شیر فشار چه کار می کند؟

2024-09-20

به روز شده در 2025-09-21
ویلیام لئو
شیر فشار

شیرهای فشار دستگاه های ایمنی ضروری هستند که فشار را در سیستم های سیال کنترل، تنظیم و کاهش می دهند. این راهنمای جامع دریچه‌های کاهش فشار، دریچه‌های کاهش فشار، تنظیم‌کننده‌های فشار و دستگاه‌های کنترل فشار را در سراسر کاربردهای صنعتی پوشش می‌دهد.

کنترل فشار در هر سیستمی که مایعات یا گازها را تحت فشار قرار می دهد بسیار مهم است. چه با دیگ های بخار، سیستم های هیدرولیک یا شبکه های توزیع آب سر و کار دارید، شیرهای فشار به عنوان مکانیزم ایمنی اولیه برای جلوگیری از خرابی های فاجعه بار و بهینه سازی عملکرد سیستم عمل می کنند.

شیر فشار چیست؟ (تعریف و توابع اصلی)

شیر فشار یک دستگاه کنترل جریان خودکار است که برای تنظیم فشار سیستم با باز کردن برای آزاد کردن فشار اضافی یا بسته شدن برای حفظ شرایط عملیاتی پایدار طراحی شده است. این شیرهای کنترل فشار هم به عنوان دستگاه ایمنی و هم به عنوان بهینه ساز عملکرد عمل می کنند.

توابع اولیه:

تنظیم فشار:فشار سیستم را در محدوده های از پیش تعیین شده حفظ می کند
محافظت در برابر فشار بیش از حد:با آزاد کردن فشار اضافی از آسیب به تجهیزات جلوگیری می کند
کنترل جریان:جریان سیال را برای بهینه سازی راندمان سیستم تنظیم می کند
تضمین ایمنی:به عنوان آخرین خط دفاع در برابر شکست های مربوط به فشار عمل می کند

تعریف فنی:

طبق بخش I ASME BPVC، دستگاه کاهش فشار «دستگاهی است که توسط فشار استاتیک ورودی فعال می‌شود و برای باز شدن در شرایط اضطراری یا غیرعادی طراحی شده است تا از افزایش فشار سیال داخلی بیش از مقدار مشخص شده جلوگیری کند».

نحوه عملکرد شیرهای کنترل فشار: اصول فنی

مکانیزم عملیاتی پایه

شیرهای کاهش فشار بر اساس اصل تعادل نیرو عمل می کنند:

معادله تعادل نیرو:F1 (نیروی فشار ورودی) = F2 (نیروی فنر) + F3 (نیروی فشار معکوس)

کجا:

F1 = P1×A (فشار ورودی× ناحیه دیسک موثر)
F2 = ثابت فنر×فاصله فشرده سازی
F3 = P2×A (فشار پشتی× ناحیه دیسک)

دنباله عملیات:

تنظیم فشار:هنگامی که فشار سیستم < فشار تنظیم شده، شیر بسته می ماند
فشار ترک خوردگی:باز شدن اولیه در 95-100٪ فشار تنظیم شده رخ می دهد
بالابر کامل:باز شدن کامل در 103-110٪ فشار تنظیم شده (در API 526)
فشار مجدد:دریچه در 85-95٪ فشار تنظیم شده بسته می شود (دمش معمولی)

پارامترهای فنی کلیدی:

پارامتر	تعریف	محدوده معمولی
فشار را تنظیم کنید	فشاری که در آن شیر شروع به باز شدن می کند	10-6000 psig
فشار بیش از حد	فشار بالاتر از فشار تنظیم شده در هنگام تخلیه	3-10 درصد فشار تنظیم شده
انفجار	تفاوت بین فشار تنظیم و تنظیم مجدد	5-15 درصد فشار تنظیم شده
فشار پشت	فشار پایین دست بر عملکرد شیر تاثیر می گذارد	<10% فشار تنظیم شده (معمولی)
ضریب جریان (Cv)	ضریب ظرفیت سوپاپ	بر اساس اندازه / طرح متفاوت است

انواع دستگاه های کنترل فشار: مشخصات فنی

1. شیرهای ایمنی فشار (PSV) و شیرهای ایمنی (SRV)

