آشنایی با شیرهای صنعتی
گلاب ولو از سری شیرهای خطی است که برای قطع و وصل، راه اندازی و تنظیم جریان سیال به کار می رود. در این مقاله به بررسی ساختار گلاب ولو، کاربرد، مزایا و معایب آن میپردازیم. در ساختار گلاب ولو یک دیسک در نظر گرفته شده است. دیسک می تواند به طور کامل از مسیر عبور سیال کنار برود یا اینکه مسیر عبور سیال را کامل ببندد.
در یک تعریف کلی می‌توان گفت که شیرهای صنعتی وسیله‌ای به منظور قطع و وصل جریان، تنظیم جریان، انحراف جریان، کنترل فشار و میزان جریان، کنترل ایمنی خطوط لوله و تجهیزات فرایندیاست . از همین روی استفاده صحیح از شیرها در مسیرهای لوله کشی بین تجهیزات و خطوط پایپینگ انتقالی از اهمیت بسزائی در پیش برد فرایندها برخوردار است.
اولین بار شیرهای صنعتی بصورت تخته‌های بالارونده برای قطع و وصل و تعیین مسیر آب در جویبارها و کانال‌های روباز مورد استفاده قرار گرفتند. با گذشت زمان و در پی صنعتی شدن، بشر توانست انواع مختلفی از شیرهای ساده و پیچیده را برای رفع احتیاجات خود ابداع نماید. تاکنون در دنیا شیرهای متنوعی با استانداردهای مختلف طراحی و ساخته شده اند. از آنجا که شیرها برحسب محل قرار گرفتن در خطوط لوله و مسیر سیالات مختلف در فرآیندهای شیمیایی ممکن است در فشارهای بالا و در محیط‌های خورنده تعبیه شده باشند، رعایت استانداردها ضروری می‌باشد. لذا همواره ضرورت آشنایی با تقسیم بندی، طراحی، ساخت، انتخاب، نصب، و بهره برداری از شیرها برای مهندسین لازم می‌باشد. از جمله استانداردهای پرکاربرد در این زمینه می‌توان به استاندارد ASME اشاره کرد که شیرها را در انواع مختلف دسته بندی کرده اند. شیرها را می‌توان در فشارهایی که از خلا شروع می‌شوند تا فشارهای بالا (psi ۱۳۰۰) مورد استفاده قرار داد. رایج ترین طبقه بندی شیرها بر مبنای پیشین فشار بدنه و نشیمنگاه و دیسک می‌باشد که برابر ماکزیمم فشاری است که اجزای شیر مخصوصا بدنه و سیت و پلاگ آن می‌توانند تحمل کنند.
جنس شیرهای صنعتی
در ساخت شیرهای صنعتی با توجه به کاربردشان از مواد و متریاهای مختلفی استفاده میشود که از آن جمله می‌توان به مواردی نظیر شیرهای ساخته شده با مواد پلی اتیلنی یا پی وی سی که برای خطوط انتقال آب یا اسید با فشار پایین مناسب هستند. شیرهای برنجی که برای خطوط انتقال آب و مواد نفتی در دما و فشار پایین مناسب هستند. شیرهای برنزی که برای خطوط انتقال آب و محلول‌های نمکدار و مواد نفتی با دمای زیر ۳۰۰ درجه سانتیگراد و فشار کمتر از psi ۲۵۰ کاربرد دارند. شیرهای چدنی که برای خطوط انتقال آب و مواد نفتی با دمای زیر ۲۵۰ درجه سانتیگراد مناسب هستند. همچنین برای دما و فشارهای بالا و در صورت سر و کار داشتن با مواد خاص مانند هیدروژن، اولئوم و یا گاز کلر، از فولاد با آلیاژهای مختلف نظیر استینلس استیل و مواد ویژه متناسب با شرایط سرویس کاری، در ساخت شیرها استفاده میشود.
