با انواع شیر اطمینان آشنا شوید

در مطالب قبل درباره کاربرد شیر اطمینان و اهمیت نصب آن در کنار تجهیزات کنترلی گفتیم. شیر اطمینان یا سیفتی ولو (safety valve) یکی از تجهیزات کلیدی برای مهار فشار است. در این مقاله به معرفی انواع سیفتی ولو مختص صنعت نفت، گاز و پتروشیمی و نحوه عملکرد این تجهیز می‌پردازیم.

شیر اطمینان در بین مهندسان و طراحان فعال در این صنعت بیشتر با نام PSV  که مخفف عبارت pressure safety valve (شیر اطمینان فشار) است، شناخته می‌شود. وقتی صحبت از صنایع نفت و گاز در میان است یعنی با فشار و دما کاری بالا سر و کار داریم. در نتیجه، ابعاد و متریال سیفتی ولو مورد استفاده در این صنایع با انواع دیگر این تجهیز که در صنایع غذایی و تهویه مطبوع استفاده می‌شود متفاوت است.

انواع شیر اطمینان

در حال حاضر استانداردهایی مثل  ASME/ ANSI PTC 25.3، DIN و EN ISO دسته‌بندی مشخصی را برای انواع شیر اطمینان ارائه کردند.

این استانداردها باتوجه به نوع طراحی و عملکرد اجزای سازنده سیفتی ولو، انواع شیر اطمینان را معرفی می‌کنند. برای درک بهتر این مطلب بهتر است تا با اجزای سازنده  PSVو نقش هر جز آن آشنا شوید. به همین خاطر پیشنهاد می‌کنیم مقاله «کاربرد شیراطمینان» را مطالعه کنید. بررسی انواع سیفتی ولو براساس استانداردهای گفته شده، کمی گیج‌کننده به نظر می‌رسد. بنابراین در ادامه دسته‌بندی ارائه شده توسط سازندگان معتبر این تجهیز مثل شرکت لزر آلمان را معرفی می‌کنیم و در مقالات بعدی بر دسته‌بندی استانداردها نگاه می‌اندازیم.

انواع شیر اطمینان لزر

شرکت لزر آلمان یکی از قدیمی‌ترین سازندگان شیر اطمینان در اروپا است. کیفیتِ ساخت بالا و مطابق با استانداردهای جهانی باعث شده است که اکثر صنایع بالادستی و پایین دستی نفت و گاز در سراسر جهان برای حفظ ایمنی واحدهای صنعتی‌شان از محصولات لزر استفاده کنند.

لزر شیرهای اطمینان را به چند دسته تقسیم می کند؟

• Spring-Loaded Safety Valves؛
• Pilot-operated Safety Valves؛
•  Balanced Bellows؛
• Change-over Valves.

شیر اطمینان فنری

شیر اطمینان فنری (Spring-Loaded Safety Valves) که به آن شیر اطمینان با عملکرد مستقیم (Pop Action) نیز گفته می‌شود، متداول‌ترین نوع سیفتی ولو است. منظور از عملکرد مستقیم، مکانیزمی است که شیر از طریق آن عمل می‌کند. ( باز و بسته می‌شود.) به بیان ساده‌تر، نیرویی که در این مدل مستقیماً باعث باز و بسته شدن شیر می‌شود از طریق یک فنر مارپیچی که به‌وسیله پیچ تنظیم (adjusting screw) قابل تنظیم است، تامین می‌شود.

عملکرد شیر اطمینان فنری

عملکرد شیر اطمینان فنری درست شبیه یک سیستم جرم و فنر است که از قانون هوک پیروی می‌کند. اگر طول فنر فشرده شود در زمان آزاد شدنِ آن، نیرویی معادل طول فشرده شده به سیستم منتقل می‌شود. البته میزان این نیرو به عامل دیگری که سختی فنر (K)  نام دارد، نیز وابسته است. به‌این‌ترتیب نیروی فنر برابر با فرمول زیر است:

همان‌طور که در مقاله کاربرد شیر اطمینان گفته شد، نیروی فنر از طریق اسپیندل به دیسک منتقل می‌شود. تا زمانی که فشار وارد شده از طرف سیستم نسبت به نیروی فنر کمتر باشد، دیسک حرکت نمی‌کند و دهانه نازل بسته می‌ماند. هر زمان نیروی فشار بیشتر از نیروی فنر شود دیسک حرکت می‌کند و با باز شدن دهانه نازل، مقداری سیال از سیستم خارج می‌شود. این کار باعث ایجاد تعادل در سیستم می‌شود و از انفجار تجهیزات در زمان افزایش فشار (Over Pressure) جلوگیری می‌کند.