استانداردهای فنی:ASME BPVC Creator I & VIII، API 520/526

شیرهای ایمنی فنری

محدوده عملیاتی:15 psig تا 6000 psig
محدوده دما:-320 درجه فارنهایت تا 1200 درجه فارنهایت
محدوده ظرفیت:1 تا 100000+ SCFM
مواد:فولاد کربن، فولاد ضد زنگ 316/304، اینکونل، هاستلوی

محاسبه ظرفیت (سرویس گاز):W = CKdP1KshKv√(M/T)

کجا:

W = ظرفیت مورد نیاز (lb/hr)
C = ضریب تخلیه
Kd = ضریب تصحیح ضریب تخلیه
P1 = فشار تنظیم + فشار بیش از حد (psia)
Ksh = ضریب تصحیح سوپرهیت
Kv = ضریب تصحیح ویسکوزیته
M = وزن مولکولی
T = دمای مطلق (°R)

شیرهای ایمنی خلبانی (POSRV)

مزایا:خاموشی شدید، ظرفیت زیاد، کاهش پچ پچ
محدوده فشار:25 psig تا 6000 psig
دقت:± 1% فشار تنظیم شده
برنامه های کاربردی:سرویس گاز با ظرفیت بالا، برنامه های کاربردی فرآیند حیاتی

2. شیرهای کاهش فشار (تنظیم کننده فشار)

استانداردهای فنی:ANSI/ISA 75.01، IEC 60534

تنظیم کننده های فشار مستقیم

نسبت کاهش فشار:تا 10:1
دقت:± 5-10 درصد فشار تنظیم شده
محدوده جریان:0.1 تا 10000+ GPM
زمان پاسخگویی:1-5 ثانیه

فرمول اندازه:Cv = Q√(G/(ΔP))

کجا:

Cv = ضریب جریان
Q = نرخ جریان (GPM)
G = وزن مخصوص
ΔP = افت فشار (psi)

شیرهای کاهش فشار که توسط خلبان کار می کنند

نسبت کاهش فشار:تا 100:1
دقت:1-2% فشار تنظیم شده
محدوده پذیری:100:1 معمولی
برنامه های کاربردی:کاربردهای کاهش فشار بالا و جریان بالا

3. تنظیم کننده های فشار پشتی و شیرهای کنترل

عملکرد:با کنترل جریان پایین دست، فشار بالادست را ثابت نگه دارید

مشخصات فنی:

محدوده فشار:5 psig تا 6000 psig
ضریب جریان:0.1 تا 500+ Cv
دقت:± 2% فشار تنظیم شده
مواد:316 SS، Hastelloy C-276، Inconel 625

کاربردهای صنعتی و مطالعات موردی

صنعت تولید برق

شیرهای ایمنی دیگ بخار (بخش اول ASME)

ظرفیت مورد نیاز:باید تمام بخار تولید شده را بدون بیش از 6 درصد فشار تنظیم شده تخلیه کند
حداقل مورد نیاز:یک شیر اطمینان در هر دیگ بخار؛ دو دریچه برای سطح گرمایش بیش از 500 فوت مربع
تست کردن:تست بلند کردن دستی هر 6 ماه (فشار بالا) یا هر سه ماه یکبار (فشار کم)

مطالعه موردی: نیروگاه 600 مگاواتی

فشار بخار اصلی: 2400 psig
فشار تنظیم سوپاپ ایمنی: 2465 psig (103٪ فشار کاری)
ظرفیت مورد نیاز: 4.2 میلیون پوند در ساعت بخار
پیکربندی: چندین شیر اطمینان 8 اینچ در 10 اینچ فنری

صنعت نفت و گاز

سیستم های ایمنی فشار خط لوله (API 521)

فشار طراحی:1.1 × حداکثر فشار کاری مجاز (MAOP)
اندازه سوپاپ ایمنی:بر اساس سناریوهای حداکثر جریان و فشار پیش بینی شده
مواد:خدمات گاز ترش به انطباق NACE MR0175 نیاز دارد

