مهندسی پیشرفته Instrument Manifold — Leakage، Pressure Integrity، Failure Mode و Design Verification

مدل هیدرولیکی عمومی و مبنای طراحی

راهنماهای سطح ۱ و ۲ نشان دادند Manifold چه می‌کند و چگونه انتخاب می‌شود. این سند می‌پرسد: چقدر نشتی، چه نوع مقاومتی در خطوط و چه حدی از خطا و تنش برای یک طراحی قابل‌قبول است؟ پاسخ در مدل‌های سادهٔ قابل‌حل با دست است، با فرض‌های صریح. هر عدد هندسی یا نشتی این سند فرض آموزشی است و جای داده‌های برگهٔ فنی را نمی‌گیرد.

زنجیرهٔ اندازه‌گیری از فرآیند تا سلول را می‌توان با یک مدل مقاومت-خازن (شکل ۱) توصیف کرد. هر Impulse Line و هر Block Valve یک مقاومت هیدرولیکی است؛ حجم جابه‌جاشدهٔ سلول و سیال تراکم‌پذیر محبوس، ظرفیت (Compliance) می‌سازند؛ و مسیر نشتی بستهٔ Equalize مقاومتی بسیار بزرگ میان دو حفره است. این مدل بر دو فرض ساده تکیه دارد: جریان آرام در خطوط (رابطهٔ Hagen–Poiseuille) و رفتار خطی در بازهٔ کوچک اختلاف فشار.

R	مقاومت هیدرولیکی جریان آرام در خط	Pa·s/m³
mu	گرانروی دینامیکی سیال	Pa·s
L, d	طول و قطر داخلی خط	m

مسیر جریان داخلی و نمودار وضعیت

برای تحلیل رفتار یک Manifold، هر حفره یک گره و هر شیر یک یال است. گره‌های A و D ورودی HP و LP، گره‌های B و C حفره‌های H و L سلول و گره‌های VH و VL درگاه‌های Vent‌اند. فشار هر گره، فشار مؤلفهٔ همبندی‌اش است. شکل ۲ چهار وضعیت را نشان می‌دهد و تنها وضعیت خطرناک — اتصال هم‌زمان A–B، B–C و D–C — اتصال کوتاه HP و LP است. همین نمودار می‌تواند برای هر طراحی خاص بازتولید شود و مبنای آزمون «شیر نادرست» را در FMEA می‌سازد.

جدول ۱ — رابطهٔ وضعیت شیرها و فشار حفره‌های سلول

فشار ایستا در برابر اختلاف فشار

خصوصیت بنیادین اندازه‌گیری با DP این است که کمیت مفید بسیار کوچک‌تر از فشار ایستای حامل آن است. در مثال 100 bar فشار ایستا در برابر 100 mbar اختلاف فشار، نسبت برابر هزار به یک است. دو پیامد مهندسی مستقیم دارد: نخست، هر مسیر نشتی که با فشار ایستا (و نه با DP) رانده شود می‌تواند جریانی هزار برابر یک مسیر رانده‌شده با DP بسازد؛ دوم، هر اثر ثانویهٔ فشار ایستا روی سلول (Zero Shift) باید در Span کوچک به‌صورت درصد بزرگ‌تری از Span دیده شود. این دو پیامد، مبنای بخش‌های بعدی‌اند.

مدل خطای نشتی Equalize

فرض کنید سلول به‌اندازهٔ کافی صلب است و نشتی از Equalize بستهٔ دو حفره H و L جریان می‌دهد. جریان ناشی از DP حقیقی باید از طریق خطوط HP و LP تأمین و بازگردانده شود؛ پس سه مقاومت سری‌اند و DP دیده‌شده توسط سلول سهمی از DP حقیقی است (رابطهٔ ۳). برای خطای نسبی کمتر از e، مقاومت نشتی باید از حد پایین رابطهٔ ۴ بزرگ‌تر باشد و معادلاً بیشینهٔ جریان نشتی مجاز در DP کامل از رابطهٔ ۵ به دست می‌آید.

