شیرهای فشار قوی شیرهایی هستند که برای کنترل ایمن جریان سیال یا گاز در فشارهای معمولی مهندسی شده اند بالای 100 بار (1450 psi) ، با طرح های تخصصی رتبه بندی شده تا 15000 psi (1034 بار) یا بالاتر برای کاربردهایی مانند نفت و گاز چاه عمیق، سیستم های هیدرولیک و پردازش سیال فوق بحرانی. انتخاب شیر صحیح مستلزم تطبیق کلاس فشار، جنس بدنه و طراحی نشیمنگاه با حداکثر فشار کاری مجاز سیستم (MAWP)، محدوده دما، و ویژگی های خورنده یا فرسایشی سیال است – اشتباه گرفتن هر یک از این موارد علت اصلی خرابی زودرس سوپاپ و خاموش شدن برنامه ریزی نشده در سیستم های فشار قوی است.
آنچه به عنوان یک شیر فشار قوی واجد شرایط است
طبقه بندی صنعتی "فشار بالا" بر اساس بخش متفاوت است، اما اکثر استانداردهای مهندسی با استفاده از کلاس های فشار ASME B16.34 خط را ترسیم می کنند. دریچه های دارای امتیاز کلاس 600 به بالا به طور کلی فشار بالا در نظر گرفته می شوند، با کلاس های 900، 1500، و 2500 در سخت ترین کاربردهای نفت و گاز، تولید برق و پتروشیمی استفاده می شود. در کلاس 2500، یک شیر باید فشار کاری سرد تقریباً تحمل کند 420 بار (6090 psi) برای بدنههای فولاد کربنی - یک چالش مهندسی اساساً متفاوت از یک شیر استاندارد کلاس 150 که فقط 20 بار (290 psi) دارد.
این اختلاف فشار هر تصمیم اصلی طراحی را هدایت می کند: ضخامت دیوار به طور قابل توجهی افزایش می یابد، الگوهای پیچ و مهره از نظر تعداد و گشتاور مورد نیاز چند برابر می شوند، و مواد نشیمنگاه و آب بندی باید در برابر اکستروژن تحت بار مقاومت کنند که در فشارهای پایین بی اهمیت است.
انواع رایج شیرهای فشار قوی
دریچه های دروازه
دریچه های دروازه ای از یک گیت کشویی برای باز یا بسته شدن کامل جریان استفاده می کنند که در هنگام باز بودن حداقل افت فشار و مسیر جریان مستقیم را ارائه می دهد. آنها به طور گسترده در خدمات جداسازی خطوط لوله با فشار بالا استفاده می شوند که تا سال در دسترس هستند کلاس 2500 (420 بار) در ساخت و ساز فولادی آهنگری، اما برای دریچه گاز طراحی نشده اند - باز شدن جزئی فرسایش صندلی را به میزان قابل توجهی تسریع می کند.
دریچه های گلوب
دریچههای گلوب از مکانیزمی استفاده میکنند که کنترل دریچه گاز عالی و خاموشی محکم را فراهم میکند، و آنها را به انتخابی مطلوب برای بخار پرفشار و برنامههای کنترل فرآیند تبدیل میکند که در آن تنظیم جریان - نه فقط جداسازی - مورد نیاز است. مسیر جریان S شکل آنها نسبت به شیرهای دروازه ای افت فشار بیشتری ایجاد می کند، اما امکان مدولاسیون دقیق و قابل تکرار جریان را فراهم می کند.
شیرهای توپی
دریچه های توپ فشار بالا از یک توپ چرخان با گذرگاه حفاری استفاده می کنند که عملکرد یک چهارم چرخشی و قابلیت اطمینان آب بندی عالی را ارائه می دهد. طرح های شیر توپی نصب شده بر روی Trunnion برای خدمات خط لوله فشار بالا در بالا استاندارد هستند کلاس 900 از آنجایی که یاتاقان ران از توپ مستقل از فشار صندلی پشتیبانی می کند، گشتاور عملیاتی و سایش صندلی را در فشارهای شدید کاهش می دهد.
شیرهای چک
شیرهای چک با استفاده از دیسک یا پیستون دارای بار فنری یا نیروی جاذبه از جریان معکوس به طور خودکار جلوگیری می کنند. در سرویسهای پرفشار، شیرهای برگشتی نوع پیستونی بر طرحهای چک چرخشی ترجیح داده میشوند، زیرا حرکت هدایتشونده پیستون در برابر کوبیدن و اثرات چکش آب در فشارهای بالاتر مقاومت میکند. 100 بار .
