تحديد مقاس صمامات التنفيس في حالات الطوارئ: دليل تفصيلي (API 2000)

تحديد مقاس صمام التنفيس الطارئ: دليل تقني تفصيلي خطوة بخطوة لخزانات التخزين

صغير الحجم صمام تنفيس الطوارئ هي إحدى المعدات القليلة المستخدمة في العمليات التي قد تتعرض لفشل كارثي دون أي إنذار مسبق. وإذا كانت سعة التهوية الطارئة لخزان التخزين أقل من المدخلات الحرارية أو حرارة الحريق أثناء حالة الطوارئ، فسوف يتعرض الخزان لضغط زائد، وينثني غلافه، وتتراوح العواقب بين التسرب إلى انفجار BLEVE. يشرح هذا الدليل بالتفصيل تحديد مقاس صمام التنفيس في حالات الطوارئ إجراءات خاصة بخزانات التخزين ذات الضغط الجوي والضغط المنخفض، استنادًا إلى API 2000 (الطبعة السابعة), API 520/521, ، و ISO 23251.

ما هو صمام التنفيس في حالات الطوارئ ومتى يتم تفعيله؟

يتولى صمام تنفيس الضغط والفراغ (PVRV) عملية التنفيس الداخلي والخارجي العادية. أما صمام التنفيس في حالات الطوارئ (ERV) فهو جهاز تنفيس منفصل وأكبر حجمًا لا يعمل إلا خلال الأحداث غير العادية التي تتجاوز فيها الأحمال قدرة جهاز التنفيس العادي. والسيناريوهات الثلاثة الرئيسية التي تتطلب التنفيس في حالات الطوارئ هي:

• التعرض للحريق — يمتص السائل الموجود في الخزان الحرارة الناتجة عن حريق في البركة أو حريق ناتج عن التعرض للحرارة، فيتحول إلى بخار، ويجب تفريغ هذا البخار بسرعة تفوق قدرة صمام تنفيس الضغط (PVRV) على التحمل
• مخرج مسدود — حدوث تجويف في المضخة، أو صمام عزل مغلق، أو حالة تمدد حراري تدفع السائل إلى حجرة البخار بمعدل تدفق مرتفع
• تفاعل جامح أو انقطاع في الإمداد الكهربائي — ينطبق بشكل أساسي على الخزانات المُغلفة وخزانات تخزين المواد الكيميائية؛ وهو أقل شيوعًا في خزانات النفط الخام أو المنتجات النفطية

يحدد معيار API 2000 ثلاث مستويات للتحليل: المستوى 1 (تقدير متحفظ، دون احتساب المساحة المبللة)،, المستوى 2 (متوسطة، منطقة مبللة جزئيًا)، و المستوى 3 (نمذجة صارمة وشاملة للعواقب). بالنسبة لمعظم الخزانات الجوية ذات السقف الثابت، يُعتبر المستوى 1 أو المستوى 2 كافياً وقابلاً للتدقيق.

الخطوة 1 — تحديد سيناريو التصميم

الحالة التي تنطوي على حريق مقابل الحالة التي لا تنطوي على حريق

السيناريو السائد لتحديد الأحجام بالنسبة لجميع خزانات التخزين الجوية تقريبًا هو حالة حريق. يقدم الجدول B.1 من معيار API 2000 معادلة امتصاص الحرارة للخزانات التي تقل مساحة سطحها المبلل عن 260 م² وتلك التي تزيد عنها:

• المساحة المبللة ≤ 260 م²: Q = 43,200 × F × A^0.82 (النظام المتري، كيلوجول/ساعة)
• المساحة المبللة > 260 م²: Q = 70,900 × F × A^0.5 (النظام المتري، كيلوجول/ساعة)

أين F هو العامل البيئي (1,0 للخزانات المعدنية غير المكسوة، و0,3 للخزانات المزودة بعزل معتمد يستوفي معايير API، و0,15 لأنظمة رش الماء) و A هي مساحة السطح المبلل بالمتر المربع.

