در هر سیستم بخار، افزایش فشار بیش از حد مجاز میتواند به تجهیزات، خطوط لوله و مخازن تحت فشار آسیب جدی وارد کند و در شرایط بحرانی، ایمنی افراد و تجهیزات را به خطر بیندازد. به همین دلیل، استفاده از شیر اطمینان بهعنوان آخرین تجهیز حفاظتی در برابر افزایش فشار، یکی از الزامات اساسی در طراحی سیستمهای بخار و تجهیزات تحت فشار است.
وظیفه این تجهیز آن است که هرگاه فشار سیستم از مقدار از پیش تعیینشده فراتر رود، بهصورت خودکار باز شده و با تخلیه بخشی از سیال، از افزایش بیشتر فشار جلوگیری کند. از آنجا که در بسیاری از شرایط اضطراری، این تجهیز آخرین وسیله محافظ سیستم محسوب میشود، طراحی، عملکرد و قابلیت اطمینان آن اهمیت ویژهای دارد.
شیر اطمینان چه وظیفهای در سیستم بخار دارد؟
هدف اصلی شیر اطمینان، حفاظت از جان افراد، تجهیزات و تأسیسات در برابر افزایش فشار بیش از حد مجاز است.
این شیر به گونهای طراحی شده است که بدون نیاز به هیچ منبع انرژی خارجی و تنها با استفاده از فشار سیال داخل سیستم عمل کند. هرگاه فشار از مقدار تنظیمشده بیشتر شود، شیر بهطور خودکار باز شده و بخشی از سیال را تخلیه میکند تا فشار دوباره به محدوده ایمن بازگردد. پس از عادی شدن شرایط نیز شیر مجدداً بسته میشود و از خروج غیرضروری سیال جلوگیری میکند.
در بسیاری از سیستمهای بخار، شیر اطمینان تنها تجهیزی است که در شرایط بروز اضافهفشار از بروز شکست تجهیزات جلوگیری میکند. به همین دلیل باید در تمام شرایط کاری و در هر زمان، عملکردی مطمئن و قابل اعتماد داشته باشد.
در سیستمهای بخار، این شیر معمولاً برای حفاظت از دیگ بخار، مخازن تحت فشار، تجهیزات پاییندست ایستگاههای کاهش فشار و سایر تجهیزاتی که ممکن است فشار آنها از حداکثر فشار مجاز کاری (MAWP) فراتر رود، نصب میشود.
در کنار نقش حفاظتی، در برخی فرآیندهای صنعتی نیز از شیرهای اطمینان برای جلوگیری از آسیب دیدن محصول در اثر افزایش فشار استفاده میشود.
چه عواملی باعث افزایش فشار در سیستم بخار میشوند؟
افزایش فشار در یک سیستم بخار همیشه به دلیل خرابی دیگ بخار یا شیر فشارشکن نیست. شرایط مختلفی میتواند باعث ایجاد اضافهفشار شود که مهمترین آنها عبارتاند از:
- بسته یا باز شدن ناخواسته شیرهای قطعووصل در مسیر فرآیند که باعث برهم خوردن تعادل جریان سیال میشود.
- از کار افتادن سیستم خنککننده و در نتیجه انبساط بخار یا سیال داخل تجهیزات.
- قطع برق یا هوای ابزار دقیق که باعث از کار افتادن تجهیزات کنترلی میشود.
- ایجاد نوسانات و جهشهای لحظهای فشار (Pressure Surge).
- قرار گرفتن تجهیزات در معرض آتشسوزی و افزایش شدید دمای سیال.
- سوراخ شدن یا شکست لولههای مبدلهای حرارتی.
- وقوع واکنشهای شیمیایی گرمازا و کنترلنشده در واحدهای فرآیندی.
- تغییرات دمای محیط که میتواند باعث افزایش فشار در برخی تجهیزات بسته شود.
در تمام این شرایط، اگر فشار از مقدار مجاز فراتر رود و هیچ تجهیز حفاظتی مناسبی وجود نداشته باشد، احتمال آسیب دیدن تجهیزات یا حتی وقوع حوادث جدی وجود خواهد داشت.