R_hp, R_lp	مقاومت هیدرولیکی خط و Block Valve در سمت HP و LP	Pa·s/m³
R_eq	مقاومت مسیر نشتی Equalize بسته	Pa·s/m³
e	خطای نسبی مجاز در DP (بدون بُعد)	—
DP_fs	اختلاف فشار کامل	Pa
Q_leak,max	بیشینهٔ جریان نشتی مجاز	m³/s

برای دو خط آب به قطر 6 mm و طول 3 m، هر خط مقاومتی برابر 9.43×10⁷ Pa·s/m³ دارد، پس مجموع دو خط 1.89×10⁸ است. با DP کامل 250 mbar (25000 Pa)، حد نشتی برای خطای 0.1 % برابر 7.95 mL/min است؛ یعنی در خطوط باز، نشتی Seat باید بسیار بزرگ باشد تا اثر قابل‌اندازه‌گیری بگذارد. اگر مقاومت خطوط هزار برابر شود (گرفتگی جزئی)، همین حد به 0.0080 mL/min می‌رسد. نتیجهٔ مهندسی این است که شدت اثر نشتی Equalize را وضعیت خطوط تعیین می‌کند، نه فقط کیفیت Seat.

جدول ۲ — بیشینهٔ جریان نشتی Equalize مجاز در DP کامل (250 mbar)

نشتی Block Valve

اگر Seat یک Block Valve یا یک Vent، به محیط یا به مسیر کم‌فشار نشتی کند، مسیر نشتی دیگر با DP رانده نمی‌شود، بلکه با فشار ایستا رانده می‌شود. جریان نشتی از تقسیم فشار ایستا بر مجموع مقاومت‌ها به دست می‌آید و خطای DP برابر افت فشار همین جریان در خط سمت نشتی است (رابطهٔ ۶). چون فشار ایستا هزار برابر DP است، آستانهٔ حساسیت به گرفتگی نیز پایین‌تر می‌آید.

برای نشتی 0.1 mL/min روی 100 bar و خط آب 6 mm × 3 m، خطا 0.157 Pa یعنی 0.0006 % از 250 mbar است؛ اما اگر مقاومت خط هزار برابر باشد، همان نشتی 0.63 % خطا می‌سازد و در ضریب 10⁵ به 63 % می‌رسد. افزون بر این، در سرویس‌هایی که یک Leg پر از مایع دارند، تخلیهٔ تدریجی Leg ارتفاع ستون را تغییر می‌دهد و خطای سیستماتیک ایجاد می‌کند که از این مدل مقاومتی بزرگ‌تر است؛ این اثر در بخش عدم‌قطعیت دیده می‌شود.

افت فشار در Manifold و ضریب Kv

افت فشار گذرگاه Manifold فقط وقتی معنا دارد که جریان واقعی عبور کند: هنگام Flush، Purge یا Bleed، یا در جریان نشتی. در اندازه‌گیری ایستا، جریان در حد میکرولیتر در دقیقه است و افت فشار گذرگاه ناچیز است. رابطهٔ ضریب شیر برای مایع، با ضریب Kv بر حسب m³/h و افت فشار بر حسب bar، به‌صورت زیر است.

با فرض Kv برابر 0.1 (فرض آموزشی؛ مقدار واقعی TBD) و آب، جریان 6×10⁻⁵ m³/h (یک میلی‌لیتر در دقیقه) افتی برابر 3.6×10⁻⁷ bar دارد؛ جریان 0.01 m³/h افتی برابر 0.010 bar و جریان 0.1 m³/h افتی برابر 1.0 bar. نتیجه: Kv برای ارزیابی زمان تخلیه یا Purge اهمیت دارد، نه برای دقت اندازه‌گیری ایستا.

گذرای هم‌فشارسازی و پاسخ زمانی

هنگام تغییر وضعیت یا تغییر فرآیند، حفره‌ها باید حجم کوچکی سیال را جابه‌جا کنند و سرعت آن را مقاومت خط و ظرفیت (سلول و سیال تراکم‌پذیر محبوس) تعیین می‌کند. ثابت زمانی مدل مرتبهٔ اول برابر حاصل‌ضرب مقاومت در ظرفیت است. ظرفیت سلول برابر جابه‌جایی حجم تقسیم بر Span، ظرفیت مایع تراکم‌پذیر برابر حجم در تراکم‌پذیری، و ظرفیت گاز محبوس برابر حجم تقسیم بر فشار مطلق است.

tau	ثابت زمانی پاسخ خط	s
C_cell	ظرفیت جابه‌جایی سلول	m³/Pa
C_gas	ظرفیت گاز محبوس	m³/Pa
kappa	تراکم‌پذیری همدمای مایع	1/Pa

