شیر اطمینان

تجهیز صنعت نمایندگی فروش انواع شیر اطمینان (ریلف ولو سوپاپ اطمینان) فولادی استیل برنجی بخار از  برندهای گوتزه آلمان هایسک HISEC تایوان لیزر با سایز 1/2 اینچ تا 2 اینچ با فشارکاری مختلف جهت انواع سیالات مختلف از قبیل گاز ، بخار، آب کاربرد در  صنایع نفت وگاز،  بخار ،تاسیسات حرارتی و برودتی و ….

شیرهای اطمینان (Safety Valves)

در هر سیستم دارای فشار یک دستگاه ایمنی احتیاج است که از تجهیزات و افراد در برابر اضافه فشار محافظت نماید. استفاده از دستگاه های ایمنی قدمتی تاریخی دارد و تقریبا به زمانی بر می گردد که انسان توانست برای تولید بخار آب را بجوشاند. دستگاهی که در صنعت برای ایمنی در برابر فشار بالا استفاده می شود، تحت عنوان شیرهای 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.

عملکرد شیر های 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. شیر اطمینان 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 بکار روند 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. 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

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 براساس 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 رهاسازی 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.

مدل های رایج طراحی بر اساس استانداردهای ASME و DIN 

طراحی ورودی ولو (Inlet Design) می تواند یا به صورت نازل کامل (Full Nozzle) یا به صورت نازل نیمه (Semi Nozzle) باشد. در طراحی نازل کامل، تمام مسیر ورودی سیال متشکل از یک تکه است و کانال ورودی به همراه دیسک تنها قطعاتی هستند که در حالت عملکرد نرمال شیر، با سیال ورودی در تماس هستند. طراحی فول نازل مناسبترین انتخاب برای سیالات خورنده است. در حالت نازل نیمه (Semi Nozzle) بالای کانال ورودی یا Inlet یک رینگ وجود دارد و به همراه پلاگ بالای آن، کل مجموعه سیت (Seat) را در ولو تشکیل می دهد.

مشخصه عملکردی شیرهای اطمینان

همانطور که پیشتر عنوان شد، عملکرد شیرهای اطمینان 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. 

انواع مختلف شیرهای اطمینان

انواع مختلفی از شیرهای اطمینان متناسب با کاربرد آن ها و شرایط فشاری وجود دارد. به این منظور قبل از معرفی انواع شیرهای اطمینان لازم است برخی اصطلاحات معرفی شوند.

فشار برگشتی (Back Pressure)

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

پدیده Simmering

در شیرهای اطمینان چنانچه نسبت فشار کاری (Poperation) به فشار نقطه تنظیم (Psetpoint) 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.

پدیده چترینگ (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:

شیر اطمینان معمولی (Conventional Safety Valves)

این شیر 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. 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 (Conventional Safety Valve) استفاده کرد.

شیر اطمینان بیلوزدار (Bellows Safety Valves)

در این شیرها 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 با کارکرد پیلوت (Pilot Operated Safety Valve)

این شیر 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.

انتخاب ولوهای اطمینان

معیارهای مختلفی برای انتخاب شیرهای اطمینان مناسب وجود دارد که در این قسمت به طور مختصر به توضیح آن ها می پردازیم.

• هزینه:

زمانی که شرایط بحرانی نیست، مهمتری معیار انتخاب شیرهای اطمینان هزینه است. هنگام مقایسه قیمت شیرهای اطمینان باید علاوه بر سایز نامی به ظرفیت آن نیز توجه شود. همانطور که در قسمت های پیشین توضیح دادیم تفاوت های زیادی میان مدل هایی با یک سایز ورودی در مشخصه باز و بست شدن وجود دارد.

