شیر اطمینان(PSV)

[Danyal.KH]

شیر اطمینان یا PSV ( قسمت اول )

شیر اطمینان یا PSV فشار یکی از تجهیزات ایمنی در صنایع نفت و گاز است که مانع از قرار گرفتن لوله ها ، شیرآلات، مخازن تحت فشار و ... در شرایط فشاری بیش از فشار طراحی می شود. بنابراین انتخاب PSV بسیار مهم بوده و باید با احتیاط کامل صورت پذیرد.
در انتخاب PSV و تعیین جزئیات آن چند سوال مهم مطرح می گردد :
· چه نوع PSV برای فرایند مورد نظر ما مناسب است؟
· آیا روش ساده ای برای محاسبه سایز PSV وجود دارد که راحتر از محاسبات دستی باشد ؟
· چه نوع متریالی برای PSV باید انتخاب گردد تا با شرایط فرآیندی مورد نظر هم خوانی داشته باشد ؟
قبل از پاسخ دادن به این سوالات و نحوه انتخاب PSV بهتر است با نحوه کار PSV آشنا شویم و آشنایی با قطعات اساسی PSV به ما کمک خواهد کرد که با آگاهی کامل این انتخاب را انجام دهیم .
تعریف شیر اطمینان فشار یا PSV :
طبق استاندارد API 520 Part 1 که به بررسی نحوه انتخاب ، محاسبه سایز ، نحوه نصب تجهیزات فشار شکن در پالایشگاهها می پردازد ؛ در مورد شیر اطمینان تعریف زیر ارایه شده است : " یک شیر اطمینان شیری است که توسط یک فنر بسته شده است و با رسیدن فشار پشت شیر به یک فشار استاتیکی مشخص عمل کرده و به سرعت باز می شود ( به این عمل POP کردن شیر می گویند )"
شیر های اطمینان معمولاً برای سیالات تراکم پذیر کاربرد دارد . شکل زیر یک PSV عادی را نشان می دهد که صرفاً برای توضیح آمده است :

شیر اطمینان ( برگرفته شده از استاندارد API 520 بخش یک )

یک PSV چگونه عمل می کند ؟

طرح داخلی یک شیر اطمینان
شکل شماره 2 شماتیک داخلی یک شیر اطمینان را نمایش می دهد که یک دیسک توسط یک فنر در حالت بسته نگه داشته شده است . هنگامی که فشار سیستم از فشار مطلوب بالا می رود ، فشار ناشی از سیال از ورودی شیر به سطح A1 فشار آورده و برنیروی ناشی از فنر غلبه کرده و دسیک را بلند کرده و اجازه می دهد سیال از کناره های دیسک به سمت خروجی حرکت کند . هنگامی که دوباره فشار سیستم به حالت ایمن برگشت ، دیسک نیز به حالت بسته بر می گردد.
با مشخص بودن مساحت سطح دیسک و سایز نازل می توان مشخص نمود که چه حجمی از سیال از شیر خارج خواهد شد. در ابتدا باید سایز نازل خروجی ( که اُرفیس نامیده می شود ) محاسبه گردد. این مساحت توسط استاندارد API 526 تقسیم بندی و شماره گذاری گردیده است :



Designation] : D]
0.11 :Effective Orifice Area (in2)]a]

E
0.196

F
0.307

G
0.503

H
0.785

J
1.287

K
1.838

L
2.853

M
3.6

N
4.34

P
6.38

Q
11.05

R
16

T
26


با توجه به اینکه PSV در حالت عادی در وضعیت بسته است ، قطعه سیل (SEAL) کننده نیز باید توانایی جلوگیری از نشتی سیال به نازل خروجی را دارا باشد .
تعریف BACK PRESSURE : لاین خروجی PSV می تواند توسط یک لوله به هوای آزاد ( فشار اتمسفر) تخلیه گردد یا اینکه به یک خط دیگر هدایت گردد . فشار خط خروجی به BACK PRESSURE موسوم است.تاثیر این فشار بر فشار SET در شکل 3 آمده است.