با C_cell برابر 4×10⁻¹² m³/Pa، گذرگاه Equalize به قطر 3 mm و طول 20 mm ثابت زمانی 2.0×10⁻⁵ s دارد؛ یعنی هم‌فشارسازی در یک سیستم تمیز عملاً آنی است. اما یک حباب گاز 1 mL در فشار 21 bar(a) در خط آب ثابت زمانی را به 4.2×10⁻⁴ s در حالت باز می‌رساند، و با ضریب گرفتگی 10³ به 0.42 s و با ضریب 10⁵ به 42 s (شکل ۵). پس پاسخ کند معمولاً نشانهٔ گرفتگی یا حباب است، نه مشکل Manifold.

انبساط حرارتی مایع محبوس

اگر مایع در حجمی میان دو شیر بسته محبوس شود و دمایش بالا برود، فشار آن از انبساط حرارتی بالا می‌رود، چون حجم نمی‌تواند آزادانه افزایش یابد. در مدل «ظرف صلب» افزایش دما ∆T، با ضریب انبساط حجمی beta و تراکم‌پذیری همدمای kappa، بیشینهٔ نظری شیب فشار را می‌دهد. واقعیت همیشه کمتر است، چون بدنه کمی تغییر شکل می‌دهد و آب‌بندی‌ها نشتی جزئی دارند؛ پس این عدد «کران بالا» است، نه پیش‌بینی.

beta	ضریب انبساط حجمی مایع	1/K
kappa	تراکم‌پذیری همدمای مایع	1/Pa
∆T	افزایش دمای مایع محبوس	K
∆P_max	کران بالای افزایش فشار در ظرف صلب	Pa

برای آب در 20 °C، مقدارها با خواص IAPWS-IF97 (تفاضل محدود چگالی) محاسبه شده است: beta برابر 2.092×10⁻⁴ 1/K و kappa برابر 4.578×10⁻¹⁰ 1/Pa. در نتیجه:

یعنی افزایش 5 K تا کران 23 bar، افزایش 10 K تا 46 bar و افزایش 30 K تا 137 bar فشار اضافه می‌سازد (شکل ۶، نمودار چپ). مقایسه با رتبهٔ 413 bar نشان می‌دهد که حجم محبوس آب با چند ده درجه گرمایش می‌تواند فشار را به مرز رتبه یا بالاتر برساند. به همین دلیل، حجم‌هایی که به‌صورت طراحی یا اشتباه عملیاتی ممکن است بین دو شیر بسته محبوس شوند، باید در مرحلهٔ طراحی و HAZOP به‌عنوان «حجم قابل‌انزوا» شناسایی و برای آنها تصمیم طراحی (مثل مسیر تخفیف حرارتی یا الزام ثبت وضعیت شیر) گرفته شود. این سند روش عملیاتی ارائه نمی‌دهد.

فشرده‌سازی و انبساط گاز محبوس

گاز محبوس در حجم ثابت از رابطهٔ همحجم پیروی می‌کند. در دماهای مطلق و فشار مطلق، فشار با دمای مطلق متناسب است. برای گاز در 51.01 bar(a) و 20 °C (یعنی 293.15 K) که تا 80 °C (353.15 K) گرم شود:

P1, P2	فشار مطلق اولیه و نهایی	bar(a)
T1, T2	دمای مطلق اولیه و نهایی	K

افزایش فشار برابر 20.5 % است، یعنی بسیار کوچک‌تر از مایع محبوس (شکل ۶، نمودار راست). نتیجهٔ طراحی: خطر فشار ناشی از گرمایش در گاز محدود به نسبت دماهای مطلق است، ولی گاز محبوس در Remote Mount یا حفرهٔ سلول اثر دیگری دارد: تغییر دما، قرائت DP را از راه اختلاف دمای دو خط تغییر می‌دهد، که در بخش خطای اندازه‌گیری شمرده می‌شود.

مکانیک Stem و Seat: رابطهٔ F = P × A

فشار فرآیند روی سطح مقطع Stem نیرویی محوری ایجاد می‌کند که می‌خواهد Stem را از بدنه خارج کند (Blow-out). این نیرو از حاصل‌ضرب فشار در سطح مقطع Stem به دست می‌آید و به‌جز اصطکاک Packing و نیروی بسته‌کنندهٔ شیر، عاملی اساسی در طراحی مهار محوری Stem (Bonnet، رزوه و Retainer) است.