• نوع سیستم دفع (Disposal system)

شیرهای دارای بونت باز برای بخار، هوا و یا گازهای غیر سمی که می توانند به اتمسفر ونت شوند مناسب است. در این شیرها معمولا یک اهرم بالابر وجود دارد. برای کاربردهای گاز یا مایع، تخلیه به بیرون مجاز نیست و بونت باید بسته باشد. همچنین یک کپ (Cap) بسته نیز نیاز است. علاوه بر موارد بفوق، باید به ملاحظات مربوط به فشار برگشتی و انتخاب مدل متناسب با فشار برگشتی لازم است.

• ساختمان ولو

برای سیالات غیر خورنده و یا غیر سمی در فشار متوسط، باید یک ساختمان نازل نیمه (Semi Nozzle) استفاده شود در حالی که ولوهای با نازل کامل (Full Nozzle) معمولا در صنعت برای سیالات خورنده و یا فشار بسیار بالا استفاده می شوند.

• مشخصه عملکردی

شرایط عملکردی متناسب با کاربرد متفاوت است. برای بویلرهای بخار معمولا یک اضافه فشار (Overpressure) کوچک 3% یا 5% نقطه تنظیم نیاز است. این میزان برای اکثر کاربردها 10% و بر طبق استاندارد API520 برای کاربردهای خاص مانند حفاظت در برابر آتش حدود 20% مجاز است. همچنین برای مایعات اورپرشر 10% تا 20% و مقدار بلوداون (Blowdown) تا 20% نیاز است.

به طور کلی ملاحظات زیر را در عملکرد سیستم باید نظر گرفت:

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.
نکات دیگری که هنگام انتخاب شیر باید به آن ها توجه گردد، عبارت است از:

مشخصات مکانیکی خود شیر

سیت های فلزی باید درجه بالایی از صافی را در سطح خود داشته باشند و عملیات پرداخت (Finishing) روی آن باید به خوبی انجام شود. حرکت دیسک و استم و راهنمای آن (Stem Guide) نباید دارای هیچگونه اصطکاک اضافی که موجب اخلال در حرکت آن شود باشد.
نیروی فنر وارده بر دیسک باید اختلاف کمی با فشار وارده بر سیستم داشته باشد. که به راحتی باز شود.
زمانی که شرایط سیستم اجازه دهد متریال های ارتجاعی و غیر فلزی برای عملکرد بهتر در هنگام قطع استفاده می شود. باید توجه گردد که این متریال ها آسیب پذیر تر از سیت های فلزی هستند.

سایزینگ شیرهای اطمینان (Safety Valve Sizing)

همانطور که در قسمت های پیشین توضیح دادیم سایزینگ مناسب شیرهای اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است. چراکه اولا شیر اطمینان باید قادر باشد اضافی را کاملا تخلیه کند، بنابراین اندازه ناحیه اوریفیس در هر یک از مدل های شیر اطمینان به اندازه کافی باید بزرگ باشد. ثانیا بیش از حد در نظر گرفتن مقدار سطح مقطع باعث ایجاد چترینگ (Chattering) و آسیب رسیدن به دیسک میشود.

نکات مربوط به نصب شیرهای اطمینان (Safety Valve Installation)

نصب شیرهای اطمینان یکی دیگر از مهمترین مسائل مربوط به این شیرها است که باید ملاحظات مربوط به آن جهت کارایی موثر شیر رعایت شود. شرایط پلنت، پیکربندی لوله کشی و ملاحظات مربوط به نویز همگی از نکات مهمی است که در نصب شیرهای اطمینان باید رعایت شوند.
قبل نصب این شیرها حتما لوله ها باید از هرگونه کثیفی پاکسازی شود چراکه تجمع ذرات موجود در لوله ممکن است به عملکرد شیر آسیب وارد کند.
حتما در کاربردهای بخار، شیر اطمینان در بالای خط لوله نصب گردد. این نکته به دلیل احتمال کندانس بخار در بالای دیسک باید رعایت شود.
باید خاطر نشان کرد که تخلیه شیر به خوبی باید انجام پذیرد، بنابراین باید لوله کشی در Discharge برای کاربردهای بخار رو به بالا باشد.