تاثیر BACK PRESSURE بروی SET PRESSURE (API 520, PART 1)
FS نیروی ناشی از فشردگی فنر ، PVAN نیروی وارده از طرف سیال به دیسک ، PBAN نیروی وارد از BACK PRESSURE . PV فشار سیال داخل و PB فشار خروجی یا همانBACK PRESSURE است. همانطوریکه در شکل می بینید در حالت بالانس فشار BACK PRESSURE کمی از فشار سیال داخل خط را خنثی می کند و نیروی فنر نیز نیروی وارده بر اثر اختلاف این دو فشار را تحمل می کند. در حالت عادی ( بسته ) نیروی فنر علاوه بر این نیروها ، نیروی لازم جهت فشردن دیسک به نشیمن گاه را نیز تحمل کند .
بر اساس BACK PRESSURE ، PSVها به سه نوع کلی تقسیم می شود :
· CONVENTIONAL TYPE
· BELLOW TYPE
· PILOT TYPE
CONVENTIONAL TYPE : ساده ترین نوع PSV است که در شکل 4 شماتیکی از آن آمده است که بعلت پایین بودن BACK PRESSURE در محاسبات مربوطه به حساب نمی آید . در این نوع PSVها معمولاً مقدار BACK PRESSURE کمتر از 10% مقدار SET PRESSURE است یا برابر صفر است . خروجی این PSV معمولاً به هوای آزاد است و اغلب برای سیالات بی خطر مانند بخار آب بکار می رود .

Conventional Pressure Safety Valve (API 520 part 1)

BELLOWS TYPE : یک PSV نوع بیلوز یا بیلوز بالانس شده (BALANCED-BELLOWS) هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که BACK PRESSURE از 50% فشار SET PRESSURE کمتر باشد . این نوع PSV مشابه نوع CONVENTIONAL است ، با این تفاوت که یک BELLOWS به آن اضافه گردیده است که وظیفه آن کاهش اثر فشاری سیال به دیسک است و میله (ROD) را محافظت می کند.

همانگونه که از شکل شماره 5 پیداست بیلوز در قسمت فوقانی دیسک قرار داشته و یک میله ، نیروی فنر را به دیسک منتقل می کند و محفظه داخلی آن نیز به اتمسفر تخلیه می شود . معمولاً این نوع PSV ها دامنه کاربردی وسیعی ندارند و در برابر تغییر فشار SET انعطاف پذیری ندارد.



یک شیر PSV مجهز به BELLOWS

PILOT TYPE : یک PSV از این نوع ، شامل یک شیر اصلی بوده و یک سیستم دیگر برای کنترل حرکت پیستون به آن اضافه شده است که در شکل 6 شمائی از آن آمده است :



شیر عمل کننده با پیلوت

پیستون طوری طراحی شده است که سطح مقطع آن در قسمت فوقانی بیشتر از قسمت تحتانی است . در هنگامی که فشار لاین به فشار SET برسد هر دو قسمت فوقانی و تحتانی تحت فشار می گیرند اما نیروی برآیند پیستون را در نازل شیر سفت می کند با افزایش فشار در لاین این فشردگی به بیشتر می شود . این سیستم این امکان را می دهد که مقدار SET PRESSURE را با کنترل و تغییر داد

 

[Danyal.KH]

شیر اطمینان یا PSV ( قسمت دوم)

شیر اطمینان یا PSV ( قسمت دوم)

شیر اطمینان

از تجهيزات ويژه اي كه يك واحد را درمقابل افزايش ناگهاني فشار ايمن مي سازد شيرهاي اطمينان هستند.
شيرهاي اطمينان به عنوان وسيله اي مناسب جهت جلوگيري از ازدياد فشار ناگهاني در موتورخانه ها ،كارخانه ها وبطور كلي انواع سايتها هاي صنعتي وبراي انواع سيالات مختلف از قبيل گاز ، بخار، آب ويا هواي فشرده استفاده مي گردند.
محدوديت فشار دراينگونه كاربردها معمولا ناشي از فشار قابل تحمل تجهيزات ، لوله هاودستگاهها ويا محصولات توليدي وهمچنين مسائل مرتبط با حفظ ايمني افراد مي باشد كه اصطلاحا به محدوده فشار كاركرد امن(safe operating limits for pressure)ويا SOL/P معروف است. نحوه باز شدن شيرهاي اطمينان ومشخصات كاري انها ارتباط مستقيم با نحوه طراحي قطعات داخلي شير دارد.در اغلب موارد اين طراحي بگونه اي انجام مي گيرد كه پس از شروع بازشدن شير اطمينان در اثر ازدياد فشار ، در اثر خاصيت (POP Action) اين عمل به سرعت تشديد شده تا زماني كه شير كاملا باز گردد شكل زير نشان دهنده عملكرد يك شير اطمينان مي باشد.

