تحديد حجم صمامات الأمان واختيارها: دليل هندسي وفق معايير المعهد الأمريكي للبترول

يُعَدُّ صمام تخفيف الضغط الخط الدفاعي الأخير ضد ارتفاع الضغط الزائد في أوعية الضغط وأنظمة الأنابيب. ويُنظِّم المعيار API 520 (الجزء الأول والجزء الثاني) عملية تحديد أحجام أجهزة تخفيف الضغط واختيارها وتركيبها في قطاع تكرير النفط والصناعات المرتبطة به. أما المعيار API 521 فيقدِّم المنهجية الهندسية لتحديد سيناريوهات ارتفاع الضغط الزائد وتصميم أنظمة التفريغ المناسبة لها. ويُوحِّد المعيار API 526 مساحات الفتحات والأبعاد وتصنيفات ضغط صمامات تخفيف الضغط الفولاذية ذات التوصيل بالشفاه. وتلخِّص هذه المقالة، الموجَّهة للمهندسين ومحترفي المشتريات، مبادئ تحديد ضغط التفعيل، ومنطق اختيار الصمام، وأسلوب حساب السعة التفريغية.

الشكل ١: رسم تفصيلي لصمام تقليدي يعمل بالزنبرك صمام الأمان — مقعد، قرص، وتجميع النوابض

1. المعدات التي تتطلب حماية الإغاثة

تتطلب API 521 حماية من الضغط الزائد لأوعية الضغط، ومبادلات الحرارة، والسخانات النارية، وأي أقسام أنابيب يمكن انسدادها بسبب التمدد الحراري أو تقلبات الضغط الصاعد.

مبدأ الحماية الجماعية: يحمي صمام الإغاثة مجموعة من المعدات — تلك الموجودة بين صمامين عازلين والخاضعة لنفس مصدر الضغط الزائد — بدلاً من حماية كل وعاء على حدة. يجب تقييم سيناريوهات الضغط الزائد التالية:

• مخرج مغلق — إغلاق صمام عازل لاحق يحبس النظام تحت ضغط زائد؛
• إدخال حرارة خارجية في ظروف الحريق؛
• تفاعل كيميائي خارج عن السيطرة أو تمدد حراري للمادة المحصورة؛
• فقدان المرافق (مياه التبريد، الطاقة الكهربائية، أو هواء الأدوات)؛
• تجاوز الضغط الناتج عن فشل صمام التحكم في الضغط الصاعد.

في مصنع حمض الكبريتيك، يُعَدّ المحول ووعاء التخزين المؤقت لمنفذ ضاغط ثاني أكسيد الكبريت ورأس البخار والطبل البخاري لغلاية استعادة الحرارة ذات الضغط المتوسط من العناصر الأساسية التي يجب حمايتها.

٢. معايير الاختيار الرئيسية

نوع الصمام: المزود بزنبرك صمام الأمان هو النوع الأكثر انتشاراً. ويحدّد معيار API 526 أربعة عشر رمزاً قياسياً للفتحات تبدأ من الحرف D وتنتهي بالحرف T (D، E، F، G، H، J، K، L، M، N، P، Q، R، T)، وهي تغطي كامل نطاق متطلبات السعة التفريغية الشائعة. وعندما يتجاوز الضغط العكسي ١٠٪ من ضغط الإعداد، فيجب اختيار صمام ذي غشاء متوازن. أما الصمامات المشغَّلة بواسطة صمام تحكم رئيسي (Pilot-operated valves) فهي قادرة على التحمُّل عند ضغوط عكسية أعلى وأكثر تقلُّباً، وهي مناسبة للخدمات النظيفة ذات فرق الضغط العالي.