در هنگام طراحی با انتخاب جنس مناسب، شیر را برای تحمل فشار معین تحت دمای کاری معین آماده می‌کنند و به آن کلاس کاری شیر می‌گویند. مثلا یک شیر کلاس ۱۵۰ در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد می‌تواند فشاری برابر psi ۱۵۰ یا حدود ۷/۱۰ اتمسفر را تحمل کند. این نکته را باید حتما بخاطر داشته باشید که تحمل فشار یک شیر با تغییر دما، تغییر می‌کند. به عنوان مثال همین شیر در دمای ۵۰ درجه سانتیگراد تنها فشاری معادل psi ۴۱ را تحمل می‌کند. بنابراین فشار تحمل شیرهای صنعتی بسته به دمای کارکرد شیر می‌تواند بیشتر، مساوی، و یا کمتر از کلاس شیر باشد. به همین منظور در کتابچه راهنمای شیر، جداولی وجود دارد که میزان تحمل فشار شیر در دماهای مختلف را بیان می‌کند. این جداول بر حسب نوع شیرها در اسانداردهای API و یا ASTM قابل مشاهده است.
معمولا شیرها در کلاس‌های استاندارد و متداول ۱۵۰، ۳۰۰، ۶۰۰، ۹۰۰، ۸۰۰، ۱۵۰۰، ۲۵۰۰، تولید می‌شوند. ممکن است همه اجزای شیر دارای جنس یکسان نباشند، چرا که برخی از آنها در معرض سایش و خوردگی و دیگر عوامل مخرب قرار دارند. به همین دلیل آنها را از جنس مناسب تری می‌سازند و در مواقع لزوم تعویض می‌شوند. به قطعات داخلی شیر که در تماس مستقیم با سیال سرویس هستند و همچنین قابل تعویض می‌باشند در اصطلاح Trim می‌گویند. برای مثال اجزایی مانند ساقه و بند آور و نشیمنگاه، Trim به حساب می‌آیند. همچنین میتوانید در این مقاله مواردی از ساختار ولو را مشاهده کنید.
بطور کلی می‌توان گفت عواملی نظیر مشخصات سیال عبوری، درجه حرارت و فشار کاری سیستم، حجم شیر و اندازه لوله، نوع کاری که شیر باید انجام دهد، مقاومت در برابر خورندگی (Corrosion) و ساییدگی (Erosion)، متریال و مواد سازنده شیر، و همچنین نقشه لوله کشی در انتخاب نوع شیر موثر می‌باشند.
کاربرد شیرهای صنعتی
مواردی از کاربرد شیرهای صنعتی عبارتند از:
- قطع و وصل کامل جریان موجود در خط انتقال
- انفصال و از مدار خارج نمودن قسمتی از دستگاه‌های موجود در سیستم انتقال سیال
- تنظیم و کنترل نمودن میزان مورد نیاز دبی سیال عبوری
- تنظیم و کنترل نمودن فشار دستگاهها و گاز موجود در خطوط لوله
- ممانعت از برگشت سیال عبوری از خط لوله
- تنظیم و حفظ ایمنی دستگاهها و تجهیزات تحت فشار
- تنظیم سطح مایعات در مخزنها مانند شیرهای مجهز به شناور
عملکرد شیرهای صنعتی از نظر نحوه ی بکارگیری در عبور جریان
بر این اساس شیرها به سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:
On / Off: این شیرها می‌بایست یا بصورت کاملا باز و یا بصورت کاملا بسته مورد استفاده قرار گیرند. از این شیرها نباید در حالت نیمه باز بکار گرفته شوند.
Control: از این شیرها به منظور کنترل میزان دبی جریان عبوری استفاده میشود، لذا این شیرها را می‌توان بصورت نیمه باز مورد استفاده قرار داد.
Direction: این شیرها بصورت یک جهته، دو جهته و یا چند جهته قابل نصب می‌باشند و در آنها جهت مسیر جریان حائز اهمیت می‌باشد. این شیرها خود به سه دسته تقسیم می‌شوند.
عملکرد شیرهای صنعتی از نظر جهت عبور جریان
بر این اساس شیرها به سه دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:
- Bi – Directional: این شیرها را می‌توان از هر دو طرف بر روی خط نصب کرد.
