آشنایی با شیرآلات

شیرآلات چیستند؟

شیرآلات ادواتی هستند که جریان و فشار سیال را در یک سیستم یا فرایند کنترل مینمایند. آنها اجزاء ضرروری در یک خط لوله جهت انتقال مایعات، گازها، بخار، دوغاب ها و غیره میباشند. برخی از انواع مختلف شیرآلات عبارتند از: شیرآلات پروانه ای Butterfly valves ، شیرهای یکطرفه Check valves ، شیرآلات دیافراگمی Diaphragm valves شیرهای پینچ Pinch Valves ، شیرهای اطمینان Safety valves ، شیرهای کنترل control valves ، و بسیاری دیگر از انواع مختلف شیرآلات موجود است که هر یک از نظر شکل ظاهری و عملکرد و قابلیت کاملا متفاوت میباشند. برخی از شیرآلات از نظر عملکرد خودکار میباشند و برخی دیگر بصورت دستی و یا بوسیله یک عملگر Actuator بادی، هیدرولیکی و یا برقی کنترل و باز و بسته میگردند.

عملکرد شیرآلات در زیر گفته شده ولی شاید محدود به اینها نباشد

  • قطع و وصل جریان
  • افزایش و کاهش جریان
  • کنترل و هدایت جهت یک جریان
  • تنظیم یک جریان یا فرایند فشار
  • خلاص نمودن خط لوله از یک فشار معین

 

شیرآلات صنعتی در طرح ها و انواع مختلف و مدل های بسیار متنوع با کاربری های مختلف صنعتی وجود داردند که همگی حسب مورد نیاز یک یا بیشتر عملکردهای شناخته شده بالا را تامین مینمایند. شیرآلات معمولا اقلام گران قیمتی بوده و بسیار حایز اهمیت میباشد که شیر انتخابی دقیقا بر اساس عملکرد مورد نیاز انتخاب گردد همچنین باید در انتخاب شیر دقیقا به جنس شیر متناسب با نوع سیال توجه داشت.

صرف نظر از نوع، تمامی شیرهای دارای قطعات اساسی زیر مانند بدنه، کلاهک، قطعات داخلی Trim ، عملگرها، و مکانیسم آببندی Packing میباشد.

قطعات اساسی یک شیر در تصاویر زیر توضیح داده شده است.

بدنه شیر

بدنه شیر گاهی اوقات پوسته نیز نامیده میشود که محدود کننده اولیه فشار در شیرآلات میباشد که یکی از وظایف اصلی آن به عنوان چارچوبی جهت مونتاژ دیگر قطعات شیر بر روی آن میباشد. بدنه شیر، اولین عضو اصلی مقاومت کننده در برابر فشارهای داخلی و خارجی سیال در خطوط لوله و نیز از طریق اتصالات رزوه ای، پیچ ها ، یا اتصالات جوشی میباشد. انتهای بدنه شیرآلات بگونه ای طراحی میگردند که شیر را به لوله یا دیگر تجهیزات خط لوله و انواع دیگر اتصالات مانند: اتصالات رزوه ای ، اتصالات فلنجی متصل نماید. بدنه شیرآلات با روش ریختگری و یا فورج و در انواع و اشکال مختلف تولید میگردند که هر جزء دارای ویژگیها و عملکردهای مختلفی میباشد و جنس های شیرآلات نیز بسته به نوع سیال و عملکرد آن کاملا متناسب میباشد.

 

 

کلاهک شیر

درپوشی است برای بستن قسمت های باز روی شیر و دومین عضو مهم مهار کننده فشار سیال در محفظه شیر کلاهک میباشد. مانند بدنه شیر کلاهک نیز در طرح ها و مدل های گوناگون در دسترس میباشد.یک کلاهک به عنوان پوشش روی بدنه شیر عمل میکند و آن نیز از همان جنس بدنه شیر ریخته و یا فورج میگردد و بطور معمول توسط پیچ و یا روزه و یا جوش به بدنه شیر متصل میگردد. در خلال تولید شیرآلات ، قطعات داخلی مانند میل محور ، دیسک و غیره در داخل بدنه شیر قرار گرفته و سپس کلاهک روی بدنه کارگذاشته میشود و تمامی قطعات داخلی را نگه میدارد.

در تمامی موارد ، محدوده اتصال کلاهک به بدنه به عنوان یک محدوده فشار در نظر گرفته میشود. این بدان معناست که اتصال کلاهک توسط جوش و یا پیچ به بدنه جزء قطعات نگهدارنده فشار محسوب میگردند. کلاهک ها میتوانند تولید شیر را پیچیده تر کنند؛ اندازه شیر را افزایش دهند، بیانگر بخش قابل توجهی از تولید یک شیر و نیز یک منبع بالقوه نشت باشد.

