عدم تعادل فشار داخل مخازن ممکن است باعث آسیب دیدگی و حتی گاهی انفجار مخزن شود، شیر تنفسی وظیفه جلوگیری از این اتفاق را بر عهده دارد.

شیرهای تنفسی که به شیر اطمینان فشار هم معروف هستند، یکی از مهم ترین شیرآلات صنعتی مورد استفاده در کار با مخازن می باشند.

1- شیر تنفسی چیست؟ (Breather Valve)

شیر تنفسی را می توان به بینی تشبیه کرد.

همان طور که انسان برای نفس کشیدن از بینی استفاده می کند،
شیرهای تنفسی برای تأمین هوای مورد نیاز مخازن ذخیره سازی استفاده می شوند.

لازم به ذکر است که این شیرها با نام شیر اطمینان فشار/خلاء (Pressure/Vacuum Relief Valve) نیز شناخته می شوند.

 عملکرد Breather Valve

شیرهای تنفسی عمدتا در بالای مخازن ذخیره سازی نصب می شوند.

وظیفه این دسته از شیرها به نوعی حفاظت از مخازن است.

فیلم اموزشی نحوه عملکرد شیر تنفسی (Breather Valve )

به عبارت دیگر از مخزن در شرایط فشار بیش از حد و خلاء که باعث ترکیدگی آن می شود، حفاظت می کنند.

سوپاپ هایی در این دسته از شیرها وجود دارند که از ایجاد فشار یا خلاء بیش از حد در مخازن جلوگیری می کنند.

استفاده از شیرهای تنفسی در ارتقای ایمنی مخازن و جلوگیری از بروز هرگونه آتش سوزی اهمیت بالایی دارد.

چرا که ممکن است در اثر واکنش های شیمیایی یا افزایش دمای سیال درون مخازن، آتش سوزی به وقوع بپیوندد.

به این ترتیب فشار بخار و احتمال ترکیدن مخزن افزایش می یابد.

اما شیرهای تنفسی، باعث تخلیه بخار به محیط بیرون می شوند تا احتمال بروز آتش سوزی کاهش پیدا کند.

2-مکانیزم عملکرد شیر تنفسی

همان طور که اشاره کردیم، هدف اصلی استفاده از شیر تنفسی، محافظت از مخازن در برابر پارگی یا انفجار است.

تصور کنید که به یکباره پمپاژ سیال به درون مخزن افزایش پیدا کند.

در چنین شرایطی فشار بخار درون مخزن به شدت افزایش می یابد و این مسئله باعث انفجار مخزن می شود.

شیرهای تنفسی در این شرایط وارد عمل می شوند و
با کاهش سطح سیال درون مخزن، فشار بخار را کم می کنند و خطر انفجار را برطرف می نمایند.

از طرفی با کاهش بیش از حد سطح مایع در مخزن، فشار بخار نیز به شدت افت پیدا می کند.

این اتفاق باعث نزدیک شدن فضای مخزن به شرایط خلاء می شود.

درنتیجه احتمال پارگی یا ترکیدن مخزن افزایش می یابد.

شیر تنفسی در این شرایط نیز وارد عمل می شود و با مکش هوای تازه به درون مخزن، مانع از ایجاد خلاء می شود.

3- ساختار شیر تنفسی

ساختار داخلی شیر تنفسی از دو دریچه تنفس داخلی (in-breathing valve) و دریچه تنفس خارجی (out-breathing valve) تشکیل شده است.

این دو دریچه می توانند در مجاورت یا روی یکدیگر قرار بگیرند.

در شرایطی که فشار مخزن برابر فشار اتمسفر است، دیسک و نشیمنگاه (Seat) به دلیل نیروی جاذبه در مجاورت هم کار می کنند.

به این ترتیب جلوی هرگونه نشتی را می گیرند.

زمانی که فشار درون مخزن افزایش پیدا می کند،
دریچه تنفس خارجی شیر باز می شود و هوا را به سمت اتمسفر تخلیه می کند.

اما وقتی فشار درون مخزن کمتر از فشار اتمسفر می شود،
دریچه تنفس داخلی باز شده و هوای محیط اطراف به داخل مخزن مکش می شود.

به خاطر داشته باشید که در یک زمان هر دو دریچه تنفس داخلی و خارجی نمی توانند باز باشند.

در شرایط عادی نیز هر دو دریچه بسته هستند.

همان‌طور که اشاره کردیم انتخاب تجهیزات ایمنی مخازن باید با در نظرگرفتن عواملی همچون نوع سیال ورودی، دما، فشار و ویسکوزیته آن صورت گیرد. موارد گفته شده تنها تعدادی از فاکتورهای تاثیرگذار در طراحی هستند. عوامل دیگری نیز وجود دارد که پیش از سفارش محصول لازم است تا در جداول مشخصات فنی به شرکت سازنده ارائه شود. براساس این مشخصات می‌توان شیرتنفسی مناسب برای هر مخزن را انتخاب کرد.

انواع شیر تنفسی

شیر تنفسی از نظر عملکرد به سه شکل در بازار موجود است.