- Uni – Directional: این شیرها را می‌توان تنها از یک طرف بر روی خط نصب نمود و جهت نصب شیر توسط سازنده و به شکل پیکانی بر روی بدنه نشان داده میشود. جهت پیکان می‌بایست مطابق جهت جریان سیال باشد. این شیرها در صورت نصب اشتباه کارایی و عملکرد خود را از دست داده و دچار خرابی می‌شوند و ممکن است که جریان عبوری از آنها باعث جدا شدن قطعه‌ای از شیر گردیده که توسط سیال حمل و سبب آسیب رسیدن به تجهیزات پایین دستی گردد.
- Multi – Directional: این شیرها بصورت چند جهته بوده و برای تعیین مسیر سیال در جهات مختلف استفاده می‌شوند و معمولا بصورت شیر توپی ساخته می‌شوند.
عملکرد شیرها از نظر سطح مقطع عبور جریان
با توجه به میزان عبور سیال از یک شیر، این تقسیم بندی شامل سه دسته زیر میشود:
- Full Port: در این شیرها سطح مقطع عبور سیال در طول آنها معادل قطر نامی لوله متصل شده به شیر است.
- Standard Port: در این شیرها سطح مقطع جریان عبوری تنها یک سایز کوچکتر از قطر نامی لوله متصل شده به شیر است.
- Reduce Port: در این شیرها دهانه سطح مقطع عبور جریان بیش از یک سایز کوچکتر از قطر نامی لوله متصل شده به شیر می‌باشد.
عملکرد شیرها از نظر نوع حرکت عامل تنظیم جریان
بر این اساس شیرها به دو دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:
شیرهای با حرکت خطی (Linear Motion Valves)
در این شیرها عامل تنظیم جریان در داخل شیر بصورت حرکت خطی بالا یا پایین میشود. عضو مسدود کننده این شیرها با یک حرکت خطی به سمت بالا و پایین باعث باز پا بسته شدن شیر میشود که معمولا بصورت عمودی می‌باشد. روش باز و بسته شدن این شیرها به این صورت است که قطعه‌ای به نام محور (ساقه) نیروی خارجی را به دیسک وارد نموده و آنرا جابجا مینماید. این عامل خارجی می‌تواند از طریق نیروی دست اپراتور و یا یک فعال کننده انجام شود. بسیاری از شیرها که در صنایع مختلف به کار می‌روند از این دسته شیرها هستند. به عنوان مثال می‌توان به شیرهای دروازه ای، کروی، پیستونی، دیافراگمی و شیر فشاری اشاره نمود.
شیرهای صنعتی با حرکت چرخشی (Rotary Motion Valves)
عضو مسدود کننده جریان در این شیرها با چرخش حول محور عمودی شیر، مسیر عبور سیال در جریان را باز و یا بسته مینماید. سطح مقطع این دیسک‌ها معمولا دایره‌ای شکل می‌باشد و در موارد خاص ممکن است بخشی از کمان یک دایره باشد. بنابراین دیسک می‌تواند بشکل یک استوانه، مخروط، و یا کره باشد. این دسته شیرها معمولا با یک چرخش ۹۰ درجه باز یا بسته می‌شوند و به همین علت به آنها Quick Opening می‌گویند. بطور کلی به شیرهایی که با یک چهارم چرخش فلکه دستی، باز یا بسته می‌شوند Quarter Valve می‌گویند. تقریبا کلیه شیرهای خطوط لوله انتقال گاز از این دسته هستند. به عنوان مثال می‌توان به شیر توپی، شیر مخروطی و شیر پروانه‌ای اشاره نمود.
عملکرد شیرهای صنعتی از نظر نوع مکانیزم عملکرد
بر این اساس شیرها به سه گروه شامل شیرهای دستی (Manual Valves)، شیرهای با محرک الکتریکی یا پنوماتیکی یا هیدرولیکی (Control Valves)، و شیرهای اتوماتیک یا خودکار (Automatic Valves) تقسیم می‌شوند که در ادامه معرفی می‌گردند.
