در هر سامانه‌ای که تحت فشار فعالیت می‌کند، وجود یک تجهیز ایمنی برای محافظت از تجهیزات و افراد در برابر افزایش بیش از حد فشار ضروری است. در صنعت، این نقش را شیر اطمینان (Safety Valve) یا شیر تخلیه فشار (Safety Relief Valve) ایفا می‌کند. این شیرها برای آزادسازی تدریجی فشار اضافی طراحی شده‌اند تا از بروز آسیب‌های احتمالی جلوگیری شود.

استفاده از تجهیزات ایمنی قدمتی طولانی دارد و به دوران اولیه به‌کارگیری بخار برای تولید انرژی بازمی‌گردد؛ زمانی که انسان دریافت کنترل فشار در دیگ‌های بخار امری حیاتی است.

شیر اطمینان (Safety Valve) یکی از مهم‌ترین تجهیزات ایمنی در صنایع مختلف به شمار می‌رود. این وسیله زمانی که فشار داخل سیستم از حد مجاز فراتر رود، به‌صورت خودکار باز می‌شود و بخشی از گاز یا مایع را به بیرون هدایت می‌کند. این فرآیند از بروز خطراتی نظیر انفجار، نشت یا تخریب تجهیزات جلوگیری کرده و موجب حفظ پایداری و ایمنی سیستم می‌گردد..

عملکرد شیر اطمینان

مکانیزم عملکرد شیرهای اطمینان (Safety Valves) به این صورت است که هنگامی‌ که فشار سیال به مقدار از پیش تعیین‌شده‌ای برسد، شیر به‌طور خودکار عمل کرده و فرآیند رهاسازی فشار اضافی را آغاز می‌کند. نکته قابل‌توجه آن است که عملکرد این نوع شیرها کاملاً مکانیکی بوده و هیچ‌گونه وابستگی به سیگنال‌های الکتریکی ندارند. به دلیل اهمیت بالای ایمنی، شیر اطمینان معمولاً به‌عنوان آخرین خط دفاعی در برابر افزایش فشار در سیستم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ ازاین‌رو اطمینان از عملکرد صحیح آن در هر شرایطی حیاتی است.شیرهای اطمینان باید در نقاطی از سیستم نصب شوند که احتمال عبور از حداکثر فشار مجاز وجود دارد. در سامانه‌های بخار، این شیرها عموماً برای جلوگیری از افزایش فشار در بویلرها مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین در فرآیندهای صنعتی، وظیفه دارند از آسیب رسیدن به تجهیزات در هنگام بروز فشار اضافی جلوگیری کنند.

ویژگی‌های اصلی عملکرد شیر اطمینان عبارت‌اند از:

عملکرد خودکار: در زمانی که فشار سیستم به حد خطرناک برسد، شیر به‌صورت خودکار باز شده و فشار اضافی را تخلیه می‌کند.

تنظیم دقیق فشار: هر شیر اطمینان برای باز شدن در فشار مشخصی تنظیم می‌شود که این مقدار باید دقیقاً مطابق با نیاز سیستم تعیین گردد.

بازگشت به حالت اولیه: پس از کاهش فشار و بازگشت سیستم به حالت ایمن، شیر به‌طور خودکار بسته شده و سیستم به وضعیت عادی خود بازمی‌گردد.

اجزای داخلی شیر اطمینان صنعتی

شیر اطمینان یک تجهیز مکانیکی حیاتی در سیستم‌های تحت فشار است که از چند جزء اصلی تشکیل شده و هر یک وظیفه مشخصی در عملکرد ایمن آن دارند. در ادامه اجزای اصلی و نقش هرکدام توضیح داده شده است

1_ نازل ورودی (Inlet Nozzle)

نازل ورودی محل ورود سیال یا گاز به داخل شیر اطمینان است و به سیستم یا تجهیزی متصل می‌شود که فشار اضافی باید از آن تخلیه گردد.
طراحی نازل‌ها به دو صورت انجام می‌گیرد:

نازل کامل (Full Nozzle): در این طراحی، کل مسیر ورودی سیال به‌صورت یک‌تکه ساخته می‌شود. در حالت عادی، فقط دیسک و کانال ورودی با سیال در تماس هستند. این نوع طراحی برای سیالات خورنده یا ساینده مناسب‌تر است و در مواردی که نیاز به تعویض نازل وجود دارد، انتخاب بهتری محسوب می‌شود.

نازل نیمه‌کامل (Semi Nozzle): در این نوع، بخشی از مسیر ورودی با بدنه یکپارچه است و ساختار ساده‌تر و اقتصادی‌تری دارد.

2_بدنه (Body)

بدنه، بخش اصلی شیر اطمینان است که تمام اجزای داخلی را در خود جای می‌دهد و پشتیبانی مکانیکی لازم را فراهم می‌کند. این قسمت معمولاً از فولاد ضد زنگ، فولاد کربنی یا برنج ساخته می‌شود تا توان تحمل فشارهای بالا و شرایط محیطی سخت را داشته باشد.

3_نشیمنگاه (Seat)

نشیمنگاه سطح آب‌بندی درون بدنه است که هنگام بسته بودن شیر، دیسک روی آن قرار می‌گیرد. این بخش نقش مهمی در جلوگیری از نشتی سیال دارد و باید دارای دقت بالا و مقاومت در برابر خوردگی باشد.

4_دیسک (Disc)

دیسک قطعه‌ای متحرک است که روی نشیمنگاه قرار دارد و در زمان افزایش فشار از حد مجاز، از روی آن بلند می‌شود تا مسیر خروج سیال باز شود. این قطعه معمولاً همراه با فنر عمل می‌کند و در برابر نیروی فشار وارده از طرف سیال واکنش نشان می‌دهد. جنس دیسک بسته به نوع سیال می‌تواند از فولاد ضد زنگ یا آلیاژهای مقاوم باشد..

5_فنر (Spring)

فنر وظیفه دارد دیسک را در حالت بسته نگه دارد تا زمانی که فشار سیستم کمتر از مقدار تنظیم‌شده است. فنر بر اساس فشار تنظیمی کالیبره می‌شود تا تنها در زمان عبور فشار از مقدار مجاز، اجازه باز شدن شیر را بدهد. زمانی که فشار کاهش یافت، نیروی فنر باعث بازگشت دیسک به جای خود و بسته شدن شیر می‌گردد.

6_نازل خروجی یا تخلیه (Outlet Nozzle)

این بخش مسیر خروج سیال یا گاز را هنگام باز شدن شیر فراهم می‌کند. نازل خروجی به سیستم تخلیه یا مسیر ایمن متصل می‌شود تا فشار اضافی بدون ایجاد خطر به محیط مناسبی هدایت شود.

7_کلاهک (Bonnet)

کلاهک یا درپوش، بخش بالایی شیر اطمینان را می‌پوشاند و از اجزای داخلی محافظت می‌کند.
دو نوع طراحی برای کلاهک وجود دارد:

کلاهک باز: برای سیالات غیرسمی یا در محیط‌های معمولی.

کلاهک بسته: برای سیالات خطرناک، سمی یا خورنده که از نشت احتمالی جلوگیری می‌کند.

در قسمت فوقانی، معمولاً از Cap برای بستن کلاهک استفاده می‌شود:

نوع پیچ‌دار (Screw Cap): برای دما و فشارهای پایین.

نوع پیچ و مهره‌ای (Bolted Cap): برای شرایط کاری با دما و فشار بالا.

ترکیب اجزای مختلف شیر اطمینان فشار باعث می‌شود این تجهیز بتواند به‌طور مؤثر فشار اضافی را کاهش داده و از تجهیزات و سیستم در برابر آسیب‌های احتمالی محافظت کند. طراحی و آرایش اجزا در هر شیر اطمینان ممکن است بر اساس نوع کاربرد، نوع سیال، فشار کاری و استانداردهای صنعتی متفاوت باشد.

در حالت عملکرد، سیال از طریق خطوط لوله و به‌صورت عمودی از پایین، وارد نازل ورودی شیر اطمینان می‌شود. این شیرها به‌طور معمول در وضعیت بسته قرار دارند و دیسک روی نشیمنگاه (سیت) قرار گرفته و مانع عبور سیال می‌شود.

نیروی لازم برای بسته ماندن دیسک توسط فنر تأمین می‌شود. این فنر بین بخش متحرک و قسمت ثابت بالایی شیر نصب شده و به‌صورت دقیق برای فشار مشخصی کالیبره می‌شود. برای تنظیم میزان فشردگی فنر (و در نتیجه فشار باز شدن شیر)، از پیچ فشار (Screw) استفاده می‌شود که موقعیت دیسک را تنظیم می‌کند.

اجزای داخلی شیر به‌وسیله‌ی اسپیندال (Spindle) به هم متصل‌اند؛ اسپیندال وظیفه دارد دیسک را هدایت کرده و نیروی فنر را منتقل کند.

قطر داخلی نشیمنگاه (Seat Diameter) نیز بر اساس ظرفیت جریان طراحی می‌شود و در محاسبات مربوط به حداکثر جریان جرمی تخلیه‌شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مقدار با در نظر گرفتن ضریب جریان (Flow Coefficient) تعیین می‌شود تا اطمینان حاصل شود شیر توانایی تخلیه فشار اضافی در شرایط بحرانی را دارد.

انواع شیر اطمینان (Safety Valve) براساس عملکرد :

1_ شیر اطمینان فنری (Spring-Loaded Safety Valve)

شیر اطمینان فنری (Spring-Loaded Safety Valve) که با نام شیر اطمینان با عملکرد مستقیم (Pop Action) نیز شناخته می‌شود، رایج‌ترین نوع شیر اطمینان در صنایع مختلف است. منظور از عملکرد مستقیم این است که باز و بسته شدن شیر به‌صورت مکانیکی و تنها تحت تأثیر نیروی فنر انجام می‌شود.

در این نوع شیر، نیروی مورد نیاز برای باز و بسته شدن دیسک توسط فنر مارپیچی تأمین می‌گردد. این فنر از طریق پیچ تنظیم (Adjusting Screw) به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود که تا زمانی که فشار سیستم در محدوده مجاز قرار دارد، شیر بسته بماند. به محض اینکه فشار سیال از مقدار تنظیم‌شده فراتر رود، نیروی حاصل از فشار بر نیروی فنر غلبه کرده، فنر فشرده می‌شود و شیر باز می‌گردد تا فشار اضافی را تخلیه کند. پس از کاهش فشار تا حد ایمن، فنر دوباره دیسک را روی نشیمنگاه برمی‌گرداند و شیر به‌طور خودکار بسته می‌شود.

سادگی طراحی، قابلیت تنظیم آسان و واکنش سریع، از عواملی هستند که باعث شده‌اند این نوع شیر اطمینان کاربرد وسیعی در صنایع مختلف پیدا کند.

عملکرد شیر اطمینان فنری

عملکرد شیر اطمینان فنری (Spring-Loaded Safety Valve) را می‌توان با یک سیستم مکانیکی جرم و فنر مقایسه کرد که از قانون هوک (Hooke’s Law) تبعیت می‌کند. بر اساس این قانون، اگر فنر فشرده شود، هنگام آزاد شدن، نیرویی متناسب با مقدار فشرده‌شدگی خود به سیستم وارد می‌کند. مقدار این نیرو علاوه بر میزان فشرده‌شدن فنر، به ثابت سختی فنر (K) نیز بستگی دارد و با رابطه زیر بیان می‌شود:

F=-KX

مکانیزم عملکرد شیر اطمینان فنری :

در این نوع شیر، نیروی فنر از طریق اسپیندال (Spindle) به دیسک (Disc) منتقل می‌شود. تا زمانی که فشار سیال کمتر از نیروی فنر باشد، دیسک حرکتی ندارد و دهانه نازل بسته باقی می‌ماند. اما زمانی‌ که فشار سیستم از مقدار تنظیم‌شده (Set Pressure) بیشتر شود، نیروی ناشی از سیال بر نیروی فنر غلبه کرده، دیسک را از روی نشیمنگاه بلند می‌کند و سیال اضافی از نازل تخلیه می‌شود. این فرآیند باعث ایجاد تعادل فشار در سیستم و جلوگیری از انفجار یا آسیب به تجهیزات در اثر افزایش فشار (Overpressure) می‌گردد.

2_حالت باز (ACTIVE)

هنگامی که فشار سیستم از فشار تنظیمی بیشتر شود، نیروی حاصل از فشار سیال از نیروی فنر پیشی می‌گیرد. در این لحظه، دیسک از روی نشیمنگاه بلند شده و سیال اضافی از طریق نازل تخلیه می‌شود.

در این مرحله دو مفهوم مهم وجود دارد:

فشار تنظیم (Set Pressure): فشاری است که در آن نیروی فنر با نیروی ناشی از فشار سیال برابر می‌شود. در این حالت، شیر شروع به باز شدن می‌کند ولی هنوز به‌طور کامل باز نیست.

فشار اضافی (Overpressure): زمانی رخ می‌دهد که فشار سیال از مقدار تنظیم‌شده بیشتر شود و شیر به‌طور کامل باز گردد. مقدار Overpressure معمولاً به‌صورت درصدی از Set Pressure بیان می‌شود. طبق استانداردها، این مقدار در حالت معمول حدود ۱۰٪ فشار تنظیم است، اما بسته به نوع کاربرد و کدهای طراحی می‌تواند بین ۳ تا ۲۱ درصد تغییر کند.

با تخلیه سیال، فشار سیستم کاهش یافته و به‌تدریج به حالت تعادل بازمی‌گردد.

3_. حالت بسته شدن مجدد (Reclosing)

پس از کاهش فشار سیستم، فنر که در زمان باز شدن فشرده شده بود، دوباره منبسط می‌شود و دیسک را به‌سمت نشیمنگاه بازمی‌گرداند.

فشاری که در آن شیر دوباره بسته می‌شود، فشار Blowdown نام دارد. این فشار بیانگر اختلاف بین فشار تنظیم و فشار بازگشت به حالت بسته است.

Blowdown معمولاً به‌صورت درصدی از Set Pressure بیان می‌شود و از آن‌جا که نوعی افت فشار محسوب می‌شود، مقدار آن منفی در نظر گرفته می‌شود.

بر اساس استانداردها، دامنه معمول فشار Blowdown بین ۷- تا ۱۰-% است و بسته به نوع سیال (مایع، گاز یا بخار) ممکن است بین ۴- تا ۲۰-% متغیر باشد.

به‌طور خلاصه، عملکرد شیر اطمینان فنری بر پایه‌ی تعادل بین نیروی فنر و فشار سیال است.

در فشارهای پایین‌تر از Set Pressure → شیر بسته است.

در فشارهای بالاتر از Set Pressure → شیر باز می‌شود و فشار اضافی را تخلیه می‌کند.

پس از کاهش فشار تا Blowdown → شیر مجدداً بسته می‌شود.

2_شیر اطمینان دیافراگمی (Diaphragm Safety Valve)

شیر اطمینان دیافراگمی (Diaphragm Safety Valve) نوعی از شیرهای اطمینان است که به جای فنر از دیافراگم یا غشاء انعطاف‌پذیر برای کنترل و تنظیم فشار استفاده می‌کند. در این نوع طراحی، دیافراگم نقش عنصر حساس به فشار را دارد و با تغییر فشار سیال، به‌صورت مستقیم باز یا بسته شدن شیر را کنترل می‌کند.

این نوع شیر به‌ویژه در سیستم‌هایی با فشار پایین یا در فرآیندهایی که نیاز به کنترل دقیق‌تر و عملکرد نرم‌تر دارند، کاربرد فراوانی دارد. طراحی ویژگی‌های شیر اطمینان دیافراگمی

1_نظیم بسیار دقیق فشار باز شدن نسبت به مدل‌های فنری در شرایط خاص

2_مناسب برای فشارهای پایین و سیستم‌های حساس

3_عملکرد نرم، بدون لرزش و نویز مکانیکی کم

4_نگهداری آسان به‌دلیل کاهش اجزای متحرک

کاربردهای شیر اطمینان دیافراگمی

1_سیستم‌های فشار پایین و خطوط انتقال با نوسان اندک فشار

2_شبکه‌های انتقال گاز طبیعی

3_سیالات حساس به فشار مانند گازهای خالص یا مایعات دقیق در صنایع دارویی و آزمایشگاهی

4_تجهیزات ابزار دقیق (Instrumentation Systems)

بدون فنر باعث می‌شود واکنش شیر در برابر تغییرات فشار حساس‌تر، سریع‌تر و بدون لرزش باشد.

3_ شیر اطمینان پله‌ای (Lift-Type Safety Valve)

ین نوع شیر برای سیستم‌هایی با فشار بسیار بالا طراحی شده و عملکرد آن بر اساس باز شدن مرحله‌ای (پله‌ای) انجام می‌شود. هنگامی که فشار در سیستم از حد مجاز عبور کند، بخش متحرک شیر به‌تدریج بالا می‌رود و با باز شدن در چند مرحله، فشار اضافی را به‌صورت کنترل‌شده تخلیه می‌کند. این ویژگی مانع از شوک ناگهانی به سیستم شده و از نوسان فشار و آسیب به تجهیزات جلوگیری می‌کند.

ویژگی‌های شیر اطمینان پله‌ای

عملکرد ایمن و مناسب برای فشارهای بسیار بالا

باز شدن تدریجی و چندمرحله‌ای برای جلوگیری از افت ناگهانی فشار

قابلیت اطمینان بالا در شرایط کاری سنگین

طراحی مستحکم و مقاوم در برابر تنش‌های مکانیکی

کاربردهای شیر اطمینان پله‌ای

صنایع سنگین مانند پتروشیمی، پالایشگاه و نیروگاه‌ها

بویلرها و مخازن تحت فشار بالا

سیستم‌هایی با نیاز به کنترل دقیق فشار در سطوح بالا

4_شیر اطمینان نوع شیاردار (Screw-Operated Safety Valve)

در این نوع شیر، مکانیزم عملکرد بر پایه‌ی پیچ تنظیم (Screw Mechanism) است. پیچ، نیروی فشاری لازم را برای بسته نگه داشتن شیر در حالت عادی تأمین می‌کند و با افزایش فشار بیش از حد، باعث آزاد شدن مسیر تخلیه می‌شود. این مدل نسبت به سایر انواع شیر اطمینان، برای فشارهای کمتر و کاربردهای سبک‌تر مناسب‌تر است.

ویژگی‌های شیر اطمینان نوع شیاردار

امکان تنظیم دقیق فشار باز شدن

طراحی ساده و مقرون‌به‌صرفه

مناسب برای سیستم‌هایی با فشار پایین یا متوسط

نگهداری آسان و عمر کاری بالا

کاربردهای شیر اطمینان نوع شیاردار

سیستم‌های کوچک‌تر صنعتی

تجهیزات آزمایشگاهی و دستگاه‌های دقیق و کاربرد در فرآیندهایی با نیاز به کنترل فشار محدود

5_شیر اطمینان اهرمی (Lever-loaded)

عملکرد این نوع شیر دارای کارکرد دستی است. از کارکرد دستی برای ایمنی و تعمیر و نگهداری استفاده می‌شود. در این حالت، ظرفیت جریان واقعی 10 درصد کاهش پیدا می‌کند.

6_شیر اطمینان با بخار زیاد و آب کم

در حالت کلی، یک دیگ بخار مجهز به شیر اطمینان با بخار زیاد و آب کم است. شیر اطمینان کم آب خود از دو شیر تشکیل شده است. زمانی که سطح آب در دیگ کمتر از سطح مشخص‌شده می‌شود، عملیات شیر آغاز خواهد شد. هنگامی که باز دوباره سطح کاهش پیدا می‌کند، فعالیت شیر اطمینان با بخار زیاد و آب کم آغاز می‌شود که البته صدای کارکرد آن زیاد است. این شیر در بالا یا کنار دیگ بخار و به جعبه آتش‌نشانی یا کوره متصل است.

7_شیر اطمینان Balanced bellow

شیر اطمینان در برابر فشار برگشتی حساس نیستند. قسمت bellow (برچسب B) بالای دیسک تضمین می‌کند که فشار برگشتی به‌طور یکنواخت در بالا و پایین دیسک توزیع می‌شود. همچنین با فنر هیچ برخوردی ندارد که خود این یک مزیت عالی به‌حساب می‌آید. فقط اینکه شیر Balanced bellow می‌تواند حداکثر تا فشار 15 بار فعالیت کند.

اصطلاحات مرتبط با شیر اطمینان Safety Valves