شیر اطمینان یا سیفتی ولو (SV) چیست؟ تفاوت انواع آن در نحوه عملکرد

در بسیاری از سیستم‌های صنعتی، افزایش بیش از حد فشار می‌تواند باعث آسیب جدی به تجهیزات، خطوط لوله، مخازن و حتی ایجاد خطرات ایمنی شود.

برای جلوگیری از چنین شرایطی از تجهیزی به نام Safety Valve یا شیر اطمینان استفاده می‌شود.

شیر اطمینان یکی از مهم‌ترین تجهیزات حفاظتی در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، پالایشگاه، نیروگاه و سایر صنایع فرایندی است و وظیفه آن جلوگیری از افزایش فشار سیستم بیش از مقدار مجاز است.

در صنعت انواع مختلفی از شیرهای اطمینان وجود دارد که دو گروه بسیار مهم آن عبارت‌اند از:

Spring Loaded Safety Valve

و

Pilot Operated Safety Valve

اگرچه هدف هر دو حفاظت از سیستم در برابر Overpressure است، نحوه عملکرد آن‌ها با یکدیگر تفاوت دارد.

 

شیر اطمینان یا Safety Valve چیست؟

Safety Valve نوعی Pressure Relief Device است که در صورت افزایش فشار سیستم تا یک مقدار مشخص، به‌صورت خودکار باز می‌شود و بخشی از سیال را تخلیه می‌کند.

با کاهش فشار سیستم به محدوده ایمن، Valve دوباره بسته می‌شود.

به این ترتیب Safety Valve از تجهیزاتی مانند:

• Pressure Vessel
• Boiler
• Reactor
• Pipeline
• Compressor
• Heat Exchanger
• Storage Tank

در مقابل افزایش فشار محافظت می‌کند.

 

چرا استفاده از شیر اطمینان ضروری است؟

تجهیزات فرایندی برای یک محدوده مشخص فشار طراحی می‌شوند.

اگر فشار سیستم از محدوده طراحی بیشتر شود، ممکن است به بدنه تجهیز، Flangeها، Sealها یا سایر اجزا آسیب وارد شود.

در شرایط شدید حتی امکان پارگی یا Failure مکانیکی تجهیزات وجود دارد.

Safety Valve به‌عنوان یک تجهیز حفاظتی مستقل عمل می‌کند و زمانی که فشار به مقدار تعیین‌شده برسد، مسیر خروج سیال را باز می‌کند.

 

Set Pressure چیست؟

یکی از مهم‌ترین پارامترهای شیر اطمینان Set Pressure است.

Set Pressure فشاری است که شیر اطمینان در آن شروع به عملکرد طبق طراحی خود می‌کند.

به عبارت ساده‌تر، Safety Valve برای یک فشار مشخص تنظیم می‌شود.

اگر فشار سیستم به این مقدار برسد، مکانیزم Valve شروع به باز شدن می‌کند تا از افزایش بیشتر فشار جلوگیری شود.

انتخاب Set Pressure باید بر اساس طراحی سیستم، استانداردهای مربوطه و مشخصات تجهیز تحت حفاظت انجام شود.

 

Overpressure چیست؟

Overpressure مقدار افزایش فشار بالاتر از Set Pressure در هنگام تخلیه شیر اطمینان است.

برای اینکه Valve بتواند به ظرفیت تخلیه مورد نیاز برسد، ممکن است فشار کمی بیشتر از Set Pressure افزایش پیدا کند.

مقدار مجاز Overpressure به نوع سرویس، طراحی و استاندارد مورد استفاده بستگی دارد.

 

Blowdown چیست؟

پس از باز شدن Safety Valve، شیر معمولاً دقیقاً در همان Set Pressure دوباره بسته نمی‌شود.

اختلاف بین فشار باز شدن و فشار بسته شدن مجدد Valve را می‌توان با مفهوم Blowdown بیان کرد.

وجود Blowdown کمک می‌کند شیر پس از باز شدن بلافاصله و به‌طور مکرر باز و بسته نشود.