به همین دلیل، استانداردهای طراحی تجهیزات تحت فشار، نصب شیر اطمینان را در تمام نقاطی که احتمال تجاوز فشار از MAWP وجود دارد، الزامی میدانند.
طراحی شیر اطمینان (Safety Valve Design)
رایجترین نوع شیر اطمینان مورد استفاده در سیستمهای بخار، شیر اطمینان فنری (Spring Loaded Safety Valve) است. در این نوع شیر، نیروی بسته نگه داشتن دیسک توسط یک فنر تأمین میشود و هرگاه نیروی ناشی از فشار سیال از نیروی فنر بیشتر شود، شیر باز شده و عملیات تخلیه فشار آغاز میشود.
به دلیل سادگی طراحی، قابلیت اطمینان بالا و عملکرد کاملاً خودکار، این نوع شیر در صنایع بخار، نیروگاهها، تأسیسات حرارتی و بسیاری از تجهیزات تحت فشار کاربرد گستردهای دارد.
در سبد محصولات انرژی بخار آسیا نیز مدلهای مختلف شیر اطمینان فنری برای کاربردهای بخار و سیالات صنعتی عرضه میشود. برای مثال، شیر اطمینان دندهای برنجی L9-BP و L9-SP آیواز از مکانیزم فنری برای کنترل فشار استفاده میکنند و در بسیاری از کاربردهای تأسیساتی و صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
اجزای اصلی شیر اطمینان
اگرچه تولیدکنندگان مختلف ممکن است در جزئیات طراحی تفاوتهایی داشته باشند، اما ساختمان اصلی یک سیفتی ولو یا سفتی ولو فنری تقریباً در تمام مدلها یکسان است.
اجزای اصلی این شیر عبارتاند از:
- بدنه (Body)
- نازل یا مجرای ورودی (Nozzle)
- دیسک (Disc)
- فنر (Spring)
- بونت یا محفظه فنر (Bonnet)
- پیچ تنظیم فنر (Spring Adjuster)
عملکرد صحیح هر یک از این اجزا، در باز شدن دقیق شیر و حفاظت از سیستم نقش مهمی دارد.
بدنه (Body)
بدنه، بخش اصلی شیر اطمینان است و تمام اجزای داخلی روی آن نصب میشوند. طراحی بدنه معمولاً بهصورت زاویهدار (Right Angle Pattern) انجام میشود تا جریان سیال پس از باز شدن شیر با کمترین مقاومت از سیستم خارج شود.
ورودی بدنه مستقیماً به تجهیز یا خط تحت فشار متصل میشود و خروجی آن بسته به نوع کاربرد میتواند به لوله تخلیه متصل باشد یا سیال را مستقیماً به اتمسفر تخلیه کند.
در بسیاری از سیستمهای بخار، بهویژه در ظرفیتهای بالا، از شیرهای اطمینان فلنجی استفاده میشود، در حالی که در ظرفیتهای پایینتر معمولاً اتصال رزوهای کاربرد دارد.
نازل (Nozzle)
نازل، مسیر ورود سیال به داخل شیر اطمینان است و یکی از مهمترین بخشهای آن به شمار میرود.
در شیرهای اطمینان فنری، دو نوع طراحی برای نازل وجود دارد:
نازل کامل (Full Nozzle)
در این طراحی، تمام مسیر ورودی سیال از یک قطعه یکپارچه ساخته میشود و تنها بخشهایی که در شرایط عادی با سیال در تماس هستند، نازل و دیسک خواهند بود.
به دلیل مقاومت بالاتر در برابر سیالات خورنده و فشارهای زیاد، این نوع طراحی بیشتر در کاربردهای فرآیندی و فشار بالا استفاده میشود.
نازل نیمه (Semi Nozzle)
در این طراحی، نشیمنگاه شیر بهصورت یک رینگ جداگانه داخل بدنه نصب میشود.