F_p	نیروی محوری فشار روی Stem	N
P	فشار فرآیند (نسبی)	Pa
A_stem	سطح مقطع Stem	m²
d	قطر Stem	m

برای Stem به قطر 6.35 mm (فرض آموزشی؛ قطر واقعی TBD) سطح مقطع 31.67 mm² است. در فشار 100 bar نیرو برابر 10 MPa × 31.67 mm² = 317 N و در 400 bar برابر 1267 N است (شکل ۷). این نیرو باید با مهار مکانیکی بدنه تحمل شود، نه با اصطکاک.

در طرف Seat، بسته‌شدن آب‌بند محصول نیروی بسته‌کننده و سطح تماس مؤثر است. حلقهٔ تماس به قطر 3 mm و پهنای 0.2 mm سطحی برابر pi × 3 × 0.2 = 1.885 mm² دارد. با نیروی بسته‌کنندهٔ 100 N تنش تماس ظاهری برابر 100 / 1.885 = 53.1 MPa است. مقایسه با حد تسلیم مرجع فولاد 316 آنیل‌شده، حدود 205 MPa (REFERENCE، نه داده NICO)، نسبت 0.26 می‌دهد؛ یعنی تماس در این مثال در محدودهٔ الاستیک است. افزایش نیروی بسته‌کننده تا تسلیم موضعی ممکن است آب‌بندی را بهتر کند، اما سایش و آسیب Seat را زیاد می‌کند.

مهندسی Packing

Packing (آب‌بند Stem) با تنش شعاعی روی Stem آب‌بندی می‌کند. تنش شعاعی از تنش محوری Gland با ضریب انتقال K ساخته می‌شود و باید دست‌کم برابر فشار فرآیند باشد تا نشتی خارجی رخ ندهد. به همین دلیل، اصطکاک Stem نیز با فشار بالا می‌رود و گشتاور عملیاتی را زیاد می‌کند.

sigma_r	تنش شعاعی Packing روی Stem	Pa
sigma_a	تنش محوری Gland روی Packing	Pa
K	ضریب انتقال تنش محوری به شعاعی (فرض)	-
mu_p	ضریب اصطکاک Packing و Stem (فرض)	-
A_pack	سطح حلقوی Packing	m²
d, L	قطر Stem و طول Packing	m

با فرض K = 0.5، ضریب اصطکاک 0.1، سوراخ Packing به قطر 9.5 mm و طول 6 mm (همگی فرض آموزشی) برای فشار 100 bar تنش شعاعی لازم 10 MPa و تنش محوری لازم 10 / 0.5 = 20 MPa است. سطح حلقوی برابر 39.2 mm² و نیروی Gland برابر 20 MPa × 39.2 mm² = 784 N می‌شود. اصطکاک Stem نیز 0.1 × 10 MPa × pi × 6.35 mm × 6 mm = 120 N است. نتیجه: اصطکاک 120 N هم‌مرتبه با نیروی Blow-out (317 N) است؛ پس سفت‌کردن بیش از حد Gland نه تنها Packing را زود فرسوده می‌کند، بلکه Stem را سخت‌تر می‌چرخاند و به Seat آسیب می‌رساند. این مقدارها فرض آموزشی‌اند و داده‌های واقعی Packing، دما و جنس را باید سازنده بدهد. آزمون نشتی خارجی از مسیر استاندارد (مثل ISO 15848-1) برای شیرهای فرآیندی مرجع است.

مرز فشار و بررسی رتبه — Pressure Boundary

مرز فشار از بدنه، Bonnet، Stem، Packing، اتصال‌ها و پایین‌ترین رتبهٔ اجزای متصل تشکیل می‌شود. دو بررسی مکمل لازم است: رتبهٔ فشار-دما از برگهٔ فنی، و تنش جداره در محل بحرانی. برای جدارهٔ ضخیم استوانه‌ای، تنش محیطی در سطح داخلی سوراخ از رابطهٔ Lamé به دست می‌آید.

sigma_theta,i	تنش محیطی در سطح داخلی سوراخ	Pa
P	فشار داخلی	Pa
r_i, r_o	شعاع داخلی و خارجی جداره	m

برای سوراخ با شعاع داخلی 3 mm و خارجی 12 mm، ضریب (144 + 9) / (144 − 9) = 1.133 است. تنش محیطی در 100 bar برابر 11.3 MPa و در 413 bar برابر 46.8 MPa می‌شود؛ نسبت به حد تسلیم مرجع 205 MPa این دو مقدار نسبت‌های 0.055 و 0.23 دارند. توجه: این بررسی فقط جدارهٔ ساده را می‌سنجد؛ تمرکز تنش در محل تقاطع حفره‌ها، رزوه و گوشه‌ها، رتبه‌بندی رسمی شیر (ASME B16.34 یا ضوابط سازنده) و آزمون هیدرواستاتیک را جایگزین نمی‌کند.