 

شیر اطمینان چگونه کار می‌کند؟

عملکرد اصلی Safety Valve بر اساس تعادل نیروها است.

در حالت عادی یک نیروی بسته‌کننده Valve را روی Seat نگه می‌دارد.

در مقابل، فشار فرایند نیرویی برای باز کردن Disc ایجاد می‌کند.

تا زمانی که نیروی بسته‌کننده بیشتر باشد:

Valve بسته می‌ماند.

وقتی فشار به Set Pressure برسد و نیروی ایجادشده توسط Process Pressure بتواند بر نیروی بسته‌کننده غلبه کند:

Valve باز می‌شود.

سیال تخلیه شده و فشار سیستم کاهش پیدا می‌کند.

پس از بازگشت فشار به محدوده مناسب، Valve دوباره بسته می‌شود.

 

انواع اصلی شیر اطمینان از نظر نحوه عملکرد

از نظر مکانیزم اعمال نیروی بسته‌شدن، دو نوع بسیار مهم Safety Valve عبارت‌اند از:

1. Spring Loaded Safety Valve

2. Pilot Operated Safety Valve

هر دو برای حفاظت در برابر Overpressure طراحی شده‌اند، اما مکانیزم کنترل Disc در آن‌ها متفاوت است.

 

شیر اطمینان فنردار چیست؟

Spring Loaded Safety Valve یکی از رایج‌ترین طراحی‌های شیر اطمینان است.

در این نوع Valve، یک Spring یا فنر نیروی لازم برای بسته نگه داشتن Disc روی Seat را ایجاد می‌کند.

فشار Process از سمت پایین Disc نیرویی در جهت باز شدن Valve ایجاد می‌کند.

تا زمانی که نیروی Spring بیشتر از نیروی ناشی از فشار باشد، شیر بسته باقی می‌ماند.

 

نحوه عملکرد شیر اطمینان فنردار

در حالت عادی:

Spring Force > Process Pressure Force

بنابراین Disc روی Seat قرار گرفته و Valve بسته است.

با افزایش فشار Process، نیروی واردشده به Disc نیز افزایش پیدا می‌کند.

زمانی که فشار به مقدار Set Pressure برسد، شرایط لازم برای باز شدن Valve ایجاد می‌شود.

در نتیجه Disc از Seat بلند شده و سیال از مسیر خروجی تخلیه می‌شود.

با کاهش فشار، Spring دوباره Disc را به سمت Seat فشار داده و Valve بسته می‌شود.

اصل عملکرد Spring Loaded Safety Valve بر همین تعادل میان نیروی فنر و نیروی ناشی از فشار ورودی است.

 

اجزای اصلی شیر اطمینان فنردار

یک Spring Loaded Safety Valve معمولاً شامل اجزایی مانند موارد زیر است:

Body

بدنه اصلی Valve.

Nozzle

مسیر ورود سیال به Valve.

Disc

قطعه‌ای که روی Seat قرار گرفته و مسیر عبور سیال را می‌بندد.

Seat

سطح آب‌بندی بین Disc و Nozzle.

Spring

فنری که نیروی بسته‌شدن Valve را ایجاد می‌کند.

Spindle

نیروی Spring را به Disc منتقل می‌کند.

Adjusting Screw

برای تنظیم میزان Compression فنر و Set Pressure استفاده می‌شود.

 

مزایای شیر اطمینان فنردار

Spring Loaded Safety Valve طراحی نسبتاً ساده و شناخته‌شده‌ای دارد.

از مهم‌ترین ویژگی‌های آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ساختار مکانیکی نسبتاً ساده
• عدم نیاز به سیستم کنترلی خارجی
• کاربرد گسترده در صنایع مختلف
• مناسب برای بسیاری از سرویس‌های Steam، Gas و Liquid
• تعمیر و نگهداری نسبتاً شناخته‌شده
• قابلیت استفاده در محدوده وسیعی از کاربردها

 

محدودیت‌های شیر اطمینان فنردار

عملکرد Spring Loaded Valve می‌تواند تحت تأثیر بعضی شرایط سیستم قرار گیرد.