مزیت اصلی این روش آن است که در صورت آسیب دیدن نشیمنگاه، میتوان تنها همان قطعه را تعویض کرد و نیازی به تعویض کل بدنه شیر نخواهد بود.
دیسک (Disc)
دیسک، قطعهای است که در شرایط عادی روی نشیمنگاه قرار گرفته و مسیر عبور سیال را کاملاً میبندد.
با افزایش فشار تا مقدار تنظیمشده، دیسک از روی نشیمنگاه بلند شده و مسیر تخلیه باز میشود.
در شیرهای اطمینان با عملکرد سریع (Pop Action)، اطراف دیسک قطعهای به نام Shroud یا Hood قرار میگیرد که نقش مهمی در باز شدن سریع شیر دارد.
فنر (Spring)
نیروی بسته نگه داشتن دیسک توسط فنر تأمین میشود.
فنر معمولاً از فولاد کربنی ساخته میشود و میزان فشردگی آن توسط پیچ تنظیم قابل تغییر است. با تغییر میزان پیشبار فنر، فشار تنظیمشده شیر نیز تغییر میکند.
به همین دلیل، تنظیم فشار عملکرد شیر باید تنها بر اساس دستورالعمل سازنده و توسط افراد متخصص انجام شود.
در شیرهای اطمینان فنری، انتخاب صحیح فنر یکی از مهمترین عوامل دستیابی به فشار تنظیم دقیق و عملکرد پایدار شیر محسوب میشود. جهت آشنایی بیشتر با شیرهای اطمینان فنری انرژی بخار آسیا، شیر اطمینان چدنی مدل NES2013 از کمپانی NES valves ترکیه را ملاحظه کنید.
بونت (Bonnet)
فنر در داخل محفظهای به نام بونت (Bonnet) قرار میگیرد.
این محفظه علاوه بر محافظت از فنر، محل قرارگیری مکانیزم تنظیم فشار نیز هست.
در برخی کاربردها، بونت به هوای آزاد راه دارد و در برخی دیگر کاملاً بسته طراحی میشود. انتخاب نوع بونت به شرایط فرآیند، نوع سیال و الزامات ایمنی بستگی دارد. از آنجا که این موضوع به انواع شیرهای اطمینان مربوط میشود، در مقاله «انواع شیر اطمینان» بهطور کامل بررسی خواهد شد.
سه پارامتر مهم در ظرفیت تخلیه شیر اطمینان
استانداردهای طراحی شیرهای اطمینان، سه سطح هندسی را بهعنوان پارامترهای اصلی تعیینکننده ظرفیت تخلیه معرفی میکنند. این پارامترها مبنای عملکرد شیر هستند و نباید با مباحث سایزینگ اشتباه گرفته شوند.
۱. سطح عبور جریان (Flow Area)
سطح عبور جریان، کوچکترین سطح مقطع موجود بین ورودی شیر و نشیمنگاه است و قطر آن معمولاً با حرف d نمایش داده میشود.
۲. سطح پردهای (Curtain Area)
زمانی که دیسک از روی نشیمنگاه بلند میشود، فضای حلقوی بین دیسک و نشیمنگاه ایجاد میشود که به آن Curtain Area گفته میشود.
این سطح با افزایش ارتفاع باز شدن دیسک بزرگتر میشود.
۳. سطح تخلیه (Discharge Area)
سطح تخلیه، کوچکترین مقدار بین Flow Area و Curtain Area است و در نهایت ظرفیت واقعی عبور سیال از شیر را تعیین میکند.
در شیرهای اطمینان Full Lift، ظرفیت تخلیه توسط سطح عبور جریان تعیین میشود، نه ارتفاع باز شدن دیسک. به همین دلیل این شیرها نسبت به شیرهای با لیفت کمتر، ظرفیت تخلیه بالاتری دارند.
از آنجا که بررسی انواع لیفت و تفاوت آنها موضوع مستقلی است، در مقاله «انواع شیر اطمینان» بهطور مفصل به آن خواهیم پرداخت.