 

برای این‌که تصویر روشن‌تری از عملکرد PSV داشته باشیم، بهتر است منطق و روابط فیزیکی پشت طراحی این تجهیز را بررسی کنیم.

برای تحلیل فیزیکی بهتر باید بدانیم که عملکرد سیفتی ولو به سه حالت تقسیم می‌شود:

·        حالت بسته (غیر فعال) / PASSIVE

زمانی که شیر بسته است، نیروی وارد شده از طرف سیستم به قسمت نازل شیر کمتر از نیرویی است که فنر به اسپیندل و دیسک وارد می‌کند. در این حالت فشار سیستم کمتر از فشار تنظیم (Set Pressure) است و به همین دلیل شیر باز نمی‌‌شود.

 

·        حالت باز  (فعال)/ ACTIVE

موقعی که سیستم دچار افزایش فشار یا به اصطلاح over pressure می‌شود، PSV در حالت کاملاً باز قرار می‌گیرد.

اگر بخواهیم جمله بالا را تفسیر کنیم، باید بگوییم در این حالت فشار سیستم بیشتر از فشار تنظیم (set pressure)است، پس دیگر نیروی فنر برای بسته نگه‌داشتن شیر کافی نیست و فشار اضافی باید با خروج سیال اضافی از سیستم خارج شود.

از نظر بیان فیزیکی لازم است تا مفاهیم overpressure و set pressure را کمی بیشتر توضیح دهیم.

در حالت set pressure فشار و نیرو فنر برابر با فشار و نیرو وارده از طرف سیستم است. این به معنی بازشدن کامل PSV نیست. در این‌جا مقداری سیال از سیستم خارج شده و از قسمت ورودی (in put) شیر وارد نازل می‌شود در نتیجه، نیروی سیال باعث بالا رفتن دیسک می‌شود. در صورتی‌که فشار وارده از طرف سیال انباشته شده در نازل بیشتر از فشار تنظیم (set pressure) شود، سیستم در حالت overpressure  قرار می‌گیرد و شیر به‌طور کامل باز می‌شود و با تخلیه سیال تعادل به سیستم باز می‌گردد.

سوالی که در این‌جا مطرح می‌شود، چگونگی تعیین میزان فشار اضافی و تنظیم شیر روی نقطه فشار است.

معمولاً فشار اضافی (overpressure) به‌شکل درصدی از فشار تنظیم بیان می‌شود. بر همین اساس در استانداردها و کدهای مربوط به  PSV این فشار به‌طور معمول برابر با ۱۰% فشار تنظیم است که برای کدها و یا کاربری‌های خاص، بین بازه (۳تا۲۱) درصد متغیر است.

با تخلیه سیال آرام آرام فشار سیستم کاهش می‌یابد و فنر که در اثر اعمال فشار سیستم فشرده شده است، نیروی بیشتری نسبت به نیروی سیستم پیدا کرده و در جهت بسته‌شدن شیر حرکت می‌کند.

·        بسته شدن مجدد

در حالت بسته‌شدن مجدد یا Reclosing، فشاری که باعث بسته‌شدن سیفتی ولو می‌شود Blowdown نام‌دارد و بیان‌گر مقدار اختلاف فشار بین فشار تنظیم و فشار برگشتی به نقطه سیت (seat) است. تنظیم دقیق فشار Blowdown نقش موثری در بسته شدن کامل شیر اطمینان دارد.

مانند overpressure فشار Blowdown نیز براساس درصدی از فشار تنظیم بیان می‌شود. این فشار از جنس افت فشار است و به همین دلیل مقادیر آن منفی در نظر گرفته شده است. باتوجه‌ به استانداردها و کدها بازه فشار نرمال Blowdown بین -۷تا ۱۰- درصد است و برای شرایط خاص و بسته به نوع سیال (بخار، مایع و گاز) بین (۴- تا ۲۰- ) درصد متغیر است.

شیر اطمینان پایلوت‌دار

شیر اطمینان پایلوت‌دار یا POSV  (Pilot-operated Safety Valves) از دو بخش یعنی شیر اصلی و شیر پایلوت ساخته می‌شود.

در این مدل، شیر پایلوت وظیفه کنترل شیر اصلی را دارد. یکی از مزایای شیر پایلوت‌دار جلوگیری از هدر رفتن سیال است؛ زیرا اگر میزان فشار اضافی کم باشد، می‌تواند افزایش فشار را بدون نیاز به باز شدن کامل شیر اصلی کنترل‌کند.