ضغط الإعداد: وفقاً لقسم ASME VIII ومعيار API 520، فإن أقصى ضغط تفريغي مسموح به في الحالات غير الناجمة عن حرائق هو ١١٠٪ من ضغط التصميم (أي تراكم بنسبة ١٠٪). أما في الحالات الناجمة عن حرائق، فيُسمح بـ١٢١٪ (أي ضغط زائد بنسبة ٢١٪).

فحص الضغط العكسي: بالنسبة لصمام تقليدي مزود بزنبرك، يؤدي ارتفاع الضغط العكسي فوق ١٠٪ من ضغط التفعيل إلى انخفاض في الارتفاع وقدرة التفريغ. أما الصمام المتوازن المزود بالبالونات فيستخدم بالونةً مساحتها الفعالة تساوي مساحة المقعد، مما يلغي تأثير الضغط العكسي على ضغط التفعيل.

الشكل ٢: قسم عرضي لصمام مزود بزنبرك صمام الأمان — مع تجميعة بالونات

٣. سعة التفريغ وتحديد أبعاد الفتحة

يجب تحديد مساحة الحلق في الفوهة بحيث تتناسب مع أعلى معدل تفريغ في الظروف غير الطبيعية. ويقدّم المعيار API 520 الجزء الأول طرائق حساب الأبعاد الخاصة بالغازات/الأبخرة والسوائل والتدفقات ثنائية الطور.

الخدمة بالغازات/الأبخرة (التدفق الحرج):

أ = (و ÷ (ج × كد × ص١ × كب)) × √(ت × ز ÷ م)

حيث:

• أ — المساحة الفعالة المطلوبة للتفريغ؛
• و — معدل التفريغ الكتلي (كجم/ساعة)؛
• ج — معامل الغاز، وهو دالة لمعدل الحرارة النوعية ك؛
• ك د — معامل التصريف الفعّال (٠٫٩٧٥ للغاز/البخار وفقًا لمعيار أ بي آي ٥٢٠)؛
• ب ١ — ضغط التفريغ، مُقاسًا مطلقًا؛
• ك ب — عامل تصحيح الضغط العكسي؛
• ت — درجة حرارة التفريغ (بالكلفن)؛
• ز — عامل القابلية للانضغاط؛
• م — الوزن الجزيئي للوسيط.

ملاحظات الحساب: يجب تحديد كل مصدر غير اعتيادي على حدة. فعلى سبيل المثال، في غلاية استعادة الحرارة المهدرة، لا بد أن يشمل معدل التفريغ أقصى إنتاج للبخار بالإضافة إلى التبخر الإضافي الناتج عن حرارة الدخل الناجمة عن الحريق؛ وإلا فإن فتحة التفريغ ستكون أصغر من اللازم، ما يؤدي إلى فشل نظام الحماية.

جهة توجيه التفريغ: يشترط معيار أ بي آي ٥٢١ توجيه المواد القابلة للاشتعال والسمّية إلى مشعل أو نظام جمع مغلق. أما سيناريوهات التفريغ التي تنطوي على خطر انفجار سحابة بخارية، فيجب معالجتها باستخدام مشعل أو نظام منخفض الضغط أو نظام حماية متكامل عالي الضغط (هيبس) أو بإعادة التصميم.

٤. متطلبات التركيب والأنابيب

أنابيب المدخل: يشترط معيار API 520 الجزء الثاني تركيب صمام التفريغ في أقرب مكان ممكن من المعدات المحمية، كما يجب ألا تتجاوز فقدان الضغط في أنابيب المدخل ٣٪ من ضغط الإعداد (وتُعرف هذه القاعدة بـ«قاعدة ٣٪»). ويؤدي الفقدان الزائد إلى اهتزاز الصمام أو تأخّر فتحه.

أنابيب المخرج: لا يجوز دعم أنبوب المخرج على جسم الصمام؛ بل يتطلّب دعماً مستقلاً ويجب أن يسمح بالتمدّد الحراري. وينبغي ترتيب خط التفريغ بحيث يعتمد على الجاذبية لتصريف السوائل، وذلك لمنع تراكم المكثفات التي قد تؤثر في الضغط العكسي.

