر رفتن محصولات درون مخزن را کاهش می‌دهد، بلکه  از حجم بخارهای سمی تشکیل شده در مخزن نیز کم می‌کند و بنابراین مانع آتش گرفتن سیستم می‌شود. این تجهیز می‌تواند از مخازن در برابر آسیب‌هایی همچون انفجار و مچاله شدن (collapse) نیز محافظت  کند. شیر تنفسی عموماً در مخازنی که دارای فشارهای کاری کمتر از 1 bar هستند، نصب می‌شود. اگر شیر تنفسی در سیستم به صورت

In-line نصب شود، علاوه بر حفاظت مخازن موجب کاهش آلودگی‌های محیطی و انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز می‌شود؛ زیرا بخارات سمی تشکیل شده در مخزن را به خط فلر منتقل می‌کند.

 عملکرد Breather Valve
 عملکرد Breather Valve

شیر تنفسی چیست؟

وظیفه اصلی شیر تنفسی، برقراری تعادل و مهار افزایش و یا کاهش فشار در مخازن ذخیره اتمسفریک (تحت فشار اتمسفر) و فشار پایین است. فشار عملکردی این تجهیز با در نظرگرفتن مواردی مثل ویسکوزیته و دبی ورودی و خروجی سیال محاسبه و طراحی می‌شود.

عملکرد شیر تنفسی

شیر تنفسی در مخازن حاوی سیال مایع، با بالا آمدن سطح مایع و در مخازن حاوی سیالات گازی، با بالا رفتن فشار گاز عمل می‌کند. عملکرد به موقع شیر تنفسی موجب برقراری تعادل فشار در مخزن می‌شود. این تجهیز باید به گونه‌ای طراحی و ساخته شود که قادر به خروج حجم زیادی گاز در فشارهای پایین باشد. به همین دلیل، شیرهای تنفسی دارای پورت‌هایی با سطح بزرگتری نسبت به اتصال ورودی نازل هستند و برای  کنترل میزان فشار در این شیرها از پالت‌های وزنی و فنر استفاده می‌شود. مخازن ذخیره‌سازی مطابق با استاندارد API 650 و به صورت جوشی ساخته می‌شوند، به همین دلیل تحمل فشارهای بالا را ندارند و فشار کاری مجاز آن‌ها نسبتاً پایین است.

کاربرد Rim-vent
کاربرد Rim-vent

شیر تنفسی SEWON

با توجه به نوع کاربری و طراحی مخازن ذخیره‌سازی، تجهیزات ایمنی متناسب با شرایط کاری (فشار-دما) هر مخزن باید به‌طور سفارشی طراحی و ساخته شوند. شرکت کره‌جنوبی SEWON Q&TECH  نزدیک به نیم قرن است که در زمینه طراحی و ساخت ماشین‌آلات صنایع کشتی‌سازی و تجهیزات ایمنی مورد استفاده در صنعت نفت و گاز فعالیت می‌کند. تمام محصولات شرکت SEWON در کشور کره جنوبی تولید می‌شود. محصولات SEWON  و راه‌حل‌های ارائه شده توسط این شرکت می‌تواند نقش موثری در کاهش و مدیریت خطرات احتمالی موجود در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی ایفا کند. شرکت مهندسی دامون از سال ۱۳۹۶ نماینده انحصاری  این شرکت در ایران است و اعتماد مجموعه‌های صنعتی بزرگ زیر را جلب کرده است.

مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون
مشتریان دامون

همان‌طور که اشاره کردیم انتخاب تجهیزات ایمنی مخازن باید با در نظرگرفتن عواملی همچون نوع سیال ورودی، دما، فشار و ویسکوزیته آن صورت گیرد. موارد گفته شده تنها تعدادی از فاکتورهای تاثیرگذار در طراحی هستند. عوامل دیگری نیز وجود دارد که پیش از سفارش محصول لازم است تا در جداول مشخصات فنی به شرکت سازنده ارائه شود. براساس این مشخصات می‌توان شیرتنفسی مناسب برای هر مخزن را انتخاب کرد.

عملکرد شیرتنفسی (خلاء-فشار)
عملکرد شیرتنفسی (خلاء-فشار)

انواع شیر تنفسی

شیر تنفسی از نظر عملکرد به سه شکل در بازار موجود است.