برای مثال:

• Back Pressure
• Operating Pressure نزدیک Set Pressure
• شرایط دمایی
• وضعیت Spring
• Friction قطعات متحرک
• شرایط نصب

می‌توانند روی عملکرد Valve اثر داشته باشند.

در بعضی کاربردها برای کاهش اثر Back Pressure از طراحی‌های دیگری مانند Balanced Bellows Safety Valve استفاده می‌شود.

 

شیر اطمینان پایلوت‌دار چیست؟

Pilot Operated Safety Valve یا POSV / POSRV نوع دیگری از Pressure Relief Valve است.

در این طراحی، Valve اصلی یا Main Valve توسط یک شیر کوچکتر به نام:

Pilot Valve

کنترل می‌شود.

Pilot Valve فشار سیستم را حس کرده و از فشار Process برای کنترل نیروی بسته‌شدن یا باز شدن Main Valve استفاده می‌کند.

بر خلاف نوع Spring Loaded معمولی، باز شدن Main Valve مستقیماً فقط با غلبه فشار بر یک فنر بزرگ انجام نمی‌شود.

 

اجزای اصلی Pilot Operated Safety Valve

یک سیستم Pilot Operated معمولاً از دو بخش اصلی تشکیل می‌شود:

Main Valve

بخش اصلی که ظرفیت تخلیه سیال را فراهم می‌کند.

Pilot Valve

بخشی که فشار سیستم را حس کرده و باز و بسته شدن Main Valve را کنترل می‌کند.

همچنین بسته به طراحی ممکن است اجزایی مانند:

• Dome
• Piston
• Diaphragm
• Sense Line
• Pilot Tubing

وجود داشته باشند.

 

Pilot Operated Safety Valve چگونه کار می‌کند؟

در شرایط عادی، فشار Process علاوه بر ورودی Main Valve به بخش کنترلی یا Dome نیز منتقل می‌شود.

این فشار به بسته ماندن Main Valve کمک می‌کند.

تا زمانی که فشار سیستم کمتر از Set Pressure باشد:

Pilot بسته است و Main Valve نیز بسته باقی می‌ماند.

با رسیدن فشار به Set Pressure، Pilot Valve عمل می‌کند.

Pilot فشار موجود در Dome یا Control Chamber را کاهش می‌دهد.

با کاهش نیروی بسته‌کننده، فشار ورودی باعث باز شدن Main Valve می‌شود.

سیال از Main Valve تخلیه شده و فشار سیستم کاهش پیدا می‌کند.

پس از کاهش فشار به محدوده مناسب، Pilot دوباره شرایط لازم برای بسته‌شدن Main Valve را برقرار می‌کند.

 

تفاوت اصلی شیر اطمینان فنردار و پایلوت

مهم‌ترین تفاوت این دو طراحی در نحوه کنترل نیروی بسته‌شدن Main Valve است.

در Spring Loaded Safety Valve:

Spring مستقیماً Disc را بسته نگه می‌دارد.

اما در Pilot Operated Safety Valve:

Pilot Valve با کنترل فشار داخل Dome یا Control Chamber، Main Valve را کنترل می‌کند.

بنابراین در نوع فنردار، فشار Process مستقیماً با نیروی Spring مقابله می‌کند.

اما در نوع Pilot Operated، فشار Process بخشی از سیستم کنترلی Valve نیز محسوب می‌شود.

 

رفتار شیر فنردار در نزدیکی Set Pressure

یکی از موضوعات مهم در Spring Loaded Valve شرایطی است که Operating Pressure به Set Pressure نزدیک شود.

با نزدیک شدن فشار سیستم به Set Pressure، نیروی فشار روی Disc به نیروی Spring نزدیک می‌شود.

بسته به طراحی و شرایط سرویس، این موضوع می‌تواند احتمال Simmer یا Seat Leakage را افزایش دهد.

به همین دلیل معمولاً باید فاصله مناسبی بین Operating Pressure و Set Pressure وجود داشته باشد.

