مقدمه ای بر شیر های اطمینان

مقدمه

هدف اصلی از نصب شیر اطمینان (Safety Valve) حفظ ایمنی بوده به صورتی که اگر یک تجهیز تحت فشار در حالتی قرار بگیرد که فشار آن از حد مجاز طراحی(Design Pressure) یا کاری (Working Pressure) تجاوز کند، با کاهش فشار سیستم، به رفع خطر کمک می کند.

بر اساس قوانین موسسات رده بندی کشتی ها، دیگ های بخار (بویلرها) باید حداقل به دو شیر اطمینان فنری (Spring loaded safety valve) مجهز شوند. با این وجود، در حالات زیر می توان تنها از یک شیر اطمینان نیز استفاده نمود:

1. دیگهای بخار(بویلر های) با سطح گرمایش(Heating Surface) کمتر از 10 متر مربع
2. دیگ های بخار با فشار طراحی حداکثر 1 مگاپاسکال، مشروط بر اینکه مجهز به سیستم های کنترل فشار و قطع کننده خودکار سوخت در زمان بالا رفتن بیش از حد فشار، باشند.

سطح گرمایش دیگ بخار، مجموع مساحتی است که یک طرف آن در معرض گاز احتراق و طرف دیگر در معرض آب و بخار قرار دارد، اما سطح گرمایش سوپرهیتر، ری هیتر، اکونومایزر یا اکونومایزر گازهای خروجی موتور در این محاسبه مستثنی هستند، مگر اینکه به طور خاص مشخص شده باشد. نهایتاً، این مقدار توسط طراحان و سازندگان دیگ های بخار محاسبه گردیده و به تأیید موسسات رده بندی می رسد.

همچنین، در قوانین موسسات رده بندی، می توان به جای شیر اطمینان فنری از نوع دیگری به نام شیر اطمینان با فعال کننده مجزای فنری (Safety valve with spring pilot valve) استفاده کرد که البته باید توانایی کارکرد در محیط های حاوی بخار آب را داشته باشد. همچنین، در مواردی که دیگ بخار مجهز به سوپرهیتر است، حداقل یک شیر اطمینان باید در خروجی آن نصب شود.

بر این اساس در بخش به معرفی شیر های اطمینان دیگ های بخار(بویلر ها) می پردازیم.

انواع شیر های اطمینان

بر اساس آنچه در بخش قبل بیان شد، دو نوع اصلی از شیرهای اطمینان وجود دارد که امکان نصب بر روی شناورها را دارد: شیرهای اطمینان فنری و شیرهای اطمینان که توسط فعال کننده ای مجزا کار می کنند که نوع دوم در برخی منابع به نام شیرهای تغییر دهنده (change-over valves ) نیز شناخته می شوند.

شیر اطمینان فنری (Spring loaded safety valve)

در شیرهای اطمینان فنری، نیروی بسته شدن توسط یک فنر مارپیچ اعمال شده که مقدار نیروی مورد نیاز برای باز شدن آن توسط یک پیچ تنظیم، تعیین می گردد. نیروی فنر از طریق میله ای به نام اسپیندل به صفحه مسدود کننده (دیسک) منتقل می شود. تا زمانی که نیروی فنر بیشتر از نیروی ایجاد شده توسط فشار در ورودی شیر باشد، صفحه مذکور ورودی نازل را می‌بندد. تصویر زیر جزئیات کاملی از اجزای این نوع شیر اطمینان را نمایش می دهد.

شیر اطمینان با فعال کننده مجزای(پایلوت) فنری (Safety valve with spring pilot valve)

این نوع از شیرهای اطمینان در واقع به وسیله شیرهای مستقلی، ورودی و خروجی شیر اصلی را کنترل می کنند. کارکرد آنها بسیار شبیه شیرهای فنری است و یکی از بهترین راه حل ها برای استفاده در فشار ها و ظرفیت های بالاتر هستند و عملکردشان برای محافظت در برابر فشار بیش از حد، بسیار خوب است. در ابتدای امر این نوع شیرهای اطمینان به عنوان راه حلی منحصر به فرد برای مقاومت در برابر فشار برگشتی (Back Pressure) سیستم و بهبود پایداری آن شناخته می شد، اما قابلیت برجسته آن به عنوان شیر اطمینان بهینه، اغلب نادیده گرفته می شد.

شیر های فعال کننده (Pilot Valves) پیشرو در صنعت حاضر، می توانند تا زمان رسیدن به 98% فشار تنظیم شده برای شیر اصلی، آن را بدون نشتی بسته نگه دارند. این نوع عملکرد در شرایط عملیاتی معمول حتی برای پرفشار ترین دیگ های بخار نیز نشتی صفر را تضمین می کند.