شیر خلاءشکن

در مخازنی که دمای سیال ورودی (گاز-مایع) برابر با دمای محیط باشد و همچنین خنک‌سازی سیال درون مخزن نیز از طریق تبادل حرارتی با  محیط (هوای اطراف مخزن) انجام ‌شود، شیر خلاءشکن نصب می‌شود. در زمان افت فشار(فشار منفی) با باز شدن دریچه شیر تنفسی و ورو د هوا به مخزن، تعادل فشار در مخزن برقرار شده و مانع از مچاله شدن مخزن به دلیل ایجاد خلاء می‌شود.

در مخازن تحت فشار و غیر اتمسفریک مثل مخزن ذخیره سرد (Cryogenic Tank) که سیال ورودی دمایی کمتر از دمای محیط دارد، برای جلوگیری از مچاله شدن مخزن هنگام ورود مایع سرد نمی‌توان از شیر تنفسی خلاءشکن استفاده کرد. براساس استاندارد ASME برای این مخازن باید از تجهیزاتی استفاده کرد که سرعت عملکردی بالایی دارند و فشاری کاری آن‌ها بیشتر از  bar1.03 باشد. برای  مهار فشار در مخازن ذخیره سرد (مانند مخازن ذخیره گازهای مایع، نیتروژن، آمونیاک، اتیلن و بوتادین) از تجهیزاتی نظیر راپچردیسک(Rupture Disc) و شیر اطمینان (Pressure Safety Valve) استفاده می‌شود.

انتخاب سیستم پالت وزنی و یا فنر برای شیرخلاءشکن متناسب با فشار کاری و شرایط هر مخزن انجام می‌شود. معمولاً در فشارهای پایین سیستم پالت‌ وزنی‌ وظیفه ایجاد تعادل درون مخزن در شرایط کاهش فشار را دارد و طراحی و تنظیمات فشار عملکردی شیر خلاءشکن، براساس وزنه و پالت انجام می‌شود.

شیر تنفسی خلاءشکن- وکیوم ولو

شیر تخلیه فشار

 شیر تنفسی تخلیه فشار مانند شیر خلاء شکن در مخازن با سقف ثابت و فشار پایین استفاده می‌شود. در زمان بارگیری محصول (ورود سیال)، احتمال افزایش فشار در مخزن وجود دارد. همچنین ممکن است حرارت ناشی از یک روز آفتابی موجب افزایش دمای سیال و به دنبال آن ایجاد گازهای فرار درون مخزن شود. در صورتی‌که  برای سیستم‌های بسته -نظیر مخازن- تجهیزات ایمنی تعبیه نشود، فشار اضافی وارد شده به جداره‌های مخزن و یا تجمع بخارات سیال هیدروکربنی باعث انفجار و به دنبال آن خروج محصولات از مخزن می‌شود. در نتیجه، نصب تجهیزات ایمنی مثل شیر تنفسی برای مخازن ضروری است. شیر تنفسی فشاری SEWON  برای بازه‌های فشاری کمتر و برابر با 1bar طراحی و ساخته می‌شوند. در زمان افزایش فشار فنرهای تعبیه شده در شیر تنفسی تخلیه فشار وظیفه باز کردن دریچه خروجی شیر و مهار فشار اضافی را دارند. به همین دلیل  طراحی و تنظیمات فشار عملکردی شیر تنفسی تخلیه فشار، براساس فنرها انجام می‌شود. شیرهای تخلیه فشار معمولاً برای مخازن حاوی سیالات اشتعال‌پذیر به‌کاربرده می‌شوند. سیال درون این مخازن نباید در معرض اکسیژن هوا قرار گیرد. در نتیجه، نصب شیر تنفسی خلاءشکن بر روی این مخازن پیشنهاد نمی‌شود. در این مخازن به جای ورود اکسیژن(هوا) از گازهای بی‌اثر استفاده می‌شود. برای محافظت از مخزن در برابر آتش‌سوزی علاوه برشیر تنفسی تخلیه فشار از سیستم محافظت نیتروژنی(N2 Blanketing System)نیز استفاده می‌شود.

 
شیر تخلیه فشار SEWON

شیر فشار-خلاء

رایج‌ترین نوع کاربرد شیر تنفسی فشار-خلاء در مخازن ذخیره حاوی مایعات است. این مایعات ممکن است اشتعال‌پذیر یا اشتعال‌ناپذیر باشند. چنانچه سیال قابل اشتعال باشد،  سیستم محافظت نیتروژنی نیز در کنار شیرهای تنفسی نصب خواهد شد. تغییرات فشار در مخازن علل متفاوتی دارد. گاهی فشارهای مثبت و منفی بر اثر پر یا خالی شدن مخازن ذخیره‌سازی اتفاق می‌افتد و گاهی دیگر حرارت ناشی از تغییرات آب‌و هوایی در محیط نصب مخازن منجر به  افزایش فشار می‌شود. شیرهای تنفسی فشار-خلاء از نظر عملکرد و ساختار، ترکیبی از شیرهای فشاری و خلاءشکن هستند؛یعنی در ساخت آن‌ به صورت ترکیبی از پالت‌های وزنی و فنرها استفاده می‌شود. در شیرهای فشار-خلاء برند SEWON کنترل میزان فشار یا خلاء در مخزن به‌وسیله‌ی پالت‌های وزنی یا فنرها انجام می‌شود.