حساب مساحة السطح المبلل

مساحة السطح المبلل هي السطح من الخزان الذي يمكن أن يتلامس مع السائل أثناء نشوب حريق. بالنسبة للخزان الأسطواني الرأسي، تنص معايير API 2000 على أن تشمل هذه المساحة الـ 9.1 متر (30 قدمًا) السفلية من ارتفاع الجدار، بالإضافة إلى القاع. بالنسبة للخزانات ذات السقف العائم عندما يكون السقف في الوضع السفلي، تُدرج مساحة السقف. أما بالنسبة للخزانات الأفقية، فإن الجدار بالكامل حتى ارتفاع 9.1 م يُعتبر مبللاً.

الخطوة 2 — حساب معدل تفريغ البخار المطلوب

بمجرد الحصول على مدخلات الحرارة الناتجة عن الاحتراق Q (كيلوجول/ساعة)، قم بتحويلها إلى تدفق البخار المطلوب باستخدام الحرارة الكامنة للتبخير للمنتج المخزن:

W = Q / H_v

حيث W هو معدل التدفق الكتلي المطلوب (كجم/ساعة) و H_v هي الحرارة الكامنة للتبخر في ظروف الضغط المُخفف (كيلوجول/كيلوغرام). بالنسبة للمنتجات البترولية الشائعة:

إذا كانت الحرارة الكامنة غير معروفة، فاستخدم القيمة الأكثر تحفظًا (الأدنى) لمجموعة المنتجات. التقليل من قيمة H_v يزيد من تدفق البخار المحسوب W ويؤدي إلى اختيار صمام أكبر وأكثر أمانًا.

الخطوة 3 — تحويل التدفق الكتلي إلى تدفق حجمي في ظروف التخفيف

تُقاس سعة صمام التنفيس الطارئ عادةً بوحدة Nm³/h (متر مكعب عادي في الساعة) أو SCFH (قدم مكعب قياسي في الساعة). لتحويل التدفق الكتلي W إلى التدفق الحجمي في الظروف القياسية:

Q_std = العرض × الطول × الارتفاع_std / (P_std × م)

حيث R هو ثابت الغاز (8,314 جول/كمول·كلفن)، T_std يبلغ 273.15 كلفن (0 درجة مئوية قياسية)، P_std تبلغ 101,325 باسكال، و«M» هي الكتلة الجزيئية للبخار. وبالنسبة لمنتج بترولي، يمكن تقدير «M» استنادًا إلى منحنى التقطير وفقًا لمعيار ASTM D86 أو من خلال معادلة الارتباط الخاصة بالثقل النوعي API.

مثال على الحساب: خزان نفط خام سعة 2,000 متر مكعب

قطر خزان القذيفة: 16 م، ارتفاع السائل: 10 م (عند الامتلاء)، العزل: لا يوجد (F = 1.0)

1. المساحة المبللة: π × 16 م × 9.1 م + π/4 × 16² = 457 + 201 = 658 م² (أكثر من 260 م²)
2. الطاقة الحرارية المدخلة: Q = 70,900 × 1.0 × 658^0.5 = 70,900 × 25.65 = 1,818,000 كيلوجول/ساعة
3. الحرارة الكامنة (الخام الخفيف، 250 كيلوجول/كجم): W = 1,818,000 / 250 = 7,272 كجم/ساعة
4. الوزن الجزيئي (الخام الخفيف، M ≈ 85): Q_std = 7,272 × 8,314 × 273 / (101,325 × 85) ≈ 2,150 نيوتن متر مكعب/ساعة

يجب أن يسمح جهاز التهوية في حالات الطوارئ بمرور ما لا يقل عن 2,150 نيوتن متر مكعب في الساعة عند ضغط التصميم للخزان (الذي يتراوح عادةً بين 17 و35 مليبار بالنسبة للخزانات ذات الضغط الجوي).

