شیر اطمینان چیست ؟

شیر اطمینان چیست ؟

در هر سیستم دارای فشار یک دستگاه ایمنی احتیاج است که از تجهیزات و افراد در برابر اضافه فشار محافظت نماید. دستگاهی که در صنعت برای ایمنی در برابر فشار بالا استفاده می شود، تحت عنوان شیر اطمینان (Safety Valves) و یا ریلیف ولو (Safety Relief Valves) شناخته می شود. ریلیف ولوها برای آزاد کردن تدریجی اضافه فشار به کار می رود.

استفاده از دستگاه های ایمنی قدمتی تاریخی دارد و تقریبا به زمانی بر می گردد که انسان توانست برای تولید بخار آب را بجوشاند.

عملکرد شیر اطمینان

مکانیزم عملکرد شیرهای اطمینان به این صورت است که در زمان رسیدن فشار سیال به میزان معین، شیر اطمینان عمل میکند و کار رها سازی را انجام می دهد. لازم به ذکر است که عملکرد این شیرها کاملا به صورت مکانیکی است و هیچگونه سیگنال الکتریکی در این شیرها وجود ندارد. Safety Valve معمولا در آخرین لایه های محافظت در برابر فشار بالا قرار می گیرد. به همین دلیل حصول اطمینان از عملکرد این شیر در هر شرایطی و در هر زمانی لازم است.

شیرهای اطمینان باید در جایی به کار بروند که احتمال عبور از حداکثر فشار مجاز، بالا باشد. ولوهای اطمینان در سیستم های بخار معمولا برای اضافه فشار بویلرها بکار می روند. این شیرها همچنین در فرایند برای حفاظت در برابر ایجاد خسارت در تجهیزات هنگام وجود فشار اضافی، بکار می روند.

شیر اطمینان فشار

فشار اضافی در شرایط گوناگونی می تواند ایجاد شود. به عنوان مثال:

• عدم تعادل فشار که به دلیل باز یا بسته شدن ناخواسته ولوهای ایزوله ایجاد می شود.

• مخدوش شدن عملکرد سیستم خنک کاری که موجب انتشار بخار می شود.

• هوای فشرده و عدم کارکرد صحیح سیستم کنترل و کنترل ولوها

• موج فشار گذرا

• خرابی لوله مبدل حرارتی

• واکنش های گرماده در پلنت های شیمیایی

• تغییر در دمای محیط

ساختار داخلی شیر اطمینان صنعتی

شیرهای اطمینان دارای مدل های مختلفی بر اساس ساختار داخلی میباشند. شیر اطمینان فنری دار، پیستونی و وزنه ای از انواع این شیرها محسوب میشوند. این مدل ها بر اساس استانداردهای ASME و DIN طراحی و تولید میشوند.

لازم به ذکر است که این شیر ها با عملکرد فنری رایج ترین مدل سیفتی ولو یا شیراطمینان محسوب میشود. در شکل زیر ساختار داخلی یک شیر اطمینان فنری از نوع معمولی یا conventional را مشاهده میکنید:

انواع شیر اطمینان

انواع مختلفی از شیرهای اطمینان بر اساس فشار برگشتی یا Back Pressure و متناسب با کاربرد آن ها و شرایط فشاری وجود دارند که به شرح زیر می باشند:

شیر اطمینان معمولی

این شیر (Conventional Safety Valve) دارای عملکردی معمولی میباشد که هیچ مکانیزمی در آن برای مقابله با آسیبهایی نظیر چترینگ وجود ندارد. و متعاقبا بیشترین تاثیر را از فشار برگشتی می پذیرد. بر اساس کلاس بندی استاندارد ASME/ANSI، تخلیه این ولوها یا به اتمسفر است و یا به قسمت تخلیه هستند.

شیرهایی که تخلیه به اتمسفر (Vent to Atmosphere) هستند بیشترین اثر فشار برگشتی را دارا هستند. در مواردی که فشار برگشتی زیر 5% نقطه تنظیم (setpoint) باشد می توان از شیر اطمینان معمولی استفاده کرد.

شیر اطمینان بیلوز دار

در این شیرها (Bellows Type) یک بیلوز به قسمت سیت و نازل، در بالای دیسک متصل می شود و عنوان راهنما برای اسپیندل عمل می کند. این بیلوز دور تا دور دیسک به طور یکنواخت نیرو وارد می کند و باعث ایجاد یک تعادل نیرویی در آن می شود و بر این اساس اثر فشار برگشتی را در بالای دیسک محدود می کند. در مواردی که فشار برگشتی بین 10% تا 35% فشار نقطه تنظیم باشد، باید از شیر اطمینان Bellows دار استفاده شود.

شیر اطمینان پایلوت

این شیر (Pilot-Operated) از خود فشار ورودی برای کنترل عملکرد باز و بست شدن سیت استفاده می کند. به صورتی که یک انشعاب از فشار ورودی به بالای سیت ایجاد میگردد و متناسب با فشار ورودی، نیرویی در بالای سیت نیز ایجاد می شود که به کنترل عملکرد سیت در زمان هایی که فشار برگشتی زیاد است کمک می کند.