شیر خلاءشکن

در مخازنی که دمای سیال ورودی (گاز-مایع) برابر با دمای محیط باشد و همچنین خنک‌سازی سیال درون مخزن نیز از طریق تبادل حرارتی با  محیط (هوای اطراف مخزن) انجام ‌شود، شیر خلاءشکن نصب می‌شود. در زمان افت فشار(فشار منفی) با باز شدن دریچه شیر تنفسی و ورو د هوا به مخزن، تعادل فشار در مخزن برقرار شده و مانع از مچاله شدن مخزن به دلیل ایجاد خلاء می‌شود.

در مخازن تحت فشار و غیر اتمسفریک مثل مخزن ذخیره سرد (Cryogenic Tank) که سیال ورودی دمایی کمتر از دمای محیط دارد، برای جلوگیری از مچاله شدن مخزن هنگام ورود مایع سرد نمی‌توان از شیر تنفسی خلاءشکن استفاده کرد. براساس استاندارد ASME برای این مخازن باید از تجهیزاتی استفاده کرد که سرعت عملکردی بالایی دارند و فشاری کاری آن‌ها بیشتر از  bar1.03 باشد. برای  مهار فشار در مخازن ذخیره سرد (مانند مخازن ذخیره گازهای مایع، نیتروژن، آمونیاک، اتیلن و بوتادین) از تجهیزاتی نظیر راپچردیسک(Rupture Disc) و شیر اطمینان (Pressure Safety Valve) استفاده می‌شود.

انتخاب سیستم پالت وزنی و یا فنر برای شیرخلاءشکن متناسب با فشار کاری و شرایط هر مخزن انجام می‌شود. معمولاً در فشارهای پایین سیستم پالت‌ وزنی‌ وظیفه ایجاد تعادل درون مخزن در شرایط کاهش فشار را دارد و طراحی و تنظیمات فشار عملکردی شیر خلاءشکن، براساس وزنه و پالت انجام می‌شود.

شیر تنفسی خلاءشکن - وکیوم والو
شیر تنفسی خلاءشکن – وکیوم والو

شیر تخلیه فشار

 شیر تنفسی تخلیه فشار مانند شیر خلاء شکن در مخازن با سقف ثابت و فشار پایین استفاده می‌شود. در زمان بارگیری محصول (ورود سیال)، احتمال افزایش فشار در مخزن وجود دارد. همچنین ممکن است حرارت ناشی از یک روز آفتابی موجب افزایش دمای سیال و به دنبال آن ایجاد گازهای فرار درون مخزن شود. در صورتی‌که  برای سیستم‌های بسته -نظیر مخازن- تجهیزات ایمنی تعبیه نشود، فشار اضافی وارد شده به جداره‌های مخزن و یا تجمع بخارات سیال هیدروکربنی باعث انفجار و به دنبال آن خروج محصولات از مخزن می‌شود. در نتیجه، نصب تجهیزات ایمنی مثل شیر تنفسی برای مخازن ضروری است. شیر تنفسی فشاری SEWON  برای بازه‌های فشاری کمتر و برابر با 1bar طراحی و ساخته می‌شوند. در زمان افزایش فشار فنرهای تعبیه شده در شیر تنفسی تخلیه فشار وظیفه باز کردن دریچه خروجی شیر و مهار فشار اضافی را دارند. به همین دلیل  طراحی و تنظیمات فشار عملکردی شیر تنفسی تخلیه فشار، براساس فنرها انجام می‌شود. شیرهای تخلیه فشار معمولاً برای مخازن حاوی سیالات اشتعال‌پذیر به‌کاربرده می‌شوند. سیال درون این مخازن نباید در معرض اکسیژن هوا قرار گیرد. در نتیجه، نصب شیر تنفسی خلاءشکن بر روی این مخازن پیشنهاد نمی‌شود. در این مخازن به جای ورود اکسیژن(هوا) از گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود. برای محافظت از مخزن در برابر آتش‌سوزی علاوه برشیر تنفسی تخلیه فشار از سیستم محافظت نیتروژنی(N2 Blanketing System)نیز استفاده می‌شود.