 

رفتار Pilot Operated Valve در نزدیکی Set Pressure

یکی از مزایای بسیاری از طراحی‌های Pilot Operated این است که می‌توانند Seat Tightness مناسبی را حتی زمانی که Operating Pressure نسبتاً نزدیک به Set Pressure است حفظ کنند.

در برخی طراحی‌های صنعتی، افزایش فشار Process تا قبل از عملکرد Pilot حتی می‌تواند نیروی بسته‌شدن Main Valve را افزایش دهد.

به همین دلیل POSVها در بعضی سرویس‌های High Pressure یا سیستم‌هایی که Operating Pressure نزدیک Set Pressure است کاربرد زیادی دارند.

 

تأثیر Back Pressure

Back Pressure فشاری است که در سمت خروجی Safety Valve وجود دارد.

در بعضی Spring Loaded Safety Valveها تغییر Back Pressure می‌تواند روی عملکرد Valve تأثیر بگذارد.

به همین دلیل در سیستم‌هایی با Back Pressure قابل توجه ممکن است از طراحی‌هایی مانند:

Balanced Bellows

یا:

Pilot Operated Safety Valve

استفاده شود.

برخی طراحی‌های Pilot Operated عملکرد مناسب‌تری در برابر Back Pressure ارائه می‌کنند، اما میزان قابل قبول Back Pressure باید دقیقاً بر اساس طراحی سازنده بررسی شود.

 

Pilot Operated Valve و ظرفیت‌های بالا

Pilot Operated Safety Valves در کاربردهای دارای فشار و ظرفیت بالا نیز بسیار رایج هستند.

چون نیروی بسته‌شدن Main Valve توسط سیستم Pilot کنترل می‌شود، امکان طراحی Valveهای بزرگ بدون نیاز به Spring بسیار بزرگ برای Main Valve وجود دارد.

به همین دلیل در برخی واحدهای بزرگ نفت، گاز و پتروشیمی از POSV استفاده می‌شود.

 

انواع Pilot Operated Safety Valve

Pilot Operated Valves نیز بر اساس نحوه باز شدن به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند.

دو طراحی شناخته‌شده عبارت‌اند از:

Pop Action

و:

Modulating Action

 

Pop Action چیست؟

در طراحی Pop Action زمانی که فشار به Set Pressure برسد، Main Valve با سرعت زیادی باز می‌شود.

این رفتار برای کاربردهایی مناسب است که نیاز به تخلیه سریع فشار وجود دارد.

 

Modulating Action چیست؟

در Modulating Pilot Operated Valve میزان بازشدن Main Valve می‌تواند متناسب با نیاز تخلیه تغییر کند.

یعنی Valve الزاماً بلافاصله تا Full Lift باز نمی‌شود.

میزان Lift می‌تواند بر اساس میزان Overpressure و Capacity مورد نیاز تنظیم شود.

این ویژگی می‌تواند در بعضی فرایندها باعث عملکرد کنترل‌شده‌تر سیستم تخلیه شود.

Pilot Operated Safety Relief Valves می‌توانند با عملکرد Pop Action یا Modulating طراحی شوند.

 

مزایای Pilot Operated Safety Valve

از مزایای رایج POSVها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• Seat Tightness مناسب در فشارهای عملیاتی بالا
• امکان کار در Operating Pressure نزدیک‌تر به Set Pressure در بسیاری از طراحی‌ها
• عملکرد مناسب در برخی شرایط Back Pressure
• مناسب برای Set Pressureهای بالا
• امکان استفاده در Capacityهای بالا
• امکان انتخاب عملکرد Pop یا Modulating
• قابلیت تنظیم دقیق‌تر برخی ویژگی‌های عملکردی

 

محدودیت‌های Pilot Operated Safety Valve

ساختار Pilot Operated نسبت به Spring Loaded Valve پیچیده‌تر است.

وجود Pilot، مسیرهای داخلی و Sense Line باعث می‌شود کیفیت و تمیزی سیال اهمیت بیشتری پیدا کند.

در سرویس‌هایی که سیال:

• Dirty
• Sticky
• Highly Viscous
• Crystallizing
• دارای ذرات جامد

است، باید احتمال گرفتگی مسیرهای Pilot به‌دقت بررسی شود.