الف. شیرهای دستی: به شیرهایی که در آنها نیروی مورد نیاز برای به کار انداختن شیر توسط انسان تامین میشود شیر دستی می‌گویند. این شیرها عمدتا برای قطع و وصل جریان، کنترل و انحراف جریان به کار می‌روند. شیرهایی که دارای اندازه کوچکتر هستند معمولا گشتاور پایین تری دارند و محور متصل به دیسک آنها با گشتاور پایین تری قابل چرخش و یا جابجایی است. بنابراین بدون نیاز به تجهیزات خاص و با یک آچار مناسب که توسط یک کوپلینگ به محور شیر وصل شده، شیر قابل باز یا بسته شدن می‌باشد.
شیرهای دستی، بر حسب نوع حرکت قطعه متحرک در درون شیر به چهار گروه زیر تقسیم می‌شوند:
- شیرهای انسداد محوری: در این شیرها جهت حرکت قطعه متحرک، موازی جهت جریان است، نظیر شیرهای پیستونی
- شیرهای کشویی: قطعه متحرک مانند یک دریچه عمود بر جهت جریان حرکت می‌کند. نظیر شیرهای دروازه ای
- شیرهای گردان: قطعه متحرک را یک توپی یا صفحه دیسک تشکیل می‌دهد که این قطعه با چرخش حول محور ساقه شیر، باعث قطع و وصل جریان میشود. نظیر شیرهای تویی و پروانه‌ای
- شیرهای انعطافی: قطعه متحرک با خم کردن یک عضو انعطاف پذیر درون شیر، جریان را قطع و وصل می‌کند. نظیر شیرهای دیافراگمی
ب- شیرهای کنترلی با محرک الکتریکی، پنوماتیکی و هیدرولیکی: محرک دستگاهی است که بوسیله نیروی برق یا هوا و یا مایعات روغنی، شیر را باز یا بسته می‌کند. شیرهای با محرک الکتریکی یا شیرهای برقی (Solenoid valve) با نیروی برق، شیرهای پنوماتیکی توسط هوا، و شیرهای هیدرولیکی بوسیله انرژی مایعات و روغن هیدرولیک بکار انداخته می‌شوند.
در برخی از موارد به دلایل ایمنی لازم است که شیر به سرعت باز یا بسته شود، لذا برای عملکرد سریع در این شیرها از محرک الکتریکی یا پنوماتیکی یا هیدرولیکی استفاده میشود، به این شیرها در اصطلاح Emergency Shut off Valve و یا به اختصار ESV می‌گویند.
ج. شیرهای اتوماتیک با خودکار: این دسته از شیرها نیاز به نیروی خارجی ندارند و نیروی سیال میزان باز یا بسته بودن آنها را تنظیم می‌کند. شیرهای فشار شکن، شیرهای یک طرفه، شیرهای کنترل سطح آب در مخازن از جمله شیرهایی هستند که در این دسته قرار می‌گیرند. بدیهی است که هر چه سرعت سیال بیشتر باشد میزان باز شدن شیر نیز بیشتر خواهد بود و بالعکس. البته تا زمانیکه فشار بالا دست بیشتر از فشار پایین دست باشد دریچه شیر باز خواهد ماند و به محض برابری و یا کمتر شدن فشار بالا دست از پایین دست شیر، دریچه آن بسته میشود.
بطور کلی در شیرهای خودکار، باز یا بسته بودن شیر وابسته به هیچ عامل خارجی نبوده و تنها به سیال در جریان و نیروی اعمال شده از طرف آن به دیسک شیر بستگی دارد. این شیرها خود به دو گروه زیر تقسیم می‌شوند:
- شیرهایی که انرژی سامانه مستقیما به شیر وارد میشود تا عمل مورد نظر را انجام بدهد مانند شیرهای یک طرفه معمولی و شیرهای شناور (فلوتر) کوچک.
- شیرهایی که انرژی سامانه به طور مستقیم برای به کار انداختن شیر کافی نیست و در نتیجه از سامانه پیلوت برای تقویت نیروی مورد نیاز شیر استفاده میشود. در این شیرها سامانه پیلوت مانند مغز شیر عمل می‌کند و شیر اصلی از فرمان‌هایی که از سامانه پیلوت صادر میشود، تبعیت می‌کند. مانند شیرهای فشار شکن، شیرهای اطمینان پیلوت دار و شیرهای کنترل سطح آب در مخازن.