شيرهاي اطمينان بوسيله آزاد كردن مقداري ازسيال به واحد(يا به درون لاين)عمليات ايمن سازي را انجام مي دهند. شيرهاي فشار در جاهائيكه حداكثر فشار كاري بوجود مي ايند نصب مي گردند. درسيستمهاي توليدبخار ، شيرهاي اطمينان براي جلوگيري از افزايش فشار بر روي بويلر ها نصب مي گردند .
در ارتباط با شيرهاي اطمينان لازم است كه با اصطلاحاتي در اين زمينه بيشتر اشنا شويم:
Over Pressure
فشاري است كه شير اطمينان در وضعيت كاملا باز قرار مي گيرد وحداكثر ظرفيت تخليه خود را دارا مي باشد.واضح است كه اين فشار بالاتر از فشار نقطه تنظيم (Set Presure) مي باشد ومقدار ان با توجه به كاربردها واستانداردهاي مختلف ، متفاوت مي باشد.استاندارد BS 5500 اين مقدار اختلاف فشار را درمورد سيستمهاي بخار وگاز برابر حداكثر ده درصد فشار تنظيمي شير اطمينان در نظر مي گيرد.
شيرهاي اطمينان در فرايندهاي كه ممكن است در اثر ازدياد فشار به محصول ويا تحهيزات خسارتي وارد شود از بروز اين خسارات جلوگيري مي كنند.

Blowdown
مقدار اختلاف فشار پائين تر از نقطه تنظيم شير اطمينان است كه جهت بسته شدن كامل ومحكم شير اطمينان پس از باز شدن وسپس برگشت سيستم به فشار عادي مورد احتياج مي باشد .اين پارامتر به Reseat Differential نيز معروف است .ميزان Blowdown نيز طبق استاندارد مذكور حداكثر حدود %10 مي باشد.
مقادير Over pressure و Blowdown بسته به نوع سيستم وانتخاب طراح متغير بوده وبطور مثال مي تواند به ترتيب %3 و%4 انتخاب گردند.

Set Point
تنظيم مناسب نقطه عملكرد وباز شدن شير اطمينان ، اولا بدلايل ايمني مذكور وثانيا به منظور اطمينان از كاركرد شير اطمينان با حداقل صدا وهمچنين ممانعت از صدمه به شير اطمينان ضروري مي باشد .اين نقطه نبايد بيشتر از SOL/P يا محدوده فشار كاركرد ايمن تجهيزات باشد واز طرفي بايد بخاطر داشت كه تنظيم فشار آزاد سازي شير اطمينان روي فشار كمتر از SOL/P هيچگونه مزيتي به همراه نخواهد داشت وتنها باعث افزايش احتمالي دفعات باز شدن شير اطمينان وفرسوده شدن ان خواهدگشت.
ميزان تغييرات احتمالي در فشار سيستم به عنوان پارامتر ديگري است كه بايد در فشار تنظيم شير اطمينان در نظر گرفته شود تااز بازشدن بيمورد شير جلوگيري بعمل ايد.درصورت ناديده انگاشتن اين مورد ، شير اطمينان دربسياري از موارد در حالت نزديك به بسته كار خواهد نمودكه به اين پديده Simmering گفته مي شود.اين حالت در نتيجه نزديك بودن بيش از اندازه فشار سيستم به نقطه تنظيم روي ميدهد وعلاوه بر ايجادسروصدا ومسائل جانبي ، باعث ايجاد صدمه به قسمتهاي داخلي شير ودرنتيجه نشت دائمي آن خواهد شد.