این نوع شیرها دارای دو مدل پیستونی و دیافراگمی هستند که مدل های دیافراگمی برای کاربردهای فشار پایین استفاده می شود. نمونه ای از مدل پیستونی این شیرها را در شکل زیر میبینید. از این نوع شیرها زمانی استفاده می شود که فشار برگشتی (Back Pressure) بیشتر از 35% نقطه تنظیم فشار باشد.

انواع شیر اطمینان بر اساس عملکرد

همانگونه که توضیح دادیم شیرهای اطمینان در موارد مختلفی کاربرد دارد و متناسب با کاربردهای مختلف، تنوع بالایی در طراحی شیرهای اطمینان یافت می شود. این انواع طراحی بر اساس عملکرد و  استانداردهای مختلفی تولید می شود. به عنوان مثال در استاندارد ASME/ANSI PTC25.3 ترم های زیر تعریف میشوند:

• شیرهای رهاسازی (Relief Valve)

یک دستگاه تخلیه فشار که با فشار ورودی عمل می کند و متناسب با این فشار به صورت آرام باز و بست می شوند تا عمل رهاسازی فشار ورودی را به تدریج انجام دهند. شیرهای رهاسازی بیشتر برای مایعات کاربرد دارند.

• شیرهای اطمینان (Safety Valve)

شیرهایی که هنگام وجود فشار اضافی باز شده و دوباره بسته می شوند که از خروج جریان اضافی بعد از بازگشت به حالت نرمال، جلوگیری کنند. عملکرد این تجهیز به صورت سریع باز شونده یا پاپ اکشن (pop action) است که متناسب با افزایش فشار باز و بسته می شود. این شیر ممکن است برای سیالات متراکم و یا غیر متراکم متناسب با طراحی، تنظیم و کاربردشان به کار رود. این نوع شیر اطمینان بیشتر برای گازها کاربرد دارد.

• شیرهای اطمینان رهاسازی (Safety Relief Valve)

شیرهایی که عملکرد دوگانه دارند و می توانند یا به صورت پاپ اکشن و یا تدریجی و متناسب با فشار ورودی اضافه فشار را تخلیه کنند. در هر دو فاز مایع و گاز می توان ار شیرهای اطمینان رهاسازی استفاده کرد.

کاربرد شیر اطمینان

شیر اطمینان یا سفتی ولو معمولا روی تجهیزاتی که احتمال افزایش فشار بیش از حد مجاز و ناخواسته در آنها وجود دارد نصب می‌شوند. دلایل متفاوتی برای افزایش فشار در هر فرآیند وجود دارد که مهندسان فرآیند و ایمنی باتوجه به نوع فرآیند شکل‌گرفته در هر تجهیز، احتمال وقوع هر یک از این دلایل را پیش‌بینی می‌کنند و متناسب با آن، شیرهای اطمینان را طراحی میکنند.

در ادامه به برخی از مهمترین موارد استفاده سیفتی ولوها اشاره میکنیم:

• مخازن

• بویلر

• برج های تقطیر

• خطوط فلر

• مبدل های حرارتی

• تجهیزات ایستگاه های تقویت فشار

• تجهیزات سرچاهی

نصب شیر اطمینان

نحوه صحیح نصب در شیر اطمینان یکی از مهمترین نکاتی است که حتمآ برای کارایی موثر و عملکرد درست در شیر رعایت شود. شرایط فرآیندی، نوع پیکربندی لوله کشی و سیستم پایپینگ، ملاحظات نصب و همچنین مقدار مجاز نویز همگی از نکات مهمی است که در نصب شیرهای اطمینان باید رعایت شوند.

در ادامه به مهمترین نکاتی که در نصب شیر اطمینان باید رعایت نمود اشاره میکنیم:

• 1- قبل نصب این شیر حتما لوله ها باید از هرگونه کثیفی پاکسازی شود چراکه تجمع ذرات موجود در لوله ممکن است به عملکرد شیر آسیب وارد کند.

• 2- در سرویس های بخار به دلیل احتمال ایجاد کندانس بخار در بالای دیسک، شیر اطمینان حتمآ باید در بالای خط لوله نصب بشود. به عبارتی دیگر به جهت اینکه تخلیه شیر به خوبی انجام بگیرد برای سیستم های بخار لوله کشی در قسمت Discharge باید رو به بالا باشد.

