شیر توپی یا بال ولو
شیر توپی چیست این نوع شیر همانگونه که از نام آن پیدا است . دارای یک پوسته یا بدنه اصلی شیر است. که قطعه توپ مانند داخل آن قرار دارد جسم کروی یا توپ مانند دارای مجرایی است . و توسط یک شفت متصل به آن به اهرم تحریک شیر وصل است . و با چرخش اهرم قطعه کروی چرخیده و مجرای داخل توپ یا کره هم مسیر با ورودی شیر قرا ر گرفته و شیر باز می گردد یا با چرخش قطعه کروی مجرا بسته می گرد. این نوع شیر فراوانترین شیر در صنعت است .و از مزایای آن ارزانی این نوع شیر و سریع العمل بودن آن است که با حرکت 90 درجه اهرم چرخش عمل باز بسته شدن شیر صورت می پذیرد
خصوصیات اصلی شیر توپی به شرح زیر است:
قیمت مناسب و ارزان آن نسبت به دیگر شیرهای قطع وصل به دلیل کمتر بودن قطعات آن و راحت تر بودن پروسه ساخت قیمت آن ارزانتر می باشد. لذا جهت موارد اضطراری نیز کاربرد فوق العاده ای دارد به همین دلیل از این نوع شیر جهت قطع و وصل جریان سیالات بویژه در صنعت هیدرولیک و پنوماتیک نیز استفاده می گردد. این شیر در مواردی که دو یا سه تکه است براحتی قابل تعمیر و تعویض قطعات داخلی را دارا است. شیر توپی از لحاظ حجمی جای کمی اشغال می کند .ساختمان بسیار ساده ای دارد . و در اکثر موارد به ویژه در سیستم های دارای فشار کم و متوسط به روانکاری نیاز ندارد.
معایب:
این شیر می توان گفت زمانی که برای کنترل دبی حجم جریان مورد استفاده قرار می گیرد . یعنی در حالت نیمه باز قسمت هایی که در مقابل جریان قرار می گیرد . با عث از بین رفتن نظم جریان عبوری گردیده و ضمنا ” در معرض فرسایش نیز قرار می گیرد. این نوع شیر با چرخش شفتی که به قطعه توپ مانند متصل است تحریک می گردد. و با چرخش شفت به اندازه کسری از 360 درجه حدود یک چهارم دور شیر شیر بسته و یا باز می شود.( سرعت باز یا بسته کردن شیر بسیار بالا ست )
عملگرها:
این نوع شیرها امروزه با تحریک های پنوماتیکی و هیدرولیکی نیز عمل می نمایند . بدین صورت که با نصب سیلندرهای هیدرولیک و یا پنوماتیکی حرکت شفت سیلندر باعث چرخش شفت یا میله تحریک شیر می گردد. و لذا جهت خطوط سیلاتی که فشار بالا دارند نیز استفاده می گردد. بعلت ساختمان بخصوص داخلی این شیر رسوب گیری ندارد. و در بعضی از موارد با ساختمان خاص و مواد اولیه مستحکم جهت قطع و وصل ایمنی و اضطراری استفاده می شود. از این شیر جهت سریع و فوری سیال در موارد اضطراری استفاده فروانی می گردد.در بعضی موارد جهت کنترل مقدار دبی همزمان با قطع و وصل از شیر نوع توپی استفاده می گردد.
بال ولو (Ball valves )
شیرهای ساچمه ای گونه ای از شیرهای توپی هستند که عضو مسدود کننده یا توپی آنها به شکل کروی است. مقر نشیمنگاهی در این شیرها به فرم دایره ای است و به همین دلیل ، تنش ایجاد شده در محیط سطوح نشیمنگاهی ، یکنواخت می باشد. در اغلب شیرهای ساچمه ای ، مقر نشیمنگاه از مواد نرم ساخته می شود که می تواند خود رابه خوبی با سطح ساچمه هماهنگ نماید. با توجه به فرم سطوح نشیمنگاهی در این شیرها آ بندی در شیرهای ساچمه ای عالی است.