تا زمانی که فشار درون مخزن کمتر یا بیشتر از فشار عملکردی (operating pressure) تجهیز نباشد، هر دو دریچه بسته می‌مانند. علت آن هم اثر جذب سطحی است، چرا که در فشارهای کمتر از فشار اتمسفر، فشار و نیرویی که به سطح پالت نشیمنگاه (seat pallet) وارد می‌شود به قدری نیست که توانایی جا‌به‌جایی پالت وزنی را داشته باشد.

هنگامی که فشار مخزن بیش از فشار طراحی شود، فشار و نیروی وارد شده به سطح پالت وزنی و یا فنر باعث به حرکت درآمدن پالت و یا آزاد شدن فنر شده و دریچه خروج فشار باز می‌شود.

ابراین هر زمان که مخزن دچار افزایش فشار (فشار مثبت) شود، دریچه فشار (شیر) باز شده و فشار اضافی مخزن از این طریق تخلیه می‌شود. در این حالت، شیر خلاء بسته می‌ماند. حال اگر فشار مخزن کمتر از فشار کاری مجاز شود و مخزن دچار افت فشار (فشار منفی) شود، برای جلوگیری از ایجاد خلاء درون مخزن، دریچه خلاء (شیر مکش) باز شده و از این طریق مقداری هوا وارد مخزن می‌شود.

شیر تنفسی فشار- خلاء SEWON

لازم به ذکر است که انتخاب تجهیزات ایمنی در هر پروژه، براساس نظر مهندسان طراح و فرآیند صورت می‌گیرد. گاهی استراتژی طراح این است که از شیرهای تنفسی به عنوان تجهیز ثانویه استفاده می‌شود و در صورت عمل‌ نکردن دیگر تجهیزات ایمنی مخازن مانند، شیر اطمینان، سیستم محافظت نیتروژنی و رگولاتور با عملکرد به موقع می‌تواند از تجهیز در برابر آسیب‌ها محافظت کند.

5- مزایای شیر تنفسی

شیر تنفسی مزایای زیادی دارد که عبارت اند از:

  • جلوگیری از خطر آتش سوزی
  • جلوگیری از هدر رفتن انرژی و صرفه جویی در هزینه ها
  • پیشگیری از بروز انفجار در مخزن
  • جلوگیری از بروز مشکل در زمان عملیات پمپاژ مخازن
  • نیاز به تعمیر و نگهداری کم

مزایای شیرتنفسی

6-استاندارد تولید شیرهای تنفسی

استاندارد API سری 2000 در زمینه تهویه مخازن ذخیره سازی اتمسفری و فشار پایین تدوین شده است.

این استانداردها برای طراحی و ساخت شیر تنفسی مورد استفاده قرار می گیرند.

در قالب این استاندارد مشخصات شیرهای تنفسی مختلف بررسی شده است و به کمک آن می توان شیرهای مناسب را انتخاب کرد.

همچنین نکات ایمنی در زمینه نصب، تعمیر و نگهداری این دسته از شیرها نیز به طور مفصل در استاندارد API بحث شده است.

جنس قطعات شیر تخلیه بخارات

بد نیست که چند نکته مهم در خصوص شیرهای تنفسی که در این استاندارد ذکر شده اند را مرور کنیم:

  • شیرهای تنفسی باید در بالاترین نقطه مخازن نصب شوند تا
    تمام بخش های مخزن به طور مستقیم در دسترس آن ها قرار داشته باشند.
  • در صورتی که حجم مخزن زیاد باشد، می توان از دو دریچه تنفسی استفاده کرد که
    به صورت متقارن در بالای مخزن نصب می شوند.
  • در مخازنی که دارای سیال با دمای صفر یا کمتر هستند،
    باید تدابیر لازم برای جلوگیری از یخ زدن شیرهای تنفسی در نظر گرفته شود.

جنس قطعات شیر تخلیه بخارات طبق استاندارد API 2000 مطابق جدول زیر می­‌باشد:

نحوه نصب شیر تنفسی

شیرهای تنفسی به صورت اتصال فلنج و تخلیه به اتمسفر روی نازل مخازن ذخیره نصب می‌شوند. شیرهای تنفسی فشاری قابلیت نصب به صورت ترکیبی با شعله‌گیر flame arresterرا نیز دارند. در مواردی که مخلوط بخارهای خروجی از مخزن در مواجه با اکسیژن هوا مشتعل شود، نصب شعله‌گیر می‌تواند مانع از انتقال شعله به مخزن شود.

جمع بندی

به طور کلی شیرهای تنفسی در ردیف شیرهای اطمینان قرار می گیرد که در صنعت به وفور استفاده می شوند.

شیرهای اطمینان نقش کلیدی در افزایش ایمنی تجهیزات دارند.