برندهای مطرح شیر اطمینان

شیر های اطمینان در برند های بسیاری ساخته و تولید میشوند و در صنایع مورد استفاده میباشند. با توجه به بحث ایمنی و حساسیتی که در مورد استفاده از شیرهای اطمینان وجود دارد، توصیه میکینم این شیرها را از برندهای معتبر تهیه کنید که دارای کیفیت لازم میباشند و استاندارد ها در تولید آنها رعایت شده است. در ادامه به برخی از معتبرترین برندهای شیر اطمینان میپردازیم:

• شیر اطمینان لسر LESER

• شیر اطمینان CROSBY

• سیفتی ولو پارکر PARKER

• شیر اطمینان پکنز PAKKENS

• شیر اطمینان هایسک HISEC

اصطلاحات شیر اطمینان

قبل از معرفی انواع شیرهای اطمینان لازم است برخی اصطلاحات معروف در مورد شیرهای اطمینان معرفی شوند.

Back Pressure (فشار برگشتی)

به مجموع فشارهایی که قبل عملکرد به طور پیش فرض در بالای دیسک وجود دارد (Superimposed) و فشاری که بعد از عمل کردن شیر در بالای دیسک انباشته می شود (Build up)، فشار برگشتی یا Back Pressure میگوییم.

Simmering

در شیرهای اطمینان چنانچه نسبت فشار کاری (P operation) به فشار نقطه تنظیم (P setpoint) نزدیک به 0.9 باشد، پدیده باز و بسته شدن کوتاه در ولو اتفاق می افتد که به آن Simmering گفته می شود. در شیرهای اطمینان معمولا در حوالی نقطه تنظیم (set point) حدود 1bar جای تنظیم مجدد وجود دارد که به آن Shut off Margin گفته می شود و می توان به کمک آن پدیده سیمرینگ را از بین برد.

Chattering

در اثر بزرگ بودن سطح مقطع ورودی و سایزینگ نامناسب اتفاق می افتد و در آن، عدم بر هم کنش متعادل فشار ورودی و فشار برگشتی موجب ضربات مکرر دیسک به سیت می شود.

انواع مختلف شیرهای اطمینان بر اساس شرایط و یا مثلا برای از بین بردن پدیده هایی مانند چترینگ یا سیمرینگ طراحی و ساخته شده اند. در این مقاله به سه نمونه پر کاربرد می پردازیم:

سایزینگ شیر اطمینان

انتخاب سایز مناسب شیر اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار میباشد. شیر اطمینان باید قادر باشد فشار اضافی را کاملا تخلیه کند. بنابراین اندازه اوریفیس در هر یک از مدل های شیر اطمینان به اندازه کافی باید بزرگ باشد.

از طرفی دیگر بیش از حد در نظر گرفتن مقدار سطح مقطع (اوریفیس) باعث ایجاد مشکلاتی نظیر پدیده چترینگ (Chattering) خواهد شد و موجب آسیب دیدن دیسک شیر خواهد شد.

ملاحظات طراحی شیر اطمینان

به طور کلی ملاحظات زیر را در سایزینگ یک شیر اطمینان باید در نظر داشت:

• فشار کاری نرمال (Normal Working Pressure): فشار کاری سیستم در شرایط نرمال

• حداکثر فشار کاری مجاز (Maximum Allowable Working Pressure): این مقدار حداکثر فشار موجود در شرایط نرمال سیستم است.

• حداکثر فشار تجمعی مجاز (Maximum allowable accumulation pressure): حداکثر فشار مجاز برای سیستم با توجه به ویژگی های طراحی شیر.

• نقطه تنظیم (Set Pressure): فشاری که در آن سیت ولو شروع به بالا رفتن می کند.

• فشار رهاسازی (Relieving Pressure): فشاری که در آن شیر به حداکثر ظرفیت خود می رسد. این مقدار برابر مجموع فشار تنظیم (Set Pressure) و اضافه فشار (Overpressure) است.

• اضافه فشار (Overpressure): این میزان که برحسب درصدی از نقطه تنظیم بیان می شود، مقدار اختلاف فشار نقطه تنظیم و فشاری است که در آن دیسک شیر کاملا باز و در حال تخلیه است (Relieving Pressure).

• محکم بودن سیت (Seat Tightness): محکم بودن سیت یکی از ملاحظات مهمی است که در انتخاب و نصب شیرهای اطمینان باید در نظر گرفت. چراکه عدم توجه به این مورد نه تنها ممکن است به افت جریان بیانجامد، بلکه وجود نشتی موجب زوال سطوح آب بندی میشود که این امر می تواند موجب بلند شدن زود هنگام دیسک شود و عملکرد شیر به مرور مخدوش شود.

مشخصه عملکردی سیفتی ولو

همانطور که بیان شد عملکرد شیرهای اطمینان  Safety Valves در حضور فشار اضافی به صورت پاپ اکشن عمل میکند و باز و بست می شوند. این شیرها ریست و بسته شدن نیز طبق یک مشخصه عملکردی انجام می شود. معمولا عملکرد این شیرها به این شکل است که در نقطه تنظیم شروع به باز شدن می کنند و در 10% آن کاملا باز می شود (Overpressure area). هنگام ریست شدن نیز در نقطه تنظیم شروع به بسته شده می کند و در 10% پایین تر از نقطه تنظیم بسته می شود (Blowdown area). در مایعات، این حدود به 20% نیز می رسد.