مطالعه موردی: ایستگاه خط لوله گاز طبیعی

فشار کاری: 1000 psig
فشار تنظیم سوپاپ ایمنی: 1100 psig
ظرفیت مورد نیاز: 50 MMSCFD
نصب: 6 اینچ در 8 اینچ شیر اطمینان خلبان

تصفیه و توزیع آب

ایستگاه های شیر کاهنده فشار

فشار ورودی:150-300 psig (تامین شهرداری)
فشار خروجی:60-80 psig (شبکه توزیع)
محدوده جریان:500-5000 GPM
دقت کنترل:± 2 psi

مثال محاسبه هیدرولیک:

برای یک PRV آب 6 اینچی که 200 psig را به 75 psig در 2000 GPM کاهش می دهد:

Cv مورد نیاز = 2000√(1.0/125) = 179
شیر 6 اینچی با Cv = 185 را انتخاب کنید

فرآوری شیمیایی و پتروشیمی

سیستم های حفاظتی راکتور

شرایط عملیاتی:500 درجه فارنهایت، 600 psig
سناریوهای امدادی:انبساط حرارتی، واکنش های فرار، شکست خنک کننده
مواد:Hastelloy C-276 برای سرویس خورنده
سایز بندی:بر اساس تجزیه و تحلیل بدترین سناریو در API 521

معیارهای انتخاب و محاسبات مهندسی

پارامترهای عملکرد

رتبه بندی فشار (ASME B16.5):

کلاس	رتبه بندی فشار @ 100 درجه فارنهایت
کلاس 150	285 psig
کلاس 300	740 psig
کلاس 600	1480 psig
کلاس 900	2220 psig
کلاس 1500	3705 psig

کاهش دما:

درجه بندی فشار باید برای دماهای بالا مطابق جداول دما-فشار ASME B16.5 کاهش یابد.

راهنمای انتخاب مواد

خدمات	جنس بدنه	مواد برش	مواد فنری
آب	فولاد کربن، برنز	316 SS	سیم موزیک
بخار	فولاد کربن، 316 SS	316 SS، Stellite	اینکونل X-750
گاز ترش	316 SS، دوبلکس SS	استلایت، اینکونل	اینکونل X-750
برودتی	316 SS, 304 SS	316 SS	316 SS
دمای بالا	فولاد کربن، فولاد آلیاژی	استلایت، اینکونل	اینکونل X-750

محاسبات اندازه

برای خدمات مایع (API 520):

منطقه مورد نیاز:A = (GPM × √G) / (38.0 × Kd × Kw × Kc × √ΔP)

کجا:

A = منطقه تخلیه موثر مورد نیاز (در ²)
GPM = نرخ جریان مورد نیاز
G = وزن مخصوص
Kd = ضریب تخلیه (0.62 برای مایعات)
Kw = ضریب تصحیح فشار برگشتی
Kc = ضریب تصحیح ترکیبی
ΔP = فشار تنظیم شده + فشار بیش از حد - فشار برگشتی

برای سرویس گاز/بخار (API 520):

جریان بحرانی:A = W/(CKdP1Kb)
جریان زیر بحرانی:A = 17.9W√(TZ/MKdP1(P1-P2)Kb)

استانداردهای نصب و نگهداری

الزامات نصب (ASME BPVC)

نصب شیر ایمنی:

لوله های ورودی:کوتاه و مستقیم، از زانویی در 5 قطر لوله اجتناب کنید
لوله های خروجی:اندازه برای حداکثر فشار برگشتی 10٪
نصب:ترجیح عمودی، قابل قبول افقی با پشتیبانی
جداسازی:دریچه های مسدود در ورودی؛ در صورت باز بودن در خروجی قابل قبول است

نصب شیر کاهنده فشار:

صافی بالادست:حداقل 20 مش برای سرویس تمیز
خط دور زدن:برای تعمیر و نگهداری و عملیات اضطراری
گیج های فشار:نظارت بر بالادست و پایین دست
شیر تسکین دهنده:حفاظت پایین دست در برابر فشار بیش از حد

برنامه ها و رویه های تعمیر و نگهداری

الزامات بازرسی API 510:

بازرسی بصری:هر 6 ماه یکبار
تست عملیاتی:سالانه
تست ظرفیت:هر 5 سال یکبار
تعمیرات اساسی کامل:هر 10 سال یا به ازای توصیه های سازنده