الخطوة 4 — تطبيق الائتمان البيئي وائتمان الصرف

تسمح معايير API 2000 بتخفيض سعة التصريف المطلوبة عندما يكون للموقع نظام تسوية وتصريف يمنع تراكم السوائل المتجمعة في نطاق 30 مترًا من الخزان. وهذا هو رصيد الصرف: إذا كان الصرف كافياً، فإن معادلة حساب المدخلات الحرارية تستخدم معاملًا قدره 0.5 فهرنهايت بدلاً من القيمة الافتراضية 1.0. ولا تستوفي العديد من مجمعات الخزانات القديمة هذه الشروط لأن قنوات الصرف مشتركة أو مسدودة.

الخطوة 5 — اختيار صمام الإغاثة في حالات الطوارئ

صمام التهوية في حالات الطوارئ مقابل فتحة التهوية في غطاء مقياس الضغط مقابل السقف ذي اللحامات الضعيفة

بيانات السعة المعتمدة

يجب أن تكون جميع صمامات التفريغ الطارئة مصحوبة بمنحنى سعة تدفق معتمد من الشركة المصنعة، تم اختباره وفقًا للملحق (د) من معيار API 2000 أو معيار ISO 28300. تُدرج الشهادة السعة بوحدة Nm³/h عند نطاق من الضغوط المحددة. اختر صمامًا أو مجموعة صمامات تتجاوز سعتها المعتمدة الإجمالية القيمة W المحسوبة عند ضغط التصميم المحدد. ضمّن هامشًا يتراوح بين 10 و25% فوق المتطلبات المحسوبة لمراعاة أي إضافات مستقبلية للسعة أو تغييرات في المنتج.

الخطوة 6 — التحقق من أنابيب الإدخال والإخراج

تُركَّب صمامات التنفيس الطارئة على خزانات التخزين في الغالب في الجزء العلوي (على فوهة في سقف الخزان)، لكن حجم فوهة المدخل وأنابيب المخرج يعتبران عاملين حاسمين:

• فوهة المدخل: تم تحديد أبعادها بحيث يكون انخفاض الضغط عبر المدخل أقل من 3% من الضغط المحدد عند التدفق الكامل. وبالنسبة للصمام المضبوط على 17 مليبار، يجب أن يكون انخفاض الضغط عند المدخل أقل من 0.5 مليبار عند التدفق المقنن.
• أنابيب التصريف: بالنسبة للصمامات المزودة بمجمعات بخار، يجب أن يظل الضغط الخلفي أقل من 10% من الضغط المحدد للصمامات التقليدية، أو أقل من 50% بالنسبة لتصميمات الخوار المتوازنة.
• لا توجد مصائد سوائل: يجب أن تعود أنابيب التصريف إلى الخزان. فأي مصيدة سوائل ستقلل من المساحة الفعالة للتهوية وقد تؤدي إلى إغلاق الصمام بإحكام في حالات الطوارئ.

الخطوة 7 — متطلبات التوثيق والفحص

يجب أن يحمل كل صمام تنفيس طوارئ، بغض النظر عن حجمه وطريقة تركيبه، ورقة بيانات الصمام تُظهر: رقم العلامة، معرّف الخزان، الضغط المحدد، السعة المعتمدة عند الضغط المحدد، سيناريو التصميم، الحرارة الكامنة للمنتج المستخدمة، والعامل البيئي المطبق. تنص متطلبات الفحص بموجب معيار API 653 على إجراء اختبار وظيفي كل 5 سنوات لخزانات التخزين ذات الضغط الجوي، أو على فترات أكثر تواتراً إذا كان المنتج مسبباً للتآكل. تتطلب الصمامات المحملة بالوزن فحص سطح المقعد؛ بينما تتطلب الصمامات المزودة بنابض التحقق من شد النابض.