مهندسی مواد

انتخاب جنس برای Manifold از سه پرسش می‌گذرد: سازگاری با سیال و محیط خارجی، رفتار مکانیکی در دما، و جفت‌شدن اجزای متحرک. فولاد زنگ‌نزن آستنیتی (SS316 یا SS316L) پایهٔ رایج است، ولی در محیط کلرایددار دما بالا، آلیاژهای دوفازی (Duplex) یا نیکلی (Hastelloy، Monel) باید بررسی شوند. هر جنس باید بر پایهٔ دادهٔ سازنده و استاندارد مواد پروژه تأیید شود، نه از روی نام.

مسئلهٔ مکانیکی مهم Galling است: جفت‌های هم‌جنس آستنیتی در لغزش تحت بار تماس می‌توانند به هم بچسبند و سطح را بکنند. این پدیده روی رزوهٔ Stem، Packing و Seat ظاهر می‌شود و نشتی داخلی یا گیرکردن Stem می‌آورد. راهکارهای طراحی عبارتند از اختلاف سختی جفت، پوشش یا عملیات سطحی، و روان‌کار سازگار با سیال؛ انتخاب آنها با سازنده است و در ماتریس راستی‌آزمایی ثبت می‌شود.

سرویس ترش — Sour Service

در حضور H2S مرطوب، فولادها و آلیاژها دچار ترک‌خوردگی تنشی سولفیدی و سایر مکانیزم‌ها می‌شوند. سری ISO 15156 ضوابط مواد برای این محیط را تعیین می‌کند؛ شماره Part، ویرایش، حدود فشار جزئی و دمای مجاز مواد در این سند عمداً ذکر نمی‌شود و باید از نسخهٔ معتبر استاندارد استخراج شود.

آنچه مهندس ورودی ارزیابی می‌کند، فشار جزئی H2S است که از کسر مولی و فشار مطلق به دست می‌آید. برای مثال، گاز با 2 % مولی H2S در 20 bar(g) (یعنی 21.013 bar(a)) فشار جزئی 0.02 × 21.013 = 0.42 bar(a) دارد. این عدد «ورودی ارزیابی» است، نه حکم پذیرش یا رد؛ حکم فقط با استاندارد، pH، کلراید، دما و سختی مواد صادر می‌شود. گواهی مواد و کنترل سختی باید در مدارک شیر قابل‌ردیابی باشد.

هندسهٔ Seat و نوک — Tip

آب‌بندی داخلی Manifold به هندسهٔ تماس بستگی دارد. تماس فلز به فلز با سطح باریک تنش تماس بالا و آب‌بندی ایستا می‌دهد، ولی ذرات و سایش آن را از بین می‌برند. Seat نرم (پلیمری) نشتی داخلی را به‌شدت کم می‌کند، ولی دما، فشار، سازگاری شیمیایی، خزش و مقاومت در برابر آتش را محدود می‌کند. جدول زیر مقایسهٔ مهندسی کیفی است و عدد نشتی ندارد، چون مقدار نشتی هر محصول فقط از آزمون و برگهٔ فنی همان محصول می‌آید.

جدول ۳ — مقایسهٔ مهندسی هندسهٔ Seat و نوک

تنش اتصال و بار مکانیکی ترانسمیتر

در آرایش Direct Mount، وزن ترانسمیتر و ارتعاش روی اتصال Manifold-سلول لنگر خمشی ایجاد می‌کند. برای جرم 3 kg (فرض آموزشی؛ جرم DPT11 TBD)، شتاب ارتعاشی 3 g و بازوی 0.1 m، لنگر برابر است با:

M	لنگر خمشی روی گردن اتصال	N·m
m	جرم ترانسمیتر (فرض)	kg
a	شتاب ارتعاشی	m/s²
h	بازوی لنگر	m
Z	مدول مقطع گردن	m³
D, d	قطر خارجی و داخلی گردن	m