نحوه عملکرد شیر اطمینان (Basic Operation of a Safety Valve)
عملکرد شیر اطمینان فنری بر پایه ایجاد تعادل بین نیروی ناشی از فشار سیال و نیروی فنر است. تا زمانی که فشار سیستم از مقدار تنظیمشده کمتر باشد، نیروی فنر دیسک را روی نشیمنگاه نگه میدارد و مسیر عبور سیال کاملاً بسته است.
اما با افزایش فشار تا مقدار تنظیمشده، این تعادل به هم میخورد و شیر وارد مرحله باز شدن میشود. طراحی داخلی شیر به گونهای است که این فرآیند تنها به بلند شدن تدریجی دیسک محدود نمیشود، بلکه با استفاده از اجزای داخلی، شیر در مدت بسیار کوتاهی به ظرفیت تخلیه مورد نیاز میرسد. جهت آشنایی بیشتر با شیرهای اطمینان فنری انرژی بخار آسیا، شیر اطمینان فلنجی PN16 و PN25 مدل NES 2013 ترکیه را ملاحظه کنید.
فرآیند باز شدن شیر اطمینان (Lifting)
زمانی که فشار استاتیک ورودی از فشار تنظیمشده شیر بیشتر شود، دیسک شروع به جدا شدن از نشیمنگاه میکند.
در همین لحظه، فنر نیز فشردهتر میشود و در نتیجه نیروی فنر افزایش مییابد. بنابراین برای آنکه دیسک بیشتر باز شود، فشار سیستم نیز باید همچنان افزایش پیدا کند.
اختلاف بین فشار تنظیمشده (Set Pressure) و فشاری که شیر در آن به ظرفیت نامی تخلیه خود میرسد، اضافهفشار (Overpressure) نامیده میشود.
مقدار مجاز اضافهفشار به استاندارد مورد استفاده و نوع سیال بستگی دارد. در شیرهای مورد استفاده برای بخار و سایر سیالات تراکمپذیر، این مقدار معمولاً بین ۳ تا ۱۰ درصد است، در حالی که برای مایعات معمولاً بین ۱۰ تا ۲۵ درصد در نظر گرفته میشود.
چرا شیر اطمینان به سرعت باز میشود؟
اگر تنها نیروی فشار و فنر در عملکرد شیر دخالت داشتند، باز شدن شیر بهصورت تدریجی انجام میشد و ظرفیت تخلیه لازم در زمان مناسب تأمین نمیشد.
به همین دلیل، در طراحی شیرهای اطمینان فنری، اطراف دیسک قطعهای به نام Shroud یا Hood قرار میگیرد. فضای داخلی این قطعه، محفظه کنترل (Huddling Chamber) نام دارد و یکی از مهمترین بخشهای عملکرد شیر محسوب میشود.
با آغاز حرکت دیسک، بخشی از سیال وارد این محفظه میشود. در نتیجه، سطح بیشتری از شِرود در معرض فشار قرار میگیرد و نیروی بازکننده افزایش مییابد.
از آنجا که نیروی وارد بر دیسک حاصلضرب فشار در سطح مؤثر است (F = P × A)، افزایش سطح تحت فشار باعث افزایش سریع نیروی بازکننده میشود. این افزایش نیرو از افزایش نیروی فنر بیشتر است و باعث میشود دیسک با سرعت زیادی تا ارتفاع طراحیشده باز شود.
همزمان، تغییر مسیر جریان در داخل شِرود، نیروی واکنشی ایجاد میکند که باز شدن شیر را بیشتر تقویت میکند.
مجموع این عوامل باعث میشود شیر تنها با مقدار کمی اضافهفشار، به ظرفیت کامل تخلیه برسد.
تفاوت عملکرد در بخار و مایعات
در سیالات تراکمپذیر مانند بخار، پس از باز شدن شیر، سیال از ناحیه پرفشار به ناحیه کمفشار حرکت میکند و به سرعت منبسط میشود. این انبساط سریع، یکی از عوامل مؤثر در باز شدن کامل شیر در محدوده اضافهفشار نسبتاً کم است.