دریچه های سوزنی
دریچههای سوزنی از یک پیستون باریک و باریک برای کنترل جریان بسیار ظریف در خطوط با سوراخ کوچک استفاده میکنند که در سیستمهای ابزار دقیق و نمونهبرداری که تا 15000 psi (1034 بار) . ساقه بلند و رزوهدار آنها امکان تنظیم دقیق ریز جریان را میدهد که انواع شیرهای بزرگتر نمیتوانند به آن دست یابند.
مرجع کلاس فشار و کاربردهای معمولی
| کلاس فشار | فشار کار سرد (فولاد کربنی) | برنامه معمولی |
|---|---|---|
| کلاس 600 | ~ 102 بار (1480 psi) | لوله کشی فرآیند پالایشگاه، آب تغذیه نیروگاه |
| کلاس 900 | ~ 155 بار (2250 psi) | خطوط لوله گاز فشار قوی، سکوهای دریایی |
| کلاس 1500 | ~ 255 بار (3705 psi) | کنترل سر چاه، سیستم های بخار فشار بالا |
| کلاس 2500 | ~420 بار (6090 psi) | نفت و گاز چاه عمیق، بخار فوق بحرانی |
| بالاتر از کلاس 2500 (API 6A) | 690–1034 بار (10000–15000 psi) | سیستم های سرچاهی و فرک، تست فشار فوق العاده بالا |
انتخاب مواد برای خدمات فشار بالا
مواد بدنه باید هم در برابر فشار و هم خصوصیات شیمیایی یا حرارتی سیال فرآیند مقاومت کنند. انتخاب نادرست مواد یکی از شایع ترین علل خرابی شیر در حین کار است.
کربن و فولاد آلیاژی فورج شده
ساخت و ساز آهنگری (در مقابل ریخته گری) برای شیرهای بالاتر از کلاس 600 استاندارد است، زیرا آهنگری تخلخل را از بین می برد و ساختار دانه یکنواخت تری را فراهم می کند که قادر به مقاومت در برابر غلظت های تنش بالا در مرزهای نگهدارنده فشار است. آلیاژهای رایج عبارتند از فولاد کربنی A105 برای سرویس عمومی و فولاد کروم-مولی A182 F11/F22 برای سرویس دمای بالا تا 600 درجه سانتیگراد.
فولاد ضد زنگ و دوبلکس
برای رسانه های خورنده - گاز ترش، تزریق آب دریا، یا پردازش شیمیایی - فولاد ضد زنگ 316/316L یا فولاد ضد زنگ دوبلکس (UNS S31803) مقاومت بالایی در برابر ترک خوردگی تنش کلریدی ایجاد می کند. نمرات دوبلکس تقریبا ارائه می شود دو برابر قدرت تسلیم استاندارد 316L، به بدنه شیرهایی با دیواره نازکتر و سبکتر با درجهبندی فشار معادل اجازه میدهد.
مواد صندلی و مهر و موم
صندلیهای نرم با استفاده از PTFE یا PEEK در فشارهای متوسط بالا خاموش میشوند اما در معرض اکستروژن در بالا هستند. 4000–5000 psi بدون حلقه های پشتیبان مناسب ضد اکستروژن. صندلیهای فلزی - معمولاً با روکش تنگستن یا روکش استلایت - برای شدیدترین ترکیبهای فشار و دما مورد نیاز هستند، و برای دوام مکانیکی مقداری سفتی خاموش را قربانی میکنند.
ویژگی های طراحی حیاتی که بر ایمنی و قابلیت اطمینان تأثیر می گذارد
- طرح کلاه پیچ دار: شیرهای پرفشار به اتصالات کاپوت نیاز دارند که هم فشار داخلی و هم فشار پیش بار پیچ را تحمل کنند. طرحهای درزگیر فشاری بالاتر از کلاس 1500 استاندارد هستند و از خود فشار داخلی برای افزایش آببندی با افزایش فشار استفاده میکنند.
- سیستم های بسته بندی ساقه: مجموعهای از حلقههای بستهبندی گرافیت یا PTFE، اغلب با یک بسته فنری با بار زنده، یکپارچگی مهر و موم را از طریق چرخه حرارتی حفظ میکنند - بسیار مهم است زیرا یک شکست بستهبندی در 3000 psi میتواند یک جت سیال با سرعت بالا ایجاد کند.