برای گردن اتصال با قطر خارجی 15 mm و داخلی 6 mm، مدول مقطع 3.229×10⁻⁷ m³ است و تنش خمشی 8.83 / 3.229×10⁻⁷ = 27.3 MPa می‌شود. این مقدار نسبت به حد تسلیم مرجع 205 MPa نسبت 0.13 دارد، اما برای خستگی در ارتعاش مداوم و بار مرکب باید ضریب ایمنی و ضریب تمرکز تنش (رزوه، گوشه) نیز اعمال شود. اگر این ضریب قابل‌قبول نباشد، Remote Mount یا پایه، راهکار طراحی است.

گرادیان دما و انتقال حرارت

در سرویس بخار و دمای بالا، حرارت از مسیر فلزی به ترانسمیتر می‌رسد. رسانش یک‌بعدی با قانون فوریه برآورد می‌شود. برای فولاد 316 (ضریب رسانش مرجع 16 W/(m·K))، مقطع 1 cm²، طول 0.15 m و اختلاف دمای 159 K (از 200 °C تا 41 °C):

Q	توان حرارتی رسانش	W
k	ضریب رسانش حرارتی	W/(m·K)
A	سطح مقطع مسیر رسانش	m²
∆T	اختلاف دمای دو سر	K
L	طول مسیر	m

اگر بدنه مقید باشد و بخواهد انبساط حرارتی کند، کران بالای تنش حرارتی از رابطهٔ E × alpha × ∆T / (1 − nu) به دست می‌آید. با مقدارهای مرجع E = 193 GPa، alpha = 16×10⁻⁶ 1/K، nu = 0.3 و ∆T = 100 K این کران 441 MPa است. این عدد فقط کران نظری مقیدبودن کامل است و از تنش واقعی بسیار بیشتر است؛ نکتهٔ طراحی آن است که اتصال‌ها باید اجازهٔ انبساط بدهند و گرادیان دمایی حاصل از Impulse Line بلند یا بدون عایق‌کاری بررسی شود.

درخت خطای اندازه‌گیری

خروجی دبی اریفیس از ریشهٔ اختلاف فشار ساخته می‌شود، پس هر خطای کوچک در DP در دبی پایین بزرگ می‌شود. درخت خطا منابع مستقل را از سلول تا نتیجهٔ دبی نشان می‌دهد (شکل ۸). پنج منبع برای مورد بخار در نظر گرفته شده است: دقت مرجع سلول، جابه‌جایی صفر ناشی از فشار ایستا، اختلاف ارتفاع Legها، نشتی Equalize و Block، و اثر دما. همهٔ مقدارهای ورودی فرض‌اند و به مشخصات تأییدشدهٔ DPT11 و ACC55 وابسته‌اند.

جدول ۴ — منابع خطای DP در مورد بخار (250 mbar مقیاس کامل)

عدم‌قطعیت اندازه‌گیری دبی

ترکیب عدم‌قطعیت‌ها طبق راهنمای GUM (JCGM 100:2008) برای منابع مستقل به‌صورت جمع مربعی (RSS) انجام می‌شود. منابع سیستماتیک (اختلاف ارتفاع Leg، سوگیری نشتی) باید اصلاح یا کران‌گذاری شوند و نباید در RSS پنهان بمانند. در این مثال برای نشان‌دادن حساسیت، آنها به‌عنوان عدم‌قطعیت استاندارد وارد شده‌اند.

u1…u5	عدم‌قطعیت استاندارد منابع مستقل DP	mbar
u_DP,c	عدم‌قطعیت استاندارد ترکیبی DP	mbar
u(Q)/Q	عدم‌قطعیت نسبی دبی	-
DP	DP در نقطهٔ کار	mbar

سهم اختلاف ارتفاع Legها حدود 97 % واریانس کل است (1.73² / 3.081 = 0.971). اگر Legها برابر باشند، RSS به 0.296 mbar می‌رسد؛ اگر اختلاف ارتفاع تا 2 mm کنترل شود (یعنی 0.173 mbar)، RSS برابر 0.343 mbar می‌شود.

