سایزینگ صحیح شیر اطمینان یکی از مهم‌ترین مراحل در طراحی و انتخاب تجهیزات حفاظت در برابر افزایش فشار است. یک شیر اطمینان باید بتواند در شرایط خطا، مقدار لازم بخار یا سیال را تخلیه کند؛ به‌گونه‌ای که فشار تجهیز حفاظت‌شده از حداکثر فشار تجمعی مجاز (MAAP) عبور نکند. بنابراین انتخاب شیر صرفاً بر اساس سایز اتصال یا قطر لوله انجام نمی‌شود و ظرفیت تخلیه، فشار تنظیم، شرایط جریان و اطلاعات سازنده باید هم‌زمان بررسی شوند.

چرا سایزینگ شیر اطمینان اهمیت دارد؟

برای سایزینگ، ابتدا نوع شیر اطمینان، فشار تنظیم (Set Pressure) و محل قرارگیری آن در سیستم مشخص می‌شود. پس از آن باید ظرفیت تخلیه موردنیاز محاسبه شود. وقتی ظرفیت لازم مشخص شد، می‌توان با استفاده از اطلاعات و نمودار ظرفیت سازنده، سطح اوریفیس و سایز اسمی مناسب شیر را انتخاب کرد. این رویکرد باعث می‌شود شیر در تمام شرایط خطای قابل‌بررسی، ظرفیت کافی برای تخلیه داشته باشد.

تعیین حداکثر ظرفیت تخلیه موردنیاز

برای تعیین حداکثر ظرفیت، باید تمام مسیرهای جریان مرتبط در بالادست شیر اطمینان بررسی شوند. اگر تنها یک مسیر جریان وجود داشته باشد، محاسبه ساده‌تر است؛ اما در سیستم‌هایی که چند مسیر بالقوه برای ورود سیال به تجهیز وجود دارد، باید احتمال خرابی هم‌زمان تجهیزات کنترل فشار نیز در نظر گرفته شود.

در چنین شرایطی دو رویکرد وجود دارد: شیر بر اساس بیشترین جریان خطا در بین مسیرها سایز شود، یا ظرفیت آن برای تخلیه مجموع جریان‌های خطا در نظر گرفته شود. انتخاب بین این دو روش به ارزیابی ریسک خرابی هم‌زمان و الزامات مسئول طراحی یا بیمه‌کننده واحد بستگی دارد. در سایت اسپیراکس سارکو توصیه شده است که در صورت وجود چند مسیر جریان، امکان خرابی هم‌زمان شیرهای کنترل فشار بالادست در سایزینگ لحاظ شود.

 

محاسبه Fault Flow

پس از مشخص شدن سناریوی خطا، باید مقدار جریان عبوری در حالت خرابی تعیین شود. برای این کار، سه پارامتر اصلی اهمیت دارند: فشار خطای احتمالی که از Set Pressure شیر اطمینان بالادست به دست می‌آید، فشار رلیف شیر اطمینانی که در حال سایز شدن است و ظرفیت کامل شیر کنترل بالادست یا KVS.

در این مرحله، نسبت افت فشار نیز محاسبه می‌شود. اگر این نسبت کمتر از 0.42 باشد، از رابطه مربوط به جریان غیربحرانی استفاده می‌شود؛ اما اگر نسبت افت فشار 0.42 یا بیشتر باشد، جریان بحرانی در شیر کنترل ایجاد شده و رابطه جریان بحرانی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مثال عددی برای تعیین ظرفیت شیر اطمینان

فرض کنید، فشار تنظیم شیر اطمینان بالادست 11.6 bar g است و شیر اطمینان تجهیز مورد حفاظت در فشار تنظیم 4 bar g قرار دارد. فشار رلیف شیر با در نظر گرفتن 5 درصد Overpressure برابر 4.2 bar g در نظر گرفته شده است. با تبدیل فشارها به فشار مطلق، P1 برابر 12.6 bar a و P2 برابر 5.2 bar a خواهد بود.

نسبت افت فشار برابر 0.59 به دست می‌آید؛ بنابراین چون مقدار آن از 0.42 بیشتر است، جریان در وضعیت بحرانی قرار دارد. با KVS برابر 6.3، مقدار Fault Flow برابر 953 kg/h محاسبه می‌شود. در نتیجه شیر اطمینان باید حداقل توانایی تخلیه 953 kg/h را در فشار تنظیم 4 bar g داشته باشد.