الأخطاء الشائعة في تحديد أبعاد صمامات الإغاثة في حالات الطوارئ

• استخدام معاملات التدفق PVRV لتحديد أبعاد وحدة التهوية المتجددة (ERV) — تتميز صمامات ERV بقيم Cd مختلفة؛ لذا يجب دائمًا استخدام منحنى السعة المعتمد الخاص بصمام ERV نفسه
• تجاهل درجة السخونة الزائدة للبخار — عند ارتفاع مدخلات الحرارة في عملية الحرق، قد تكون درجة حرارة البخار المتصاعد أعلى بكثير من درجة الغليان، مما يؤدي إلى انخفاض الكثافة وزيادة التدفق الحجمي
• تطبيق الائتمان العازل دون التحقق من الامتثال لمعايير API — يجب أن يستوفي العزل معايير الملحق (ج) من معيار API 2000 (مقاومة الكوك، ومقاومة التسرب، ومقاومة الحريق لمدة ساعتين)؛ ولا تُعتبر بطانيات الصوف المعدني القياسية مؤهلة تلقائيًا
• تصميم ذو صمام واحد للخزانات التي تحتوي على منتجات متعددة — إذا كان الخزان يتناوب بين منتجات ذات حرارة كامنة مختلفة، فيجب تحديد الحجم وفقًا للمنتج الأخف وزنًا (الأقل في H_v)
• تجاهل تقاسم سعة الصمامات العاملة بالتوازي — لا تكون السعة الإجمالية لعدد من صمامات ERV المُركَّبة بالتوازي قابلة للتجميع إلا إذا كان لجميع الصمامات نفس ضغط الضبط؛ أما الإعدادات المتدرجة فتقلل من السعة الإجمالية الفعالة

التكامل مع صمامات الإغاثة في حالات الطوارئ من Wanan

شركة «وانان تكنولوجي» صمامات التنفيس في حالات الطوارئ يتم تصنيعها وفقًا لمعايير API 2000 / ISO 28300، وهي متوفرة مع شهادة سعة صادرة عن جهة خارجية مثل SGS أو TÜV. بالنسبة لمشاريع مجمعات الخزانات التي تتطلب دعمًا في تحديد الأحجام وصحائف بيانات الصمامات المعتمدة، يرجى الاتصال بفريقنا الهندسي وتزويده ببطاقة بيانات السلامة (MSDS) للمنتج المخزن، وقطر الخزان، وأقصى مستوى تشغيل للسائل، وتصنيف الصرف في الموقع. نقدم حسابات تحديد الأحجام، واختيار الصمامات، وجميع الوثائق المطلوبة لإجراء تحليل HAZOP وتقديم الطلبات التنظيمية.

للاطلاع على منهجية تحديد المقاس ذات الصلة، يرجى الرجوع إلى كيف يعمل جهاز PVRV؟ دليل يتناول التهوية العادية وفقًا لمعيار API 2000، و تحديد أبعاد فتحات تهوية الخزانات وفقًا لمعيار API 2000 دليل تفصيلي لحسابات الحرارة الناتجة عن الشهيق والزفير.

الأسئلة الشائعة: تحديد مقاس صمامات الإغاثة في حالات الطوارئ

س: هل يمكنني استخدام صمام أمان الضغط (PSV) المصمم وفقًا لمعايير القسم الثامن من ASME بدلاً من صمام التفريغ الطارئ API 2000؟
ج: ليس بشكل مباشر. فقد صُممت صمامات الأمان (PSV) المطابقة لمعايير ASME لأوعية الضغط، وليس لخزانات التخزين ذات الضغط الجوي. وتبدأ ضغوطها المحددة من حوالي 100 مليبار، وهو ما يزيد بكثير عن ضغط التشغيل لخزان ذي ضغط جوي. واستخدام صمام أمان ASME على خزان ذي سقف مخروطي يعني أن الخزان سيتعرض لزيادة في الضغط إلى درجة تقترب من الانهيار الهيكلي قبل أن يفتح الصمام. صُممت صمامات API 2000 / ISO 28300 لضغوط محددة منخفضة تصل إلى 2–5 مليبار، وهي مناسبة للتخزين في الظروف الجوية العادية.