در مایعات، به دلیل تراکمناپذیر بودن سیال، این پدیده وجود ندارد. به همین علت، برای رسیدن شیر به ظرفیت کامل تخلیه، معمولاً اضافهفشار بیشتری لازم است و مقادیر حدود ۲۵ درصد نیز متداول است.
بسته شدن مجدد شیر اطمینان (Reseating)
پس از آنکه فشار سیستم به محدوده ایمن بازگردد، شیر باید دوباره بسته شود. با این حال، بسته شدن شیر دقیقاً در همان فشار تنظیمشده انجام نمیشود.
دلیل این موضوع آن است که پس از باز شدن شیر، سطح بزرگتری از دیسک همچنان تحت تأثیر فشار سیال قرار دارد و تا زمانی که فشار به اندازه کافی کاهش پیدا نکند، نیروی فنر قادر به نشاندن مجدد دیسک روی نشیمنگاه نخواهد بود.
اختلاف بین فشار تنظیم (Set Pressure) و فشار بسته شدن مجدد شیر، بلوداون (Blowdown) نام دارد و معمولاً بهصورت درصدی از فشار تنظیم بیان میشود.
برای سیالات تراکمپذیر مانند بخار، مقدار Blowdown معمولاً کمتر از ۱۰ درصد و برای مایعات تا حدود ۲۰ درصد است.
نقش طراحی Huddling Chamber در عملکرد شیر
طراحی محفظه Huddling Chamber باید به گونهای باشد که دو هدف را همزمان تأمین کند:
- شیر با سرعت کافی باز شود و اضافهفشار سیستم را در کوتاهترین زمان ممکن تخلیه کند.
- پس از کاهش فشار، شیر بدون تخلیه غیرضروری سیال دوباره بسته شود.
اگر مقدار Blowdown بسیار کم باشد، ممکن است شیر بلافاصله پس از بسته شدن دوباره باز شود و عملکرد ناپایداری پیدا کند. در مقابل، اگر مقدار Blowdown بیش از حد زیاد باشد، فشار سیستم باید بیش از حد کاهش یابد تا شیر بسته شود که این موضوع نیز مطلوب نیست.
به همین دلیل، طراحی صحیح محفظه Huddling Chamber نقش مهمی در عملکرد پایدار شیر اطمینان دارد.
حلقههای Blowdown در شیرهای ASME
در بسیاری از شیرهای اطمینان مطابق استاندارد ASME، برای تنظیم دقیق عملکرد شیر از حلقههای Blowdown استفاده میشود.
این شیرها معمولاً دارای دو حلقه تنظیم هستند:
- حلقه پایینی (Lower Blowdown Ring یا Nozzle Ring) که بر مقدار اضافهفشار و میزان Blowdown تأثیر مستقیم دارد.
- حلقه بالایی (Upper Blowdown Ring) که معمولاً در کارخانه تنظیم میشود و وظیفه آن جبران تلرانسهای ساخت و تنظیم دقیق هندسه محفظه Huddling Chamber است.
حلقه پایینی نیز در کارخانه مطابق الزامات استاندارد تنظیم میشود، اما در برخی شرایط امکان تغییر موقعیت آن وجود دارد.
اگر این حلقه در بالاترین موقعیت قرار گیرد، حجم محفظه Huddling Chamber افزایش مییابد و شیر با سرعت بیشتری باز میشود. در این حالت مقدار اضافهفشار کاهش پیدا میکند، اما برای بسته شدن مجدد شیر، افت فشار بیشتری لازم خواهد بود و در نتیجه مقدار Blowdown افزایش مییابد.
در مقابل، اگر حلقه در پایینترین موقعیت تنظیم شود، محدودیت جریان در محفظه کمتر میشود. در این شرایط، شیر برای رسیدن به بازشدگی کامل به اضافهفشار بیشتری نیاز خواهد داشت، اما مقدار Blowdown کاهش پیدا میکند.
در مقاله بعدی که استانداردهای شیر اطمینان را معرفی کردهایم، میتوانید علاوه بر اصول طراحی و عملکرد با استانداردهای این تجهیز نیز آشنا شوید.