اصول طراحی و عملکرد شیر اطمینان (Safety Valve) در سیستم‌های بخار از مهندس وحید علیزاده

انتخاب سایز شیر با استفاده از Capacity Chart

پس از تعیین Fault Flow، در حالت معمول می‌توان به نمودار ظرفیت سازنده مراجعه کرد. فرض کنید ، برای فشار تنظیم 4 bar g و ظرفیت موردنیاز 953 kg/h، شیر اطمینان DN32/50 با ظرفیت 1284 kg/h انتخاب می‌شود. نکته مهم این است که سایز اتصال به‌تنهایی معیار انتخاب نیست؛ معیار اصلی، ظرفیت واقعی و تأییدشده شیر در شرایط موردنظر است.

ضریب تخلیه و سطح اوریفیس

اگر نمودار ظرفیت سازنده برای سیال یا شرایط خاص در دسترس نباشد، یا شرایطی مانند Backpressure، ویسکوزیته بالا یا جریان دوفازی وجود داشته باشد، ممکن است لازم باشد حداقل سطح اوریفیس به‌صورت محاسباتی تعیین شود. استانداردهایی مانند AD-Merkblatt A2، DIN 3320، TRD 421، ASME/API RP 520، BS 6759 و EN ISO 4126 روش‌های محاسباتی مرتبط را ارائه می‌کنند.

این روش‌ها بر ضریب تخلیه (Coefficient of Discharge) تکیه دارند. ضریب تخلیه نسبت ظرفیت واقعی اندازه‌گیری‌شده به ظرفیت تئوری نازلی با سطح جریان معادل است. این ضریب برای هر رنج شیر مشخص بوده و توسط سازنده تأیید می‌شود. در برخی روش‌ها، ضریب تخلیه تأییدشده با یک ضریب اطمینان دیگر کاهش داده می‌شود و به صورت Kdr = Kd × 0.9 در نظر گرفته می‌شود.

 

جریان بحرانی و غیربحرانی

در جریان گاز یا بخار از یک اوریفیس، با کاهش فشار پایین‌دست، دبی افزایش می‌یابد؛ اما این روند تا رسیدن به فشار بحرانی ادامه دارد. پس از رسیدن جریان به حالت بحرانی، کاهش بیشتر فشار پایین‌دست باعث افزایش بیشتر دبی نمی‌شود. به همین دلیل، تشخیص Critical Flow یا Sub-critical Flow یکی از مراحل مهم در انتخاب رابطه مناسب برای سایزینگ است.

برای بخار اشباع، در Manual مقدار تقریبی ضریب ایزنتروپیک k برابر 1.135 و برای بخار سوپرهیت حدود 1.3 پیشنهاد شده است. همچنین برای بخار اشباع، فشار بحرانی به‌صورت تقریبی 58 درصد فشار ورودی تجمعی بر مبنای فشار مطلق در نظر گرفته می‌شود.

اثر Overpressure و Backpressure

پیش از سایزینگ باید Overpressure طراحی مشخص باشد. ظرفیت شیر نباید در Overpressure کمتر از مقداری محاسبه شود که ضریب تخلیه بر اساس آن تعیین شده است؛ استفاده از Overpressure بالاتر، در محدوده مجاز روش مورد استفاده، امکان‌پذیر است.

Backpressure نیز می‌تواند بر ظرفیت تخلیه اثر بگذارد. برخی استانداردها اصلاح Backpressure را مستقیماً در تابع جریان لحاظ می‌کنند و برخی دیگر به یک ضریب تصحیح جداگانه نیاز دارند. بنابراین در سیستم‌هایی که تخلیه شیر به خط برگشت یا هدر با فشار قابل‌توجه انجام می‌شود، Backpressure باید در محاسبات سایزینگ لحاظ شود.

 

جریان دوفازی و سیالات با ویسکوزیته بالا

در کاربردهایی مانند آب داغ، ممکن است هنگام باز شدن شیر اطمینان بخشی از مایع در اثر افت فشار تبخیر شود و جریان خروجی به صورت دوفازی شامل بخار و مایع شکل بگیرد. در این حالت ابتدا سهم بخار در جریان تعیین می‌شود؛ سپس ظرفیت بخش بخار و بخش مایع جداگانه در محاسبات سطح جریان در نظر گرفته شده و مجموع سطوح لازم، حداقل سطح اوریفیس را مشخص می‌کند.