جدول ۵ — عدم‌قطعیت نسبی دبی، u(Q)/Q (k=1) و عدم‌قطعیت گسترده (k=2)

نتیجهٔ حساسیت: در دبی ۲۵ درصد، کنترل تلرانس ارتفاع Legها خطای دبی را از 5.62 % به 1.10 % کاهش می‌دهد؛ یعنی مؤثرترین اقدام کاهش خطا در این مورد، نه ارتقای دقت سلول، که حدود 0.188 mbar را می‌سازد، بلکه کنترل نصب است. این مقدارها فقط با ورودی‌های فرضی معتبر هستند و ارزیابی نهایی را داده‌های تأییدشده می‌سازند.

جدول FMEA: حالت‌های خرابی و اثر آنها

FMEA زیر روی Manifold بررسی می‌شود تا مشخص شود هر حالت خرابی کدام ستون را هدف می‌گیرد: قرائت (Measurement Effect)، تمامیت فشار (Integrity Effect) یا هر دو. تشخیص‌ها و اقدام‌های اصلاحی در سطح طراحی و بازرسی‌اند و روش اجرایی روی خط تحت فشار نیستند.

جدول ۶ — FMEA مختصر برای Instrument Manifold

ماتریس راستی‌آزمایی طراحی — Design Verification Matrix

ماتریس زیر Design Basis را به انتخاب و روش راستی‌آزمایی وصل می‌کند. وضعیت VERIFIED یعنی با تحلیل همین سند یا مدرک موجود تأیید شده است؛ REQUIRES VERIFICATION یعنی ابتدا باید با برگهٔ فنی یا آزمون تأیید شود؛ و TBD یعنی داده هنوز تعیین نشده است. هیچ مشخصهٔ محصول NICO در ستون «انتخاب» ادعا نشده است.

جدول ۷ — ماتریس راستی‌آزمایی طراحی برای مورد بخار

مطالعهٔ موردی: OFE16، Impulse Line، ACC55 و DPT11

اندازه‌گیری دبی بخار اشباع با اریفیس OFE16 (آرایش اندازه‌گیری DP)، دو Impulse Line، 5-Valve Manifold ACC55 و DPT11 (شکل ۹). فشار کارکرد 10 bar(g) (برابر 11.013 bar(a) با دمای اشباع 184.1 °C)، طراحی 13 bar(g) در 200 °C، DP مقیاس کامل 250 mbar، Impulse Line فرضی به قطر 6 mm و طول 3 m. مشخصات OFE16، ACC55 و DPT11 در این سند TBD هستند.

رتبه و نسبت فشار ایستا به DP: نسبت فشار طراحی به رتبهٔ فرضی در دمای طراحی 13 / 350 = 0.037 است. فشار ایستا 13 bar نسبت به DP برابر 13000 / 250 = 52 است؛ جابه‌جایی صفر ناشی از فشار ایستا و اثر آن روی سلول باید از برگهٔ فنی DPT11 گرفته شود.

مایع محبوس: Legهای پر از میعان و حفره‌های Manifold حجم‌های بالقوه محبوس‌اند. شیب 4.57 bar/K برای آب در 20 °C کران بالا را می‌دهد؛ شیب در دماهای بالا باید با خواص همان دما محاسبه شود. هر حجمی که ممکن است بین دو شیر بسته بماند، در HAZOP به‌عنوان حجم قابل‌انزوا ثبت می‌شود.

خطای دبی: بدون کنترل Legها، عدم‌قطعیت دبی در ۲۵ % برابر 5.62 % (k=1) است؛ با تلرانس 2 mm به 1.10 % می‌رسد. تصمیم طراحی: تلرانس ارتفاع Legها در مشخصات نصب تعریف و در بازرسی As-Built کنترل شود، و Equalize با نشتی بالاتر از حد جدول ۲ در دبی پایین قابل‌قبول نباشد. این ترتیب، تصمیم مهندسی است و دستور کار روی خط زنده نیست.

چک‌لیست طراحی

• Design Basis (فشار و دمای کارکرد و طراحی، سیال، DP مقیاس کامل) ثبت و منبع هر مقدار مشخص است.
• رتبهٔ فشار-دمای Manifold از منحنی برگهٔ فنی در دمای طراحی کنترل شده است.
• جنس بدنه، Stem، Seat و Packing با سیال و محیط خارجی (کلراید، H2S) و استاندارد مواد پروژه تأیید شده است.
• حد نشتی مجاز Equalize و Block از بودجهٔ خطا و مقاومت خطوط محاسبه و با کلاس نشتی سازنده مقایسه شده است.
• حجم‌های قابل‌انزوا در HAZOP شناسایی و برای مایع محبوس تصمیم طراحی ثبت شده است.
• مهار محوری Stem و Bonnet برای نیروی F = P × A بررسی شده است.
• تنش اتصال و ارتعاش (Direct Mount) یا الزام Remote Mount ارزیابی شده است.
• تلرانس ارتفاع Legها در مشخصات نصب و بازرسی As-Built تعریف شده است.
• FMEA برای حالت‌های خرابی مهم کامل و اقدام اصلاحی هر مورد تعیین شده است.
• ماتریس راستی‌آزمایی وضعیت هر مورد را (VERIFIED، REQUIRES VERIFICATION یا TBD) نشان می‌دهد.