بنابراین Pilot Operated Valve همیشه جایگزین بهتر Spring Loaded Valve نیست.

انتخاب باید بر اساس شرایط واقعی Process انجام شود.

 

شیر فنردار یا پایلوت؛ کدام بهتر است؟

هیچ‌کدام به‌صورت مطلق بهتر از دیگری نیست.

Spring Loaded Safety Valve به دلیل سادگی، قابلیت اطمینان و تجربه عملی گسترده برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب است.

Pilot Operated Safety Valve نیز در شرایطی مانند:

• فشارهای بالا
• Operating Pressure نزدیک Set Pressure
• برخی شرایط Back Pressure
• ظرفیت‌های بالا
• نیاز به Seat Tightness بیشتر

می‌تواند انتخاب مناسبی باشد.

اما شرایط Fluid، Temperature، Maintenance و Project Specification باید در تصمیم نهایی در نظر گرفته شوند.

 

شیر اطمینان در سرویس بخار

Safety Valveها در سیستم‌های Steam و Boiler بسیار رایج هستند.

در تعریف‌های صنعتی، Safety Valve معمولاً با عملکرد سریع یا Pop Action شناخته می‌شود و استفاده آن در سرویس‌های Compressible Fluid به‌ویژه Steam بسیار رایج است.

انتخاب Valve برای Boiler و Steam Service باید مطابق استانداردهای مربوط به همان سیستم انجام شود.

 

Safety Valve و Relief Valve چه تفاوتی دارند؟

اصطلاحات Safety Valve، Relief Valve و Safety Relief Valve در صنعت گاهی به‌جای یکدیگر استفاده می‌شوند، اما از نظر استانداردی می‌توانند تعاریف متفاوتی داشته باشند.

به‌طور کلی:

Safety Valve

معمولاً با باز شدن سریع یا Pop Action و سرویس‌های Compressible Fluid مانند Steam مرتبط است.

Relief Valve

معمولاً در Liquid Service به کار می‌رود و بازشدن آن می‌تواند متناسب‌تر با افزایش فشار باشد.

Safety Relief Valve

اصطلاحی عمومی‌تر برای Valveهایی است که بسته به طراحی قابلیت استفاده در Gas، Vapor یا Liquid را دارند.

برای انتخاب دقیق باید Definition استاندارد مورد استفاده پروژه بررسی شود.

 

آیا PSV و SV یکی هستند؟

در صنعت اصطلاحاتی مانند:

SV – Safety Valve

PSV – Pressure Safety Valve

PRV – Pressure Relief Valve

SRV – Safety Relief Valve

و:

POSRV – Pilot Operated Safety Relief Valve

استفاده می‌شوند.

این اصطلاحات همیشه در تمام پروژه‌ها دقیقاً یک معنی ندارند و باید Legend، Specification و استاندارد پروژه بررسی شود.

 

محل نصب Safety Valve

Safety Valve باید طوری نصب شود که بتواند فشار تجهیز مورد حفاظت را بدون مانع دریافت کند.

مسیر Inlet نباید باعث افت فشار غیرمجاز شود.

همچنین Discharge Line باید بر اساس ظرفیت، Back Pressure، نوع Fluid و الزامات ایمنی طراحی شود.

نصب نامناسب Piping می‌تواند عملکرد Safety Valve را مختل کند.

 

Chattering در شیر اطمینان چیست؟

Chattering به باز و بسته شدن سریع و تکراری Valve گفته می‌شود.

این پدیده می‌تواند باعث:

• آسیب Seat
• آسیب Disc
• لرزش
• کاهش عمر Valve
• Leakage

شود.

Chattering می‌تواند دلایل مختلفی داشته باشد؛ از جمله Sizing نامناسب، افت فشار بیش از حد Inlet Line یا شرایط ناپایدار سیستم.

 

نکات مهم در انتخاب Safety Valve

برای انتخاب Safety Valve باید مجموعه‌ای از پارامترها بررسی شود.

