افزایش کنترل‌نشده فشار یکی از جدی‌ترین خطرات در مخازن، ظروف تحت فشار و سایر تجهیزات تحت فشار به شمار می‌رود. زمانی که فشار داخلی از محدوده‌ای که تجهیز برای آن طراحی و ساخته شده فراتر رود، پیامد آن می‌تواند از یک نشتی جزئی تا یک خرابی مکانیکی فاجعه‌بار متغیر باشد. به همین دلیل، حفاظت در برابر فشار اضافی (Overpressure Protection) یکی از ارکان اصلی مهندسی ایمنی فرآیند است. شیر اطمینان فشار (Pressure Safety Valve) یکی از تجهیزاتی است که برای مدیریت این ریسک به کار می‌رود. در این مقاله توضیح می‌دهیم که PSV چگونه کار می‌کند، چرا فشار بیش از حد می‌تواند یکپارچگی مخزن یا تجهیز را تهدید کند و PSV چگونه در یک سیستم گسترده‌تر حفاظت در برابر فشار اضافی جای می‌گیرد.
PSV چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟
شیر اطمینان فشار (PSV) یک تجهیز تخلیه خودکار است که معمولاً با فنر (و در برخی طراحی‌ها به‌صورت پایلوت‌عملکرد) کار می‌کند و روی یک ظرف تحت فشار یا سامانه لوله‌کشی نصب می‌شود تا آن را در برابر افزایش فشار داخلی محافظت کند. در شرایط عادی بهره‌برداری، شیر بسته می‌ماند و نیروی فنر تنظیم‌شده (یا مکانیزم بارگذاری معادل) آن را بسته نگه می‌دارد. این نیروی بستن متناظر با فشار تنظیمی (Set Pressure) شیر است؛ یعنی فشاری که شیر برای باز شدن در آن طراحی شده است.
اگر فشار سامانه به فشار تنظیمی برسد ، دیسک بلند شده و مسیر جریانی باز می‌کند تا سیال فرآیندی از آن تخلیه شود و فشار اضافی کاهش یابد. پس از آنکه فشار به سطح قابل‌قبول کاهش یافت، شیر مجدداً بسته می‌شود (Reseat) و سامانه به شرایط ایمن و محصور اولیه بازمی‌گردد. به این ترتیب، PSV یک تجهیز مکانیکی و خودعمل‌کن حفاظت در برابر فشار اضافی است که برای عملکرد به منبع تغذیه خارجی یا حلقه کنترل ابزار‌دقیقی وابسته نیست؛ همین ویژگی یکی از دلایل استفاده گسترده از آن به‌عنوان یک لایه پایانی حفاظتی در ظروف تحت فشار و تجهیزات فرآیندی است (API 520، بخش I).
چرا افزایش بیش از حد فشار می‌تواند باعث خرابی مخزن یا تجهیز شود؟
یک ظرف تحت فشار یا مخزن، بر اساس کد طراحی، جنس مواد و ضخامت دیواره، برای یک محدوده فشار مشخص طراحی می‌شود. زمانی که فشار داخلی از حدود مجاز یا طراحی تجهیز فراتر رود، تنش مکانیکی وارد بر پوسته، سرپوش‌ها و نازل‌ها می‌تواند از آنچه مواد و ساخت برای تحمل آن طراحی شده‌اند فراتر رود و بسته به شدت و مدت افزایش فشار، به تغییر شکل دائمی، از دست رفتن آب‌بندی یا در موارد حاد، پارگی منجر شود.
افزایش فشار می‌تواند علل معتبر گوناگونی داشته باشد که بسته به تجهیز و سرویس متفاوت است؛ از جمله:
● مسدود یا محدود شدن خروجی‌ها
● مواجهه با آتش در برخی سرویس‌ها
● اختلالات فرآیندی
● انبساط حرارتی مایع محبوس‌شده
● تولید بخار یا گاز
● خرابی سامانه کنترل
● بهره‌برداری نادرست
● سایر منابع گرمایی خارجی
همه این علل برای هر مخزن یا ظرفی کاربرد ندارند؛ سناریوهای معتبر افزایش فشار مرتبط با یک تجهیز خاص باید از طریق ارزیابی مهندسی طراحی، سرویس و شرایط بهره‌برداری آن، منطبق با اصول مطرح‌شده در API 521 شناسایی شوند.