پرسش‌های متداول

نشتی Equalize چقدر مجاز است؟

از بودجهٔ خطا و مقاومت خطوط محاسبه می‌شود. با ضریب خط تمیز و خطای مجاز 1 %، حدود 79.5 mL/min؛ با گرفتگی ×1000 حدود 0.08 mL/min (جدول ۲).

چرا نشتی کوچک Block می‌تواند خطای بزرگ ایجاد کند؟

چون خطای DP برابر جریان نشتی ضرب‌در مقاومت خط سمت نشتی است. وقتی گرفتگی مقاومت را بالا ببرد، همان جریان خطای بزرگ‌تری می‌سازد (شکل ۴).

چرا مایع محبوس خطرناک است؟

چون مایع تراکم‌ناپذیر است و با گرمایش حجم محبوس، فشار طبق ∆P = (beta / kappa) × ∆T بالا می‌رود؛ برای آب حدود 4.57 bar/K در 20 °C به‌عنوان کران بالا.

آیا دقت بیشتر سلول عدم‌قطعیت دبی را کم می‌کند؟

فقط اگر دقت سلول منبع غالب باشد. در مورد بخار این سهم حدود سه درصد واریانس است؛ اختلاف ارتفاع Legها غالب است.

آیا استاندارد ISO 15156 برای هر Manifold لازم است؟

فقط برای سرویس ترش (حضور H2S مرطوب). الزام و ضوابط دقیق باید از ویرایش معتبر استاندارد و مشخصات پروژه گرفته شود.

این سند جایگزین برگهٔ فنی سازنده است؟

خیر. مقدارهای رتبه، هندسه و مشخصات فرضی‌اند و فقط روش تحلیل را نشان می‌دهند. تصمیم نهایی با داده‌های تأییدشدهٔ هر محصول گرفته می‌شود.

واژه‌نامه و منابع

1. IEC 61518:2001 — Mating dimensions between differential pressure (type) measuring instruments and flanged-on shut-off devices up to 413 bar (41.3 MPa) مرجع ابعاد اتصال؛ وضعیت اعتبار ویرایش پیش از ارجاع رسمی راستی‌آزمایی شود.
2. ISO 15848-1 — Industrial valves — Measurement, test and qualification procedures for fugitive emissions — Part 1 مرجع آزمون نشتی خارجی؛ ویرایش (2015 و اصلاحیهٔ Amd 1:2017) و دامنه پیش از ارجاع تأیید شود.
3. ASME B16.34 — Valves — Flanged, Threaded, and Welding End مرجع رتبه‌بندی فشار-دما؛ ویرایش با پروژه تأیید شود.
4. ASME B1.20.1 — Pipe Threads, General Purpose (Inch) مرجع رزوهٔ NPT؛ ویرایش تأیید شود.
5. ISO 15156 — Petroleum and natural gas industries — Materials for use in H2S-containing environments in oil and gas production مرجع مواد سرویس ترش؛ Part و ویرایش تأیید شود؛ هیچ آستانهٔ عددی در این سند نقل نشده است.
6. ISO 5167 — Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full مرجع دبی‌سنجی با اختلاف فشار؛ Part و ویرایش با پروژه تأیید شود.
7. JCGM 100:2008 — Evaluation of measurement data — Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM) مرجع بودجهٔ عدم‌قطعیت.

سند سطح ۳؛ ورودی‌های مدل (رتبه، هندسه، جرم، ضرایب و دقت) فرضی با وضعیت TBD هستند و هیچ مشخصهٔ محصول NICO ادعا نشده است. شماره و ویرایش استانداردها پیش از استفادهٔ رسمی راستی‌آزمایی شود. هیچ بخشی روش اجرایی کار روی خط تحت فشار نیست.