نکته: شیرهای اتوماتیک (خودکار) را نباید با شیرهای کنترلی یا شیرهای با فعال کننده‌های اتوماتیک اشتباه گرفت زیرا همانگونه که ذکر شد در شیرهای کنترلی یک عامل خارجی در باز یا بسته شدن شیر موثر است و آن به گشتاور خروجی فعال کننده (محرک) مربوط می‌باشد. در صورتی که در شیرهای اتوماتیک، نیروی سیال میزان باز یا بسته بودن شیر را تعیین می‌کند.
عملکرد شیرهای صنعتی از نظر نوع راه اندازی و بکارگیری (Operation)
بطور کلی باز و بسته کردن اغلب شیرها توسط نیروی انسانی انجام می‌گیرد. در مواقعی که نیروی انسانی نتواند و یا مکان بهره برداری این امکان را فراهم نکند که از نفر استفاده گردد، شیرها توسط عواملی دیگر راه اندازی می‌شوند که در ذیل به انواع آنها اشاره میشود:
Motor Operator
در مواقعی که سایز شیرها بسیار بزرگ باشد و باز و بسته کردن آنها توسط نیروی دست امکان پذیر نباشد از نیروی برق و به کمک یک موتور برقی جهت بکارگیری شیرها استفاده می‌گردد که به این حالت Motor Operator می‌گویند. این شیرها بیشتر از نوع پروانه‌ای هستند اما بصورت سفارشی و با توجه به نیاز خریدار در انواع دیگر نظیر شیر توپی و دروازه‌ای نیز تولید می‌گردند.
Air Operator
در مواقعی که با توجه به محیط بهره برداری استفاده از موتور برقی ممکن است باعث آتش سوزی گردد، از هوای فشرده جهت بکارگیری شیرها استفاده میشود که به این حالت Air Operator می‌گویند.
Remote Control Operator
در مکان‌هایی خاص از شرایط بهره برداری جهت بکارگیری شیرها از دستگاه فرمان از راه دور استفاده میشود که به این حالت Rernote Control Operator می‌گویند.
Chain Operator
در مواقعی که شیر در ارتفاع قرار گرفته و دسترسی به آن از روی زمین ممکن نیست، از دستگاه زنجیر و چرخ جهت بکارگیری شیرها استفاده می‌گردد که به این حالت Chain Operator می‌گویند.
Gear Operator
در مواقعی که حرکت ساقه احتیاج به نیروی زیاد دارد می‌توان بدون استفاده از موتور از چرخ دنده استفاده کرد که به این حالت Gear Operator می‌گویند.
انواع شیرهای صنعتی پرکاربرد
اسامی انواع شیرهای پرکاربرد در صنعت به شرح زیر بوده و یا در این مقاله بررسی شده است:
- شیر دروازه‌ای (Gate Valve)
- شیر توپی (Ball Valve)
- شیر مخروطی (Plug Valve )
- شیر کروی (Globe Valve)
- شیر سوزنی (Needle Valve)
- شیر پروانه‌ای (butterfly valve)
- شیر دیافراگمی (Diaphragm Valve)
- شیر یک طرفه (Non Return or Check Valve)
شیر دروازه‌ای (Gate Valve )
عمل اصلی این شیر در حقیقت قطع کامل و یا ایجاد ارتباط بین دو جریان سیال می‌باشد. این بدان معناست که این نوع شیرها یا بایستی کاملا بسته و یا کاملا باز باشند و در واقع بصورت نیمه باز نمی‌توان از آنها استفاده کرد. زیرا با اینکار در شیر لرزش ایجاد شده و خوردگی دیسک و نشیمنگاه را به همراه دارد. بدین ترتیب عمر بهره برداری آن به شدت کاهش خواهد یافت. همینطور که از نام این شیر مشخص است به کمک دروازه‌ای که در مسیر حرکت سیال قابل تغییر مکان دادن می‌باشد عمل مینماید که این دروازه به صورت عمودی در مسیر جریان حرکت کرده و جریان را قطع و یا برقرار می‌کند. همچنین میتوانید در این مقاله بیشتر با گیت ولو آشنا شوید.