از جمله:

• Set Pressure
• Required Relief Capacity
• Operating Pressure
• Fluid Type
• Gas, Vapor, Steam یا Liquid Service
• Temperature
• Back Pressure
• Inlet Pressure Loss
• Valve Size
• Orifice Size
• Material
• Connection Rating
• Spring Loaded یا Pilot Operated بودن
• Applicable Code & Standard

انتخاب Valve تنها بر اساس سایز Line یا Set Pressure صحیح نیست.

 

استانداردهای شیر اطمینان

Safety Valveها تجهیزات ایمنی بسیار مهمی هستند و طراحی، Sizing و انتخاب آن‌ها بر اساس استانداردها انجام می‌شود.

از استانداردهای شناخته‌شده در این حوزه می‌توان به خانواده استانداردهای:

API

ASME

و:

ISO

اشاره کرد.

برای مثال در صنایع فرایندی استانداردهایی مانند API 520، API 521 و API 526 در حوزه Pressure Relief Systems کاربرد گسترده‌ای دارند.

استاندارد دقیق مورد استفاده باید بر اساس نوع تجهیز، سرویس و الزامات پروژه مشخص شود.

 

تعمیر و نگهداری Safety Valve

شیر اطمینان برخلاف بسیاری از Control Valveها ممکن است مدت زیادی در حالت بسته باقی بماند.

اما زمانی که شرایط Overpressure ایجاد شود باید به‌درستی عمل کند.

بنابراین Inspection و Maintenance دوره‌ای اهمیت بسیار زیادی دارد.

مواردی مانند:

• Seat Leakage
• Spring Condition
• Corrosion
• Fouling
• Pilot Passages
• Set Pressure
• Disc و Nozzle Condition

باید بر اساس برنامه نگهداری و دستورالعمل سازنده بررسی شوند.

 

تفاوت عملکرد Spring Loaded و Pilot Operated به زبان ساده

اگر بخواهیم تفاوت این دو نوع Safety Valve را بسیار ساده توضیح دهیم:

در Spring Loaded Valve یک فنر مستقیماً Valve را بسته نگه می‌دارد.

وقتی فشار Process بر نیروی فنر غلبه کند، Valve باز می‌شود.

اما در Pilot Operated Valve یک Pilot فشار سیستم را حس می‌کند.

وقتی فشار به Set Point برسد، Pilot وضعیت فشار کنترلی Main Valve را تغییر می‌دهد و باعث باز شدن Valve اصلی می‌شود.

پس:

Spring Loaded = کنترل مستقیم توسط فنر

Pilot Operated = کنترل Main Valve توسط Pilot

 

جمع‌بندی

Safety Valve یا شیر اطمینان یکی از مهم‌ترین تجهیزات حفاظتی سیستم‌های صنعتی است که از تجهیزات در برابر افزایش بیش از حد فشار محافظت می‌کند.

وقتی فشار سیستم به Set Pressure برسد، Valve باز شده و با تخلیه بخشی از سیال از افزایش بیشتر فشار جلوگیری می‌کند.

دو طراحی مهم این تجهیزات عبارت‌اند از:

Spring Loaded Safety Valve

و:

Pilot Operated Safety Valve

در نوع Spring Loaded، نیروی فنر مستقیماً Disc را روی Seat نگه می‌دارد و Process Pressure باید بر این نیرو غلبه کند.

اما در Pilot Operated Safety Valve، یک Pilot Valve فشار Process را حس کرده و با کنترل فشار Main Valve، باز و بسته شدن آن را مدیریت می‌کند.

Spring Loaded Valveها طراحی ساده‌تر و کاربرد بسیار گسترده‌ای دارند، در حالی که Pilot Operated Valveها در برخی کاربردهای High Pressure، High Capacity، Operating Pressure نزدیک Set Pressure و شرایط خاص Back Pressure مزایای بیشتری ارائه می‌کنند.

با این حال انتخاب میان این دو طراحی باید بر اساس شرایط Process، نوع Fluid، Set Pressure، Back Pressure، Capacity، دما، استاندارد پروژه و الزامات تعمیر و نگهداری انجام شود.