شیر تخلیه فشار SEWON
شیر تخلیه فشار SEWON

شیر فشار-خلاء

رایج‌ترین نوع کاربرد شیر تنفسی فشار-خلاء در مخازن ذخیره حاوی مایعات است. این مایعات ممکن است اشتعال‌پذیر یا اشتعال‌ناپذیر باشند. چنانچه سیال قابل اشتعال باشد،  سیستم محافظت نیتروژنی نیز در کنار شیرهای تنفسی نصب خواهد شد. تغییرات فشار در مخازن علل متفاوتی دارد. گاهی فشارهای مثبت و منفی بر اثر پر یا خالی شدن مخازن ذخیره‌سازی اتفاق می‌افتد و گاهی دیگر حرارت ناشی از تغییرات آب‌و هوایی در محیط نصب مخازن منجر به  افزایش فشار می‌شود. شیرهای تنفسی فشار-خلاء از نظر عملکرد و ساختار، ترکیبی از شیرهای فشاری و خلاءشکن هستند؛یعنی در ساخت آن‌ به صورت ترکیبی از پالت‌های وزنی و فنرها استفاده می‌شود. در شیرهای فشار-خلاء برند SEWON کنترل میزان فشار یا خلاء در مخزن به‌وسیله‌ی پالت‌های وزنی یا فنرها انجام می‌شود.

تا زمانی که فشار درون مخزن کمتر یا بیشتر از فشار عملکردی (operating pressure) تجهیز نباشد، هر دو دریچه بسته می‌مانند. علت آن هم اثر جذب سطحی است، چرا که در فشارهای کمتر از فشار اتمسفر، فشار و نیرویی که به سطح پالت نشیمنگاه (seat pallet) وارد می‌شود به قدری نیست که توانایی جا‌به‌جایی پالت وزنی را داشته باشد.

هنگامی که فشار مخزن بیش از فشار طراحی شود، فشار و نیروی وارد شده به سطح پالت وزنی و یا فنر باعث به حرکت درآمدن پالت و یا آزاد شدن فنر شده و دریچه خروج فشار باز می‌شود.

ابراین هر زمان که مخزن دچار افزایش فشار (فشار مثبت) شود، دریچه فشار (شیر) باز شده و فشار اضافی مخزن از این طریق تخلیه می‌شود. در این حالت، شیر خلاء بسته می‌ماند. حال اگر فشار مخزن کمتر از فشار کاری مجاز شود و مخزن دچار افت فشار (فشار منفی) شود، برای جلوگیری از ایجاد خلاء درون مخزن، دریچه خلاء (شیر مکش) باز شده و از این طریق مقداری هوا وارد مخزن می‌شود.

شیر تنفسی فشار- خلاء SEWON
شیر تنفسی فشار- خلاء SEWON

لازم به ذکر است که انتخاب تجهیزات ایمنی در هر پروژه، براساس نظر مهندسان طراح و فرآیند صورت می‌گیرد. گاهی استراتژی طراح این است که از شیرهای تنفسی به عنوان تجهیز ثانویه استفاده می‌شود و در صورت عمل‌ نکردن دیگر تجهیزات ایمنی مخازن مانند، شیر اطمینان، سیستم محافظت نیتروژنی و رگولاتور با عملکرد به موقع می‌تواند از تجهیز در برابر آسیب‌ها محافظت کند.

نحوه نصب شیر تنفسی

شیرهای تنفسی به صورت اتصال فلنج و تخلیه به اتمسفر روی نازل مخازن ذخیره نصب می‌شوند. شیرهای تنفسی فشاری قابلیت نصب به صورت ترکیبی با شعله‌گیر flame arresterرا نیز دارند. در مواردی که مخلوط بخارهای خروجی از مخزن در مواجه با اکسیژن هوا مشتعل شود، نصب شعله‌گیر می‌تواند مانع از انتقال شعله به مخزن شود.

نحوه نصب شیرتنفسی بر روی مخازن
نحوه نصب شیرتنفسی بر روی مخازن

نمونه‌ای نصب سری شعله گیر با شیر تنفسی (شیر تنفسی فشار / خلأ با شعله‌گیر)

نصب شیرتنفسی همراه با شعله‌گیر
نصب شیرتنفسی همراه با شعله‌گیر