مراحل تست:

تست فشار تنظیم:فشار باز شدن را در ± 3٪ از تنظیم بررسی کنید
تست نشتی صندلی:API 527 کلاس IV (حداکثر 5000 سی سی در ساعت)
تست ظرفیت:بررسی عملکرد جریان مطابق با الزامات طراحی است
تست فشار پشت:ارزیابی عملکرد تحت شرایط سیستم

فن آوری های تعمیر و نگهداری پیش بینی کننده

تست انتشار آکوستیک:

تشخیص:نشتی داخلی، سایش صندلی، خستگی بهار
محدوده فرکانس:20 کیلوهرتز تا 1 مگاهرتز
حساسیت:می تواند نشت های <0.1 GPM را تشخیص دهد

آنالیز ارتعاش:

برنامه های کاربردی:صدای دریچه خلبان، رزونانس فنری
پارامترها:تحلیل دامنه، فرکانس، فاز
پرطرفدار:داده های تاریخی برای پیش بینی شکست

انطباق استانداردها و گواهینامه ها

کد بویلر و مخزن تحت فشار ASME

بخش I (دیگ های برق):

ظرفیت مورد نیاز:شیرهای ایمنی باید از افزایش فشار > 6 درصد بالاتر از فشار تنظیم شده جلوگیری کنند
حداقل شیرهای ایمنی:یک دیگ در هر دیگ، دو تا اگر سطح گرمایش بیش از 500 فوت مربع باشد
تست کردن:بلند کردن دستی هر 6 ماه (فشار بالا) یا هر سه ماه یکبار (فشار کم)

بخش هشتم (ظروف تحت فشار):

مورد نیاز دستگاه امداد:همه مخازن تحت فشار نیاز به حفاظت در برابر فشار بیش از حد دارند
تنظیم فشار:از MAWP تجهیزات حفاظت شده تجاوز نکند
ظرفیت:بر اساس بدترین سناریو در API 521

پیاده سازی استانداردهای API

API 520 (Size Device Relief):

محدوده:دریچه های امداد معمولی، متعادل و پایلوت را پوشش می دهد
روش های اندازه گیری:روش های محاسبه را برای انواع سیالات ارائه می دهد
نصب و راه اندازی:الزامات لوله کشی و یکپارچه سازی سیستم را مشخص می کند

API 526 (شیرهای تسکین دهنده فولادی فلنجی):

استانداردهای طراحی:الزامات ابعادی، درجه بندی فشار و دما
مواد:مشخصات فولاد کربن، فولاد ضد زنگ
تست کردن:الزامات آزمون پذیرش کارخانه

API 527 (سفت صندلی تجاری):

کلاس I:بدون نشتی قابل مشاهده
کلاس دوم:40 سی سی در ساعت در هر اینچ قطر صندلی
کلاس III:300 سی سی در ساعت در هر اینچ قطر صندلی
کلاس IV:1400 سی سی در ساعت در هر اینچ قطر صندلی

استانداردهای بین المللی

IEC 61511 (سیستم های ابزار دقیق ایمنی):

رتبه بندی SIL:الزامات سطح یکپارچگی ایمنی برای حفاظت از فشار
تست اثبات:آزمایش دوره ای برای حفظ عملکرد ایمنی
میزان شکست:حداکثر میزان خرابی مجاز برای سیستم های ایمنی

عیب یابی و تجزیه و تحلیل شکست

حالت های رایج شکست

باز شدن زودرس (جوش گرفتن):

علل:

تلفات لوله های ورودی بیش از 3 درصد فشار تنظیم شده است
لرزش یا ضربان در سیستم
زباله روی نشیمنگاه سوپاپ
فشار را خیلی نزدیک به فشار کاری تنظیم کنید

راه حل ها:

اندازه لوله ورودی را افزایش دهید (سرعت <30 فوت در ثانیه برای مایعات، <100 فوت بر ثانیه برای گازها)
دمپر ضربان را نصب کنید
نشیمن سوپاپ و دیسک را تمیز کنید
افزایش حاشیه بین فشار کارکرد و تنظیم (>10%)