قابلیت کنترل شدت جریان در شیرهای ساچمه ای خیلی خوب است . زیرا سطح مقطع عبور سیال از تقاطع سطح سوراخ دایره ای در ساچمه و سطح دایره ای مقر نشیمنگاهی ایجاد می شود. البته اگر این نوع شیر ، برای مدتی طولانی نیمه باز بماند و افت فشار در عبور از سوراخ ساچمه زیاد باشد ، ممکن است مقر نشیمنگاهی نرم تغییر شکل دهد و به طرف لبه سوراخ ساچمه خم شود و حتی ممکن است باعث گیر کردن ساچمه در جای خود شود. بدین ترتیب شیرهای ساچمه ای دستی اغلب برای قطع و وصل جریان مناسب هستند ولی می توان در بعضی موارد از آنها برای کنترل شدت جریان سیال استفاده کرد. اگر کنترل شدت جریان به صورت اتوماتیک انجام شود .
با توجه به اینکه ساچمه معمولا در حال حرکت است مشکل ذکر شده به وجود نخواهد آمد. چون ساچمه بر روی سطوح مقر نشیمنگاهی می لغزد. شیرهای ساچمه ای را می توان برای سیالات دارای ذرات جامد معلق نیز به کار برد .البته ذرات ساینده به سطوح مقر و ساچمه آسیب می رسانند . مواد رشته ای محکم موجود در سیال نیز ممکن است برای عملکرد شیرهای ساچمه ای مشکل آفرین باشد. زیرا این رشته ها به تدریج به دور ساچمه می پیچند.
برای ساخت ارزان شیرهای ساچمه ای چه کاری انجام می شود:
قطر سوراخ موجود در ساچمه کوچک تر از قطر اسمی شیر در نظر گفته می شود . اندازه این سوراخ معمولا حدود سه چهارم اندازه اسمی شیر است . و گذر گاه عبور سیال از شیر به صورت ونتوری می باشد . افت فشار در شیرهای که قطر سوراخ ساچمه آنها کوچک باشد . چندان زیاد نیست و به همین دلیل در اغلب موارد لزومی ندارد . از شیر های ساچمه ای که قطر سوراخ آنها برابر قطر اسمی شیر است استفاده نمود. و بدین ترتیب می توان در هزینه خرید صرفه جویی نمود . البته در بعضی موارد باید از شیرهای با سوراخ کامل( Full – bore) استفاده کرد. مثلا ” در خطوط لوله ای که باید هر از چند گاهی رسوب زدایی و تمیز شوند.
جنس قطعات نشیمنگاهی در شیرهای توپی
برای ساخت مقر نشیمنگاه در این شیرها غالبا” PTFE استفاده می شود . زیرا این پلیمر میل ترکیبی با مواد شیمیایی ندارد . به علاوه ضریب اصطکاک این پلیمر نیز پایین است. دامنه حرارتی کاربردی آن وسیع است و قابلیت آب بندی بسیار خوبی نیز دارد. ولی از طرف دیگر ضریب انبساط حرارتی PTFE بالاست .نسبتا” قابل انعطاف است . دچار خزش سرد می شود و همچنین انتقال حرارت آن نیز ضعیف است . بنابراین طراحی مقر نشیمنگاهی باید با توجه به جمیع این ویژ گیها انجام گیرد.
به جز پلیمر ساده PTFE برای ساخت مقر شیرهای ساچمه ای از PTFE پر شده با مواد افزودنی ، نایلون و مواد دیگر نیز استفاده می شود. هر چه جنس ماده مقر نشیمنگاهی سخت تر باشد ، قابلیت آب بندی شیر خصو صا” در اختلاف فشارهای کم افت می کند. از الاستومر buna-N نیز می توان در ساخت مقر نشیمنگاهی استفاده کرد.
مشروط بر اینکه اولا” با سیال عبوری از شیر سازگار باشد و ثانیا” محدوده دمایی کاری شیر هماهنگ باشد. به علاوه مواد الاستومری نرم هستند و معمولا” ساچمه بر روی آن خوب نمی لغزد مگر آنکه سیال بتواند سطح تماس آنها را روانکاری نماید. در صورتی که به دلایل کاربردی ، نتوان قطعات نشیمنگاهی نرم در شیرهای ساچمه ای به کار برد ، باید از قطعات فلزی یا سرامیکی استفاده نمود.