قطعات داخلی شیر Valve Trim

Trim به قطعات جمعی و قابل تعویض داخلی یک شیر گفته میشود. بصور معمول Trim شامل ، دیسک، نشیمنگاه، میل محور، و غلاف هایی است که برای راهنمایی میل محور کاربرد دارد. عملکرد یک شیر بوسیله دیسک و نشیمنگاه و ارتباط آن با موقعیت دیسک تعیین میگردد. حرکات اصولی و کنترل جریان به دلیل وجود (قطعات داخلی ) Trim میباشد . در حرکات دورانی ، قطعات داخلی بگونه ای طراحی میشوند که دیسک درمجاورت نشیمنگاه میلغزد و یک تغییر در را در هنگام باز شدن موجب میشود. در حرکات خطی ، قطعات داخلی بگونه ای طراحی میگردند که دیسک بصورت عمودی از نشیمنگاه دور(بلند) شده و موجب پدید آمدن روزنه ای حلقوی میگردد.

 

دیسک شیرآلات و نشیمنگاه (ها)

 

 

بسته به موقعیت ، یک دیسک قطعه ای است که اجاز باز شدن یک دریچه و یا مسدود نمودن جریان را فراهم میکند. در شیرهای Plug یا Ball valve دیسک دیگر دیسک نامیده نمیشود بلکه به آن Plug گوه یا توپ Ball میگویند. دیسک سومین و مهمتری قطعه اولیه در محدود نمودن فشار و آببندی میباشد. در هنگامی که شیر بسته میباشد تمامی فشار خط بر روی دیسک اعمال میگردد و به همین دلیل یک دیسک جزء قطعات اصلی مهار کننده فشار میباشد. دیسک ها معمولا فور میشوند و در برخی موارد حسب طراحی ها سطوح دیسک ها سخت کار شده و ویژگیهای پوششی خوبی دارند که بیشتر شیرآلات توسط نوع طراحی دیسک آنها شناخته میشوند. مثلا شیر پروانه ای، شیر دروازه ای، شیرتوپی و غیره...

نشیمنگاه (ها) Seats

نشیمنگاه یا رینگهای آببندی یک سطح آببندی مناسبی را برای یک دیسک فراهم میکنند. یک شی ممکن است بر اساس عملکرد و طراحی یک یا دو رینگ یا محل نشیمنگاه آببندی داشته باشد. در مورد شیرآلات سوپاپی Globe valve یا یک شیر یکطرفه مدل آونگی swing-check valve تنها یک رینگ برای آببندی و توقف جریان وجود دارد ولی در مورد یک شیر دروازه ای دو عدد رینگ آببندی وجود دارد ، یکی در سمت جریان بالا دستی و دیگری در سمت جریان پایین دستی . دیسک یک شیر دروازه ای دارای دو سطح آببندی میباشد که با رینگهای آببندی تماس سطحی پیدا نموده و یک آببندی دقیق را شکل میدهد. به منظور بهبود مقاومت سایشی رینگهای آببندی ، سطوح آنها معمولا سختکاری میگردند و بوسیله جوشکاری به بدنه متصل و سپس ماشینکاری میگردند. یک سطح آببندی دقیق که با روش سنگ کاری و سمباده زنی بدست میآید که برای یک آببندی دقیق و قابل اعتماد در هنگام بسته بودن شیر مورد نیاز است و صرفا با ماشینکاری حاصل نمیشود. رینگهای آببندی معمولا به عنوان قطعات محدود کننده فشار در نظر گرفته نمیشوند زیرا در طراحی بدنه شیرآلات ، ضخامت کافی برای استقامت در برابر فشار در نظر گرفته شده است و تکیه بر ضخامت رینگهای آببندی لازم نیست.

میل محور شیر – شافت (Stem)

میل محور شیر، حرکات لازم برای جابجایی شیر و یا پلاگ و یا توپی را برای باز و بسته نمودن شیرآلات فراهم میکنند و نیز مسئولیت جهت گیری و نگهداری موقعیت یک دیسک را بر عهده دارند. میل محور از یک طرف به سرفلکه Hand wheel ، عملگر Actuator و دسته Lever متصل و از طرف دیگر به دیسک متصل میگردد. در شیرآلات دروازه ای و شیرآلات سوپاپی یک حرکت خطی دیسک موجب باز و بسته شدن شیر شده در صورتی که در شیرآلات توپی Ball valve و شیرآلات پروانه ای Butterfly Valves دیسک برای باز و بسته نمودن شیر می چرخد. میل محور ها معمولا فورج شده و یا از شمش های استاندارد کارخانه ای ساخته میشوند و بوسیله رزوه و یا سایرتکنیکها به دیسک متصل میگردند. برای جلوگیری از نشت در ناحیه سطوح آببندی میل محور لازم است که یک سطح صاف و سنگ خورده بر روی میل محور اعمال گردد. پنج نوع آببندی برای میل محور ها وجود دارد:

  • قسمت رزوه شده میل محور در داخل بدنه شیرو محل آببندی و صاف آن که در طول قسمت صاف واقع شده و در بیرون و فضای آزاد قراردارد، در این مورد رزوه های میل محور در ارتباط با سیال قراردارند. هنگامی که میچرخند میل محورو سرفلکه برای باز نمودن شیر با یکدیگر صعود کرده و بالا میروند .

 

  • میل محور صعودی با Yoke (فلنج میل محور) و پیچهای بیرونی Rising Stem with Outside Screw and Yoke

بخش بیرونی میل محور رزوه شده است در صورتی