برای سیالات با ویسکوزیته بالا نیز ابتدا سایز شیر با فرض سیال غیرلزج تعیین می‌شود. سپس عدد رینولدز و ضریب تصحیح ویسکوزیته محاسبه شده و ظرفیت شیر انتخاب‌شده دوباره بررسی می‌شود. اگر سایز انتخابی پس از اعمال ضریب تصحیح ظرفیت کافی نداشته باشد، باید سایز بزرگ‌تر انتخاب و فرآیند بررسی تکرار شود.

استانداردهای محاسبه سایز شیر اطمینان

در شرایط مختلف ممکن است روش محاسبه بر اساس استاندارد متفاوت باشد. Manual به روش‌های AD-Merkblatt A2، DIN 3320 و TRD 421، همچنین ASME/API RP 520، BS 6759 و EN ISO 4126 اشاره می‌کند. برای بخار، هوا و گاز و مایعات، روابط و ضرایب متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد و انتخاب روش باید با توجه به نوع سیال، شرایط فشار و دما، Backpressure، جریان دوفازی و الزامات پروژه انجام شود.

بنابراین سایزینگ دقیق شیر اطمینان یک انتخاب ساده بر اساس DN خط نیست. ظرفیت تخلیه، فشار تنظیم، شرایط رلیف و ویژگی‌های واقعی شیر باید با هم تطبیق داده شوند.

پیشنهاد مطالعه | درباره استانداردهای شیر اطمینان بیشتر بدانید.

انتخاب و خرید شیر اطمینان از انرژی بخار آسیا

پس از انجام محاسبات سایزینگ، مرحله بعد انتخاب شیر اطمینانی است که ظرفیت، فشار کاری، نوع اتصال و مشخصات فنی آن با شرایط سیستم مطابقت داشته باشد. شرکت انرژی بخار آسیا مجموعه‌ای از شیرهای اطمینان مورد استفاده در صنایع بخار و تأسیسات تحت فشار را ارائه می‌کند.

برای کاربردهایی که به شیر اطمینان چدنی نیاز دارند، مدل NES2013 از کمپانی NES Valves ترکیه در سبد محصولات قرار دارد. همچنین شیر اطمینان برنجی دنده‌ای مدل‌های L9-BP و L9-SP آیواز ترکیه و شیر اطمینان فلنجی PN16 و PN25 مدل NES 2013 نیز قابل ارائه هستند. برای کاربردهای مرتبط با بویلر و سیستم‌های بخار نیز می‌توان از مجموعه شیرهای اطمینان دیگ بخار استفاده کرد.

خدمات تنظیم و کالیبراسیون شیر اطمینان

لازم به ذکر است که شرکت انرژی بخار آسیا به‌عنوان نماینده رسمی و عامل فروش اصلی محصولات کمپانی آیواز ترکیه در ایران، شیرهای اطمینان خریداری‌شده را به‌صورت رایگان برای مشتریان خود تنظیم و کالیبره نموده و به همراه برگه گواهی کالیبراسیون و به‌صورت پلمب‌شده در اختیار آنها قرار می‌دهد. شرکت انرژی بخار آسیا انواع شیر اطمینان شامل شیر اطمننیان چدنی، شیر اطمینان برنجی و شیر اطمینان PN16 , 25 را در سبد محصولات خود دارد.

جمع‌بندی

سایزینگ شیر اطمینان باید بر اساس ظرفیت واقعی موردنیاز برای تخلیه در شرایط خطا انجام شود. ابتدا سناریوهای افزایش فشار و مسیرهای احتمالی جریان بررسی می‌شوند، سپس Fault Flow تعیین شده و با توجه به فشار تنظیم، شرایط جریان و ظرفیت تأییدشده سازنده، سطح اوریفیس و سایز مناسب انتخاب می‌شود. در شرایط خاص مانند Backpressure، ویسکوزیته بالا یا جریان دوفازی، محاسبات استاندارد و ضرایب تصحیح اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. در نهایت، انتخاب صحیح شیر اطمینان باید بر مبنای محاسبات مهندسی و اطلاعات فنی معتبر سازنده انجام شود.