طراحی قطعات نشیمنگاهی
برای برقرای تماس کامل بین ساچمه و مقر ، به روش های مختلفی قابل انجام است . برخی از این روش ها که بیشتر به کار رفته اند عبارتند از :
- استفاده از فشار سیال برای راندن ساچمه معلق به طرف مقر نشیمنگاهی و قرار دادن برروی آن
- استفاده از فشار سیال برای راندن رینگ نشیمنگاهی معلق به طرف ساچمه شیر که در جای ثابتی مهار شده است.
- قرار دادن ساچمه و مقرهای نشیمنگاهی تحت تنش اولیه ، به طوری که دائما” بر روی هم تیکه داشته باشند.
- استفاده از یک نیروی مکانیکی ، که به هنگام بسته شدن شیر ، بر ساچمه و مقر نشیمنگاهی وارد می شود.
در بعضی شیرهای ساچمه ای ،آب بندی بین ساچمه و مقر ، توسط یک رینگ قابل انعطاف نظیر اورینگ ایجاد می گردد. استفاده از فشار سیال برای ایجاد نیروی آب بندی کننده بین قطعات نشیمنگاهی ، از بقیه روشها رایج تر است. فشار کاری مجاز به هنگام به کار گیری این روش محدود است بدین صورت که رینگ نشیمنگاهی که در دهانه خروجی شیر قرار دارد . باید بتواند فشار ناشی از فشار سیال و دمای سیستم را تحمل کند . بدون آنکه تغییر شکل دائمی در آن ایجاد کند.
مشخصات بال ول ها:
رینگ نشیمنگاهی در شیرها یک لبه دارد . این لبه طوری طراحی شده است . که به هنگام قرار گرفتن ساچمه برروی رینگ فقط با لبه تماس پیدا می کند . با مونتاژ کامل شیر رینگ های ورودی و خروجی بروی ساچمه فشار داده می شوند. و لبه های آنها خم میی شود و رینگها در جای خود کمی می پیچند . وقتی فشار سیال در پشت ساچمه وارد می شود . لبه رینگ خروجی شیر باز هم بیشتر تحت فشار قرار می گیرد. و سطح نشیمنگاه رینگ کاملا گ بر روی ساچمه قرار خواهد گرفت . در این طرح رینگ هایی وجود دارد قابلیت انعطاف این رینگ ها باعث می شود که در فشارهای بالا نیز آسیبی به آنها وارد نشود.
دور رینگ های نشیمنگاهی در شیر شیارهایی ایجاد شده است که وظیفه آنها متعادل کردن فشار است . وجود این شیارها با عث می شود که اثر فشار ورودی سیال در کل گشتاور مورد نیاز برای چرخاندن ساچمه کاهش یابد .
فشار سیال ورودی از طریق این شیارها به داخل محفظه شیر وارد می شود. اورینگ ورودی از نظر فشار متعادل خواهد شد.در شیرها سطوح نشیمنگاهی تحت یک تنش فشار ی اولیه قرار دارند. برای ایجاد چنین تنشی در شیر نشانده شده رینگ ها ی نشیمنگاهی توسط دیا فرا گمها ی فلزی حمایت می شوند . که همانند فنر هایی در پشت این رینگها عمل می کنند از یک فنر مجمو عه ساچمه و رینگ های نشیمنگاهی را از بالا به داخل یک مقر گوه ای شکل که درون بدنه ایجاد شده است فشار می دهد.بر این اساس است که فشار سیال باعث راندن رینگ نشیمنگاهی به طرف ساچمه که از دو طرف در بدنه شیر مهاربندی شده است می شود.
BALL VALVE
در این طرح موقعیت ساچمه ثابت است و رینگ نشیمنگاهی توسط یک اورینگ محیطی نسبت به بد نه شیر آ ببندی می شود با توجه به اینکه سطح فشار غیر متوازن در رینگ نشیمنگاهی را می توان کوچک نگهداشت با وارده بر سطوح نشیمنگاهی را دریک فشار مشخص می توان تنظیم نمود تا با ظرفیت تحمل بار این سطوح تناسب یابد با توجه به این ویژگی می توان از این شیر در فشارهایی بالاتر از تحمل شیرهای ساچمه معلق استفاده نمود در این شیر خاص وسیله ای وجود دارد که در هرباز و بسته کردن شیر رینگهای نشیمنگاهی را کمی در جای خود می چرخاند هدف از چر خاندن این رینگ ایجاد سایش یکنواخت در رینگ می باشد در صورتی که حات آ بندی رینگ های نشیمنگاهی از بین برود می توان با تزریق یک ماده آ ب بندی کننده سطوح تخریب شده را موقتا بازیابی نمود.