- گواهی ایمنی آتش نشانی: شیرهای مورد استفاده در خدمات هیدروکربنی باید حمل شوند گواهینامه API 607 یا API 6FA ضد حریق حصول اطمینان از حفظ عملکرد آب بندی قابل قبولی شیر حتی پس از از بین رفتن آب بند های نرم اولیه در اثر آتش سوزی.
- طراحی ضد الکتریسیته ساکن: شیرهای توپی و پلاگین باید دارای یک مسیر اتصال الکتریکی با فنر بین توپ/ساقه و بدنه باشند تا از خطر اشتعال تخلیه ساکن در سرویس های قابل اشتعال جلوگیری شود.
- دو بلوک و خونریزی (DBB): بسیاری از کاربردهای عایق فشار بالا به شیرهای DBB نیاز دارند که دو سطح آب بندی مستقل را با یک دریچه دریچه بین آنها فراهم می کند و اجازه می دهد تا یکپارچگی مهر و موم بدون برداشتن شیر از خط تأیید شود.
استانداردهای مربوطه حاکم بر طراحی شیر فشار بالا
انطباق با استانداردهای شناخته شده حواشی طراحی و دقت تست را در بین تولیدکنندگان تضمین می کند.
- ASME B16.34: درجه بندی فشار-دما، مواد و ابعاد برای شیرهای فلنجی، رزوه ای و جوشی را تعریف می کند.
- API 6A: مشخصات تجهیزات سر چاه و درخت کریسمس، دریچه های پوشش دهنده تا 20000 psi برای کاربردهای سرچاه نفت و گاز.
- API 600/602/608: به ترتیب شیرهای دروازه فولادی، شیرهای دروازه فولادی فشرده و شیرهای توپی فلزی را بپوشانید و الزامات ساخت و ساز و آزمایش را مشخص کنید.
- API 598: استاندارد برای بازرسی و آزمایش سوپاپ، تعیین فشارها و مدت زمان مورد نیاز پوسته، صندلی و صندلی عقب (معمولاً برای حداقل 1 دقیقه در هر اینچ اندازه اسمی لوله ، با حداقل 2 دقیقه).
روش های بازرسی، تست و نگهداری
دریچههای فشار بالا با حاشیه بسیار کمی برای تخریب غیرقابل تشخیص کار میکنند و برنامههای بازرسی ساختاریافته را ضروری میسازند.
- تست فشار پوسته و صندلی: طبق API 598، آزمایشهای پوسته معمولاً در آن انجام میشود 1.5× فشار کاری سرد نامی شیر ، در حالی که تست های صندلی یکپارچگی خاموشی را در فشار نامی با نرخ نشتی مجاز مشخص شده توسط کلاس سوپاپ تأیید می کند.
- بازرسی بسته بندی ساقه: نشتی خارجی در ساقه را در فواصل زمانی مشخص شده با شدت سرویس بررسی کنید - معمولاً هر کدام 3-6 ماه در خدمات مداوم چرخه بالا، با جایگزینی بسته بندی به طور پیشگیرانه و نه واکنشی برنامه ریزی شده است.
- تأیید گشتاور پیچ: پیچ و مهره کلاه و فلنج باید پس از اولین چرخه حرارتی پس از نصب در برابر مقادیر گشتاور مشخص شده بررسی شود، زیرا خزش اولیه واشر می تواند پیش بارگذاری را کاهش دهد. 10-15٪ .
- بازرسی داخلی (فواصل چرخش): در طول چرخش های برنامه ریزی شده کارخانه، دریچه های جداسازی حیاتی را جدا کنید تا صندلی ها، تزئینات و حفره بدنه را از نظر فرسایش، حفره های خوردگی یا گازگرفتگی بررسی کنید.
- محرک و بررسی گشتاور عملیاتی: برای دریچههای فشار بالا با موتور یا پنوماتیک، بررسی کنید که گشتاور خروجی محرک همچنان از گشتاور عملیاتی مورد نیاز سوپاپ بیشتر است، که میتواند در طول زمان به دلیل سایش صندلی یا ورود زباله افزایش یابد.
یک برنامه بازرسی مستند و مبتنی بر استانداردها مؤثرترین محافظت در برابر حالت های خرابی فاجعه بار مرتبط با شیرهای فشار بالا است - جایی که حتی یک نقص کوچک شناسایی نشده می تواند انرژی ذخیره شده را آزاد کند که می تواند آسیب جدی به تجهیزات یا آسیب به پرسنل وارد کند.