PSV چگونه ریسک خرابی فاجعه‌بار را کاهش می‌دهد؟
عملکرد حفاظتی PSV را می‌توان به‌صورت یک زنجیره منطقی خلاصه کرد:
1. بهره‌برداری عادی ادامه می‌یابد تا شرایط غیرعادی رخ دهد.
2. اگر این شرایط باعث افزایش فشار شود و هیچ لایه کنترلی یا حفاظتی دیگری وارد عمل نشود، فشار می‌تواند به محدوده طراحی تجهیز نزدیک شود.
3. PSV در فشار تنظیمی خود وارد عمل می‌شود و همان‌طور که در بخش «PSV چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟» توضیح داده شد، با تخلیه کنترل‌شده سیال، از افزایش بیشتر فشار جلوگیری می‌کند.
4. پس از رفع شرایط غیرعادی، شیر مجدداً بسته می‌شود و سامانه به وضعیت ایمن بازمی‌گردد.
برای آنکه این زنجیره واقعاً از تجهیز محافظت کند، PSV و سامانه تخلیه پیرامون آن باید در تمام مراحل به‌درستی مهندسی شده باشند؛ از جمله انتخاب تجهیز متناسب با سرویس و سناریوهای شناسایی‌شده، سایزینگ متناسب با ظرفیت موردنیاز، تنظیم در فشار صحیح، نصب صحیح روی تجهیز حفاظت‌شده و طراحی سامانه تخلیه‌ای که بتواند سیال تخلیه‌شده را به‌صورت ایمن مدیریت کند (API 520، بخش‌های I و II). اثربخشی مستمر آن نیز به بازرسی، تست و نگهداری دوره‌ای برای اطمینان از عملکرد مطابق طراحی وابسته است.
پیامدهای انتخاب یا نگهداری نادرست PSV
یک تجهیز تخلیه فشار تنها به اندازه سامانه پیرامون خود مؤثر است. مسائل رایجی که می‌توانند اثربخشی حفاظت را کاهش دهند عبارت‌اند از:
● فشار تنظیمی نادرست
● ظرفیت تخلیه ناکافی
● نصب نادرست
● انسداد یا محدودیت در لوله‌کشی ورودی یا خروجی
● طراحی نامناسب سامانه تخلیه
● خوردگی یا رسوب‌گذاری اجزای داخلی
● بازرسی و نگهداری ناکافی
● انتخاب تجهیزی نامتناسب با سرویس یا استاندارد حاکم
هر یک از این موارد می‌تواند منجر به عدم باز شدن شیر در شرایط موردنظر، تخلیه ناکافی یا بسته نشدن صحیح آن شود که هرکدام حفاظت موردنظر را تضعیف می‌کند.
نتیجه‌گیری
یک PSV که به‌درستی طراحی، انتخاب، سایزینگ، نصب و نگهداری شده باشد می‌تواند ریسک آسیب به ظرف یا مخزن ناشی از افزایش فشار را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد. PSV به‌تنهایی تضمینی مستقل در برابر انفجار نیست؛ بلکه یکی از اجزای یک راهبرد گسترده‌تر ایمنی فرآیند و حفاظت در برابر فشار اضافی است که به طراحی صحیح، شناسایی سناریوهای معتبر و بازرسی و نگهداری مستمر نیز وابسته است.
منابع
• API Standard 520, Part I — Sizing and Selection, and Part II — Installation, «Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices» (American Petroleum Institute).
• API Standard 521, «Pressure-relieving and Depressuring Systems» (American Petroleum Institute).
• ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 1, «Rules for Construction of Pressure Vessels» (American Society of Mechanical Engineers).
• ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division 2, «Alternative Rules» (American Society of Mechanical Engineers).