Shut-off Margin
همانطور كه ذكر شد هنگامي كه فشار كاري سيستم ونقطه تنظيم شير اطمينان به هم نزديك باشند ، علاوه بر در نظر گرفتن تغييرات فشار احتمالي سيستم كه در بالا عنوان گرديد ، فشار اطميناني نيز بعنوان گارانتي كردن ومطمئن شدن از بسته ماندن كامل شير به فشار كاري سيتم اضافه مي گردد كه معمولا حدود 0..1 bar مي باشد.

انواع Safety Valve
Safety valve هاي متنوعي درصنعت متناسب با نوع كاركرد آنها وجود دارد .در استانداردها انواع مختلفي از اين safety valve ها تعريف گرديده است .
براي مثال استاندارد I و VIII از ASME براي انواع بويلر وكاربردهايي در مخازن تحت فشار مورد استفاده قرار مي گيرد.
بر پايه استاندارد ASME/ANSI PTC 25.3 تنوع تعدادي ازاين تجهيزات بصورت زير تعريف گرديده است:
LOW LIFT SAFETY VALVES
FULL LIFT SAFETY VALVES
FULL BORE SAFETY VALVES
BALANCES SAFETY VALVES
PILOT OPERATED PRESURE RELIEF VALVES
CONVENTIONAL SAFETY VALVES
LIFT SAFETY VALVES
HIGH LIFT SAFETY VALVES
PROPORTIONAL SAFETY VALVES
DIAPHRAGM SAFETY VALVES
BELLOWS SAFETY ALVES
CONTROLLED SAFETY VALVES
ASSISTED SAFETY VALVES
BALANCED PISTON SAFETY VALVES

واژه شير اطمينان (safety valve)وشير اطمينان فشار شكن(safety relief valve) اصطلاحاتي هستند كه جهت تشريح انواع متنوعي ازتجهيزات مرتبط با آزاد سازي فشار اضافي سيال در واحد مي باشند .
در همين رابطه محدوده وسيعي از ولوهاي مختلف كه براي كاركردهاي متنوعي جهت عمل در شرايط بحراني فشارمي باشند مورد استفاده قرار مي گيرند.
در بيشتر استانداردها تعاريف ويژه اي براي دو واژه شير اطمينان (safety valve) وشير اطمينان فشار شكن(safety relief valve) عنوان گرديده است.
در استانداردهاي امريكايي واروپايي تفاوتهايي بين اصطلاحات تجهيزات كاربردي از لحاظ معني وجود دارد .ازجمله اين تجهيزات مي توان به همين ولوها اشاره نمود.
در استانداردهاي اروپايي به اين قبيل ولوها اصطلاحا شير اطمينان (safety valve) ودراستانداردهاي امريكايي شير اطمينان فشار شكن(safety relief valve) گفته مي .

از جمله موارد ديگر اختلاف بين safety valve وrelief valve مي توان به اين نكته اشاره نمود كه در شيرهاي اطمينان فشار شكن ( safety valve ) به محض اينكه فشار عملكردي به فشار تنظيمي (set point) برسد سريعا اين شير عمل مي كند وتا هنگاميكه فشار عملكردي به پائين تر از فشار تنظيمي نرسد اين شير باز خواهد ماند.
ولي درشيرهاي اطمينان فشارشكن (safety relief valve) هنگاميكه فشار ورودي سيال تا نقطه فشار تنظيمي بالا برود اين ولو به تدريج باز كرده تا فشار را بالانس نمايد.
شير فشار شكن(relief valve) عموما براي سيالاتي كه غير قابل تراكم مي باشند مانند آب وروغن وغيره مورد استفاده قرار مي گيرد ولي شير اطمينان(safety valve) عموما براي سيالات تراكم پذير مورد استفاده قرار مي گيرد.
Relief Valve ها معمولا بصورت مداوم در حالت overpressure عمل مي كنند تا فشار سيستم را درحد نرمال تنظيم كنند.عمل كردن اين ولوها هيچگاه بصورت pop-action(عمل كردن ضربه اي) نمي باشد.