مونتاژ :
درشیر به هنگام مونتاژ یک تنش اولیه بین رینگ های نشیمنگاهی و ساچمه ایجاد می شود . که همین تنش باعث آب بندی سطوح تماس آنها می گردد . لبه های دهانه سوراخ گذر گاهی ساچمه گرد شده است . تابه هنگام باز بودن شیر تداخل و فشار کمی بین سطوح نشیمنگاهی وجود داشته باشد . وقتی ساچمه چرخانده می شود. که شیر بسته شود تداخل بین این سطوح افزایش می یابد در صورتی که لازم باشد . از این شیر به عنوان یک شیر قطع کننده دوبل با تخلیه میانی استفاده شود. پشت رینگ های نشیمنگاهی باید با یک اورینگ الاستومری حمایت گردد. یک طراحی دیگر برای قطعات نشیمنگاهی استفاده شده است که با به کار گیر ی یک مکانیزم بادامکی ساچمه قبل از چرخیدن به حالت باز ابتدا از جای خود بلند شده و پس ا ز چرخیدن به حالت بسته مجددا” جای خود می نشیند.
اتصال متعادل کننده فشار
در شیرهای ساچمه ای دو نشیمنگاهی فضای داخلی بدنه شیر ممکن است هم در حالت باز و هم در حالت بسته آب بندی باشد وقتی اینگونه شیرها بسته می شووند فضای داخلی شیر از رینگ نشیمنگاه ورودی تا رینگ نشمنگاه خروجی راشامل می شود وقتی شیر باز می ش ود یک فضای آب بندی شده بین ساچمه و بدنه شیر به وجود می آید اگراین فضاهای بسته از یک مایع باضریب انبساط حرارتی بالا پر باشد افزایش فشار در این فضاها ممکن است بعضی قطعات و قسمت های شیر را شدیدا” تحت تنش قرار دهد زیرا سیال حبس شده در این فضاها دچار انبساط می شوند برای جلوگیری از بروز این پدیده باید بتوان به نحوی فشار ایجاد شده را آزاد نمود.
فضای بسته بین بدنه شیر و ساچمه را وقتی که شیر باز است می توان با ایجاد یک سوراخ در بالا یا پایین ساچمه به گذرگاه عبور سیال از درون ساچمه ارتباط داد. وقتی که شیربسته می شود باید به صورت دیگری فشار حبس شده در فضای داخلی شیر را آزاد کرد.
اگر که شیر از نوع رینگ معلق باشد:
اگر شیر ساچمه ای از نوع رینگ نمیشنگاهی معلق باشد. فشار درون شیر باعث می شود . که رینگ نشیمنگاهی ورودی از ساچمه فاصله بگیرد . و داخل شیر با لوله ورودی متصل به شیر هم فشار گردد.
در شیرهایی که نشیمنگاه های آنها تحت تنش اولیه قرار گرفته اند فشار سیال حبس شده درون شیر ، باید بتواند بر تنش اولیه بین رینگ ورودی و ساچمه غلبه کند . اگراین پیش تنش توسط یک فنر ایجاد شود. فشار سیال حبس شده ممکن است . بتواند قبل از رسیدن به حد بحرانی رینگ نشیمنگاهی ورودی را کنار زده و فشار آزاد گردد.