 

عملکرد شیر اطمینان پایلوت‌دار (PSOV)

تفاوتی که در طراحی PSOV  با شیر فنری وجود دارد نحوه باز و بسته شدن شیر است. در شیر پایلوت‌دار، فشار سیستم از طریق خط فشار به شیر پایلوت منتقل می‌شود. باز و بسته شدن این شیر -برعکس مدل فنری- از قسمت گنبدی بالای پیستون شیراصلی انجام می‌شود.

مانند «سیفتی ولو با عملکرد مستقیم» برای این مدل نیز سه حالت «بسته»، «باز» و «بسته شدن مجدد» وجود دارد که در ادامه هر کدام را توضیح می‌دهیم.

·        حالت بسته

 تصویر زیر شرایط کاری عادی سیستم  را نشان می‌دهد که فشار سیستم از طریق شیر پایلوت به محفظه پیستون (قسمت گنبدی) منتقل می‌شود. در این حالت فشار قسمت پیستون با فشار قسمت پایین (سیستم) برابر است اما عاملی که باعث می‌شود شیر بسته بماند تفاوت در سطح مقطع است؛ در شیر پایلوت‌دار مساحت قسمت گنبدی بزرگ‌تر از مساحت سیت شیر اصلی است. در شرایط کاری عادی پیلوت فشار سیستم را به محفظه پیستون منتقل می‌کند، از آن‌جا که سطح مقطع پیستون بزرگتر از سطح نشیمن دیسک(Seat) است، نیروی قسمت گنبدی بیشتر از سیستم است. در نتیجه، دیسک حرکت نمی‌کند و شیر بسته می‌ماند.‌  

 

·        حالت باز

زمانی که فشار به  %۵/۲ فشار تنظیم افزایش یابد، سیستم در حالت overpressure قرار می‌گیرد و نیروی وارد شده از طرف سیستم به پایلوت افزایش پیدا می‌کند. در این شرایط، نیروی سیستم بیشتر از نیروی محفظه پیستون می‌شود و با باز شدن دریچه‌ی خروجی قسمت اصلی شیر و خروجی پایلوت مقداری سیال از سیستم خارج می‌شود. 

از POSV برای تجهیزاتی استفاده می‌شود که بین ۹۰ تا ۹۵ درصد فشار تنظیمی عمل می‌کنند.

 

•        بسته شدن مجدد

با کاهش فشار سیستم، شیر پایلوت فعال می‌شود و دوباره نیروی لازم برای بسته شدن شیر از طریق محفظه پیستون (گنبد) تامین می‌شود.

بسته شدن شیر یا به‌طور کامل و سریع اتفاق می‌افتد (Pop Action) یا به تدریج (Modulate Action) مجدداً بسته می‌‌شود.

 

Balanced Bellows

شیر  Balanced Bellows، نوعی شیر اطمینان فنردار محسوب می‌شود. با این تفاوت که فشار برگشتی روی عملکرد شیر تاثیر نمی‌گذارد.

در طراحی این شیر بین محفظه فنر و دیسک یک محفظه آکاردئونی فلزی (metal bellows) تعبیه شده که وظیفه آن توزیع برابر فشار برگشتی بر روی سطح دیسک است. علاوه بر این، محفظه آکاردئونی باعث می‌شود تا قسمت فنر تماس کمتری با سیال داشته باشد. در نتیجه، فشار سیال اثر نامطلوبی بر نیروی فنر ندارد. فشار طراحی Balanced Bellows به‌گونه‌ای است که این شیر در حداکثر فشار برگشتی یعنی (فشار برگشتی ≥15%) یا 15.9 (Bar) عمل می‌کند.

 

شیر اطمینان تبدیل

شیر اطمینان تبدیل یا change over valve برای افزایش قابلیت عملکرد و ایمنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این شیر امکان اتصال همزمان دو شیر اطمینان از طریق اتصال یک لوله به سیستم را فراهم می‌کند. یکی از شیرها در حال کار و دیگری در حالت آماده‌باش قرار می‌‎گیرد. مزیت استفاده از change over valve زمانی معلوم می‌شود که یکی از شیرها در حین کارکرد سیستم نیاز به تعمیر داشته باشد؛ در این شرایط دیگر نیازی به shut down کردن واحد ها برای تعمیرات و نگه‌داری شیرهای ایمنی نیست.

 

جمع بندی

انواع PSV را براساس دسته‌بندی شرکت لزر معرفی کردیم، انتخاب مدل مناسب این تجهیز براساس شرایط پروژه (دما،فشار کاری، نوع سیال و..) انجام می‌شود. کارشناسان ما در شرکت دامون به‌عنوان شریک تجاری این برند معتبر در تلاش‌اند تا راهنمای شما در انتخاب بهترین تجهیز باشند.