عدة صمامات على رأس تجميع مشترك: عند تفريغ عدة صمامات أمان في رأس تجميع مشترك، يجب تقييم الضغط العكسي المتراكم في الرأس على أداء رفع كل صمام.

٥. دراسة حالة ميدانية

صُمِّمَ خزّان إعادة تدوير حمض الكبريتيك بتركيز ٩٨,٥٪ في مصنع حمض الكبريتيك كـ«خزّان جوي»، دون تركيب صمام تفريغ. وخلال التشغيل الأولي، تسربت صمام التسخين بالبخار، فارتفعت درجة حرارة الحمض داخل الخزّان وتراكم البخار. وارتفع الضغط مؤقتًا إلى ٠,٠٤ ميجا باسكال، ما أدى إلى طرد حشية الغطاء المُستخدمة في فتحة الصيانة العلوية للخزّان وتسرب حمض الكبريتيك.

وبعد ذلك، ووفقًا لمتطلبات التهوية الواردة في المواصفة API 2000 الخاصة بالخزانات الجوية وخزانات التخزين ذات الضغط المنخفض، جرى تركيب مجموعة مدمجة من صمام التنفس وصمام التفريغ، مُهيأة عند ضغط إعداد قدره ٠,٠٣ ميجا باسكال، وبسعة تفريغ مُحسوبة لمواجهة أعلى معدل ممكن لإنتاج البخار.

النقطة الجوهرية: لا يعني التصميم الجوي أن احتمال حدوث ارتفاع غير مسموح في الضغط مستبعدٌ تمامًا. بل يجب تضمين التسخين والتفاعل الكيميائي والتشغيل غير السليم ضمن تحليل سيناريوهات ارتفاع الضغط.

الخاتمة

يمكن تلخيص المنطق الهندسي الخاص بصمامات التفريغ على النحو التالي: تركيب الصمامات وفقًا لمصدر الزيادة في الضغط (الحماية الجماعية)، وتحديد قطر الفتحة بما يتناسب مع تدفق السائل غير الطبيعي، واختيار نوع الصمام وفقًا لضغط العودة والوسيط المستخدم، والتحكم في فقدان الضغط عند مدخل الصمام بحيث لا يتجاوز نسبة ٣٪. وتوفر منهجية API 520‏/521‏/526 سلسلةً كاملةً تشمل تحديد السيناريوهات وحساب الأحجام والتحقق من التركيب. وسيتناول مقالٌ لاحق أقراص التمزُّق واستخدامها بالاشتراك مع صمامات التفريغ.

المراجع

API 520 الجزء الأول / الجزء الثاني — حساب أحجام أجهزة التفريغ من الضغط واختيارها وتركيبها، المعهد الأمريكي للبترول (API).

API 521 — أنظمة التفريغ من الضغط وإفراغ الضغط، المعهد الأمريكي للبترول (API).

API 526 — صمامات التفريغ من الضغط المصنوعة من الفولاذ والمزودة بشفتين، المعهد الأمريكي للبترول (API).

API 2000 — تهوية خزانات التخزين الجوي ومنخفضة الضغط، المعهد الأمريكي للبترول (API).

كود أجهزة الغلايات والمعدات الخاضعة للضغط الصادر عن جمعية المهندسين الميكانيكيين الأمريكية (ASME)، القسم الثامن، القسم الأول — الحد الأقصى للتراكم ١٠٪ في الحالات غير الناجمة عن الحرائق و٢١٪ في الحالات الناجمة عن الحرائق.

شانغهاي شياوزاو فالف — حلول صمامات التفريغ الضاغطي والصمامات الخاصة. وللحصول على دعم في اختيار المواصفات وفق معايير API أو للاستفسارات الفنية، يُرجى التواصل مع فريق الهندسة لدينا.