ولی اگر قطعات نشیمنگاهی دارای ساختاری صلب و محکم باشند فشار داخل شیر به احتمال زیاد قادر به کنار زدن رینگ ورودی نخواهد بود. در اینگونه موارد در طرف دهانه ورودی شیر بر روی ساچمه یک سوراخ به طرف فضای داخلی شیر باید ایجاد کرد . که سپس فشار داخلی شیر با فشار لوله ورودی یکسان شود . در صورتی که در کاتالوگ یک شیر در مورد مسیر متعادل کننده فشار مطلبی ارائه نشده باشد . و احتمال می رود که فشار داخلی شر بالا رود باید با سازنده شیر در این باره مشورت کرد. که ایجاد یک مسیر متعادل کننده فشار در شیرهای ساچمه ای معمولا” رایج نیست و در شیرهای استاندارد وجود ندارد .
مگر در شیرهای ساچمه ای که در سیستم های برودتی به کارمی روند . در سیستمهای برودتی رینگ های نشیمنگاهی پلاستیکی به کار رفته در شیر سخت وصلب می شوند . به دلیل برودت و ممکن است در برابر فشار داخلی شیر که سعی در کنار زدن آن دارد مقاومت کند.
قطعه ضد الکتریسیته ساکن
وجود قطعات نشیمنگاهی پلیمری ممکن است . ساچمه شیر را نسبت به بدنه شیر از نظر الکتریکی ایزوله کند . بنابراین شاید لازم باشد شیرهای ساچمه ای را به قطعه ضد الکتریسیته ساکن مجهز نمود . که از پلانجرهای فنری تشکیل شده است . یکی از این پلانجرها در محل اتصال میله شیر به ساچمه و دیگری بین میله و بدنه شیر قرار می گیرند.
شیرهای توپی مقاوم در برابر آتش:
رینگ های نرم نشیمنگاهی به کار رفته در شیرهای ساچمه ای قا عدتا” در اثر حرارت ناشی از تماس طولانی شیر با آتش تخریب می شوند . اگر این شیرها در سیستم های حامل سیالات قابل اشتعال به کار روند باید آنها را طوری طرا حی کرد که تخریب رینگها باعث ایجاد نشتی داخلی و خارجی در شیر نشود. در بعضی شیرها قطعات آب بندی اضطراری در نظر گرفته می شود . تادر صورت تخریب قطعات آب بندی اصلی وارد عمل شوند.قطعات آب بندی کننده اضطراری ممکن است .
رینگهای فلزی لب تیز یا لب گرد باشند . که در نزدیکی ساچمه شیر نصب می شوند. به طوری که ساچمه بتواند پس از تخریب رینگ نشیمنگاهی پلیمری بر روی رینگ آب بندی اضطراری قرار گرفته و آب بندی مورد نیاز در شیر تا حدی برقرار شود . مجموعه واشرهای آب بندی که برای آب بندی میله شیر به کار می روند را می توان از جنس آزبست یا گرافیت انتخاب کرد که در برابر حرارت مقاوم باشند.
استانداردهای تست:
استانداردهای زیادی در مورد الزامات و تستهای ارزیابی عملکرد شیرهای ساچمه ای دارای قطعات نشیمنگاهی نرم که ممکن است در معرض آتش قرار گیرند تدوین شده است. از این میان سه استاندارد BS 5146 – API RP6F- API607 از بقیه مهمتر هستند.
استاندارد BS 5146 از سند OCMA FA VI اقتباس شده و این سند توسط شرکت Esso petroleum انگلستان تهیه شده است . طبق این استاندارد شیر در حالت باز آزمایش می شود . و از یک سیال قابل اشتعال برای انجام تست استفاده می گردد . این تست از آن جهت اهمیت دارد که فرض می شود .کارخانه ای دچار یک آتش سوزی واقعی شده در حالی که تعداد زیادی از شیرهای سیستم لوله کشی باز هستند . و باید پس از اطفای حریق بسته شوند . سازمانهای تدوین استاندارد در حال تهیه استاندارد های جهانی در این زمینه هستند.
علاوه بر بررسی اثر آتش بر شیرهای ساچمه ای در یک سستم حامل سیالات قابل اشتعال باید بر اثرات آتش بر بقیه اجزای موجود در سیستم از جمله شیرهای نوع دیگر پرسنل ، پمپها ، فیلترها ، مخازن فشار و البته فلنجها پیج و مهر ه ها و واشره های آب بندی مربوطه نیز توجه داشت . شیرهای ساچمه ای که تست های آتش را با موفقیت بگذارنند را شیرهای ایمن در برابر آتش (Fire – safe) می نامند.