با توجه به طراحی تشخیص فشار به صورت غیر مستقیم، صدای باز و بسته شدن سریع خروجی شیر اصلی پس از کاهش حداکثر 3% فشار خط ورودی، حذف می شود و این قابلیت به POSRV ها اجازه می دهد که فشار را به روشی پایدار و کارآمد کاهش دهند. به دلیل طراحی مجزای فعال کننده، این جزء از شیر اطمینان در فشار بیش از حد به صورت روان صفحه مسدود کننده (دیسک) شیر اصلی را بلند کرده و تنها به مقدار مورد نیاز از گاز یا سیال تحت فشار را خارج می نماید. این نوع عملکرد ایمنی، کارآمدی و قابلیت اطمینان مناسبی را برای دیگ بخار به ارمغان خواهد آورد.

طراحی شیر های اطمینان با فعال کننده مجزا (پایلوت) به گونه ای است که عموماً در برابر فشار برگشتی (Back Pressure)  مقاومت بالاتری نسبت به شیرهای فنری، دارند. پیستون بازکننده شیر اصلی توسط فعال کننده، کاملاً کنترل و محافظت می شود و به دلیل آنکه از اجزای شکننده در آن خبری نیست، امکان خرابی نیز کمتر خواهد بود. شیر اصلی در قسمت زیر پیستون و کلگی (Dome) آن دارای فشار یکسانی است، اما به دلیل تفاوت در سطح مقاطع آنها، نیروی بیشتری از سمت کلگی به پیستون وارد می شود. با افزایش فشار و رسیدن به نقطه تنظیم شده، شیر فعال کننده (پایلوت) باز شده و فشار قسمت بالایی پیستون را رها می کند. در این حالت مکش مستقیمی به محیط ایجاد می گردد که نهایتاً منجر به باز شدن کامل شیر اصلی ( بالا رفتن کامل پیستون) و تخلیه فشار، خواهد شد. 

از مزایای این نوع شیر اطمینان، می توان به تخلیه فشار بالا نسبت به ظرفیت آن اشاره نمود. به دلیل سادگی بسیاری از تجهیزات جانبی را می توان به شیر فعال کننده (پایلوت) متصل نمود. اندازه، وزن و محدوده فشار عملکردی آنها نسبت به شیر های فنری بهینه تر است. فعال کننده می تواند با یک خط استاتیک یا از راه دور به دیگ بخار متصل گردد. کنترل شیر اصلی با فعال کننده بوده و تا زمانی که نیاز باشد، تخلیه فشار را ادامه خواهد داد.

نحوه انتخاب بین شیر های اطمینان فنری و مجهز به فعال کننده مجزا

شیرهای اطمینان فنری به احتمال زیاد در حالاتی که در معرض دماهای بالای کاری، ویسکوزیته بیشتر یا محیط های آلوده تر باشند، بهترین انتخاب خواهند بود. در اندازه های کوچکتر، نسبت به شیرهای مجهز به فعال کننده مجزا (پایلوت)، بسیار ارزانتر هستند.

شیر های اطمینان فنری، ممکن است برای کاربردهایی که نیاز به آب بندی بیشتر / نشتی کمتر،

جوشش حداقل، کاربردهایی که فشار برگشتی متغیر و یا بالا دارند، انتخاب مناسبی نباشند. گرچه می توان برای کاهش اثرات این کاستی ها، تدابیری اندیشید، با این حال، آنها نیز محدودیت های خود را دارند. به عنوان مثال، برای آب بندی بهتر می توان از صفحه های مسدود کننده نرم (دیسک) استفاده نمود، اما این نیز به نوبه خود محدودیت هایی برای دمای کاری شیر اطمینان، ایجاد می نماید.

POSV برای کاهش بسیاری از کاستی های یک شیر فنری معمولی طراحی شده است اما محدودیت های خاص خود را نیز دارند. این نوع از شیرهای اطمینان، زمانی که به حداکثر آب بندی تا نزدیکی فشار تنظیم شده، نیاز داشته باشیم، انتخاب بهتری خواهند بود. از سوی دیگر، در کاربردهایی که فشار برگشتی تجمیعی یا ایجاد شده یا محدودیت های ابعادی، وجود داشته باشند، نیز انتخاب این نوع شیر اطمینان، بهتر به نظر می رسد. از سوی دیگر، گستره قابلیت به کارگیری در فشارهای مختلف بیشتر از شیرهای فنری است.