س: كيف يمكنني التأكد من أن صمام الإغاثة في حالات الطوارئ الخاص بأحد الموردين يفي بالسعة المطلوبة؟
ج: اطلب تقرير اختبار شهادة السعة — وليس مجرد المنحنى الوارد في الكتالوج. تُقاس السعة المعتمدة لوحدة التهوية الاسترجاعية (ERV) على جهاز اختبار التدفق عند الضغط المحدد للصمام، باستخدام الحجم الفعلي للصمام ومكوناته الداخلية. وتُعد شهادة الاعتماد الصادرة عن جهة خارجية مثل SGS أو TÜV أو DEKRA هي الأعلى من حيث مستوى الثقة. يصف الملحق D من معيار API 2000 إجراءات الاختبار؛ ويمكن استخدام الصمامات المعتمدة وفقًا لهذا الملحق مباشرةً في حسابات تحديد الأحجام وفقًا لمعيار API 2000.

س: ما الفرق بين سعة الإغاثة في حالات الطوارئ وسعة التنفيس العادية؟
ج: يشمل التهوية العادية التبخر الحراري وحركة السائل — وعادةً ما تتراوح بين عشرات ومئات النيوتن متر المكعب في الساعة لمعظم الخزانات. أما التهوية الطارئة في حالات الحريق لنفس الخزان، فيمكن أن تكون أكبر بمقدار 10–100 ضعف. قد يحتاج خزان نفط خام سعة 5,000 م³ إلى سعة تهوية عادية تبلغ 500 نيوتن متر مكعب/ساعة، ولكنه قد يحتاج إلى سعة تهوية طارئة تتراوح بين 8,000 و15,000 نيوتن متر مكعب/ساعة في حالة التعرض لحريق.

س: هل تحتاج خزانات السقف العائم إلى صمام تنفيس للطوارئ؟
ج: بشكل عام، لا — فالسقف العائم نفسه يرتفع ويكشف عن حافة الإحكام لتعمل كفتحة تهوية طارئة عندما يصل السقف إلى أقصى مدى لحركته. ومع ذلك، إذا كان السقف في الوضع السفلي (عندما تكون الخزان فارغًا أو أثناء الصيانة)، فإن وجود فتحة تهوية طارئة يكون ضروريًا. وتقوم العديد من المواقع بتركيب فتحة تهوية طارئة دائمة على فتحة التهوية المركزية لتغطية جميع السيناريوهات.

س: كم مرة ينبغي إجراء اختبار تشغيل صمامات التنفيس الطارئة؟
ج: توصي المواصفة API 653 بإجراء اختبار وظيفي كل 5 سنوات للصمامات ERV المثبتة في الخزانات التي تعمل في الظروف الجوية العادية. يجب فحص عملية صقل المقاعد في الصمامات التي تعمل بالوزن؛ أما بالنسبة للصمامات التي تعمل بالزنبرك، فيجب التحقق من ضغط الضبط على منصة الاختبار. في حالة استخدام الصمامات مع النفط الخام المسبب للتآكل أو عالي الكبريت، يجب تقصير فترة الفحص إلى كل سنتين أو ثلاث سنوات، حيث إن مركبات الكبريت تهاجم أسطح إحكام المقاعد وقد تتسبب في انحشار الصمامات في وضع الفتح أو الإغلاق.

س: هل يمكنني تركيب صمام تنفيس للطوارئ على خزان ذي سقف مخروطي الشكل بدون مانع اللهب؟
ج: بالنسبة لمعظم المنتجات، لا يُشترط ذلك، ولكن بالنسبة للمنتجات التي تقل درجة اشتعالها عن 60 درجة مئوية (السوائل القابلة للاشتعال من الفئتين الأولى والثانية)، يُوصى بشدة بتركيب مانع انتشار اللهب مدمج في خط الأنابيب بين فتحة التهوية والمخرج. لا تفرض معايير API 2000 ذلك، ولكن معايير NFPA 30 والقوانين التنظيمية المحلية في الاتحاد الأوروبي والمملكة المتحدة والشرق الأوسط تشترط ذلك عادةً. يرجى مراجعة اللوائح المحلية قبل اتخاذ القرار.