شیرهای توپی چند راهه
بال ول ها نیز ممکن است همانند شیرهای توپی دار به صورت چند راهه ساخته شوند.
شیرهای ساچمه ای برای سیستمهای برودتی
از شیرهای ساچمه ای در سیستم های برودتی نیز می توان استفاده کرد . ولی طرح آنها باید بر اساس نیاز این سیستمها اصلاح گردد. یکی از جنبه های مهم طراحی در این زمینه ضریب انقباض رینهای نشیمنگاهی در دما های پایین است . ضریب انقباض این رینگ ها قاعدتا” بیشتر از بدنه و ساچمه شیر است . که معمولا” از فولادهای زنگ نزن ساخته می شوند . انقباض رینگهای نشیمنگاهی برروی ساچمه شیر دردماهای پایین سبب افزایش گشتاور مورد نیاز برای چرخاندن دسته شیر می شود . در بعضی موارد این انقباض آنقدر زیاد می شود که رینگ پاره خواهد شد.
این مشکل که در اثر اختلاف انقباض بین رینگ و ساچمه ایجاد می شود را می توان تاحدی با کاهش پیش تنش اولیه بین آن دو برطرف نمود . در واقع پیش تنش باید در اینگونه شیرها طوری محاسبه شود که در دمای کاری سیستم ( بردت زیاد ) تنش مناسبی بین رینگ نشیمنگاهی و ساچمه به وجود آید. این شیرها به احتمال زیاد در دمای محیط و در فشار کم سیال عبوری نمی توانند آب بندی خوبی ایجاد نمایند.
روش های دیگری که برای برطرف کردن مشکل اختلاف انقباضی بین رینگ و ساچمه در دماهای پایین به کار گرفته شده اند عبارتند از :
نصب کردن رینگهای نشیمنگاهی بر روی دیافراگمهای فلزی فنری استفاده از ماده ای برای رینگ نشیمنگاهی که انقباض کمتری نسبت به PTFE داشته باشد . مثلا گرافیت یا PTFE پر شده با کربن ساخت رینگها از فولاد زنگ نزن که رینگهای نازک PTFE بر روی آن نصب شده باشد.
رینگ های نشیمنگاهی پلاستیکی در برودت زیاد سخت و صلب می شوند . بنابراین لازم است سطح این رینگ ها کاملا صاف و پرداخت باشد . و فرم کروی ساچمه شیر نیز خیلی دقیق باشد تا بتوان مطمئن بود. که تماس نشیمنگاهی خوبی بین آن دو حتی در دما های پایین نیز برقرار است . به علاوه همانند شیرهای نوع دیگر شیرهای ساچمه ای را نیز در سیستم لوله کشی باید طوری نصب کرد که میله آن نسبت به حالت عمودی رو به بالا حداکثر تا 45 درجه منحرف شده باشد. بدین صورت می توان آز آب بندی موثر میله شیر است.
فرمهای مختلف بدنه شیرهای توپی:
برای دسترسی به داخل شیرهای ساچمه ای از روشهای مختلف استفاده می شود . به همین دلیل نیز فرمهای مختلفی در ساخت بدنه این شیرها به کار گرفته شده اند . بدنه یک تکه کمترین تعداد قطعات متصل به هم را دارد و در برابر تنشهای وارده از طرف سیستم لوله کشی کمتر آسیب پذیر است . بنابراین در سیستمهای که حامل سیالات خطرناک هستند غالبا” این فرم بدنه انتخاب می شود. اگر لازم باشد که شیر در زیر خاک نصب شود .
باید از شیری استفاده کرد .که بدنه آن کاملا آب بندی باشد Sealed – body)) در شیرهای با قابلیت دسترسی از بالا و در شیرهای با بدنه چند تکه امکان دسترسی به قطعات داخل شیر را حت تر است. در صورتی که شیر به روش جوشکاری در سیستم لوله کشی نصب شده باشد. و شیر از نوع قابل دسترسی از بالا باشد. می توان آن را در محل سرویس تعمیر نمود . انتخاب فرم بدنه شیرها به تجربیات و سلیقه اشخاص نیز بستگی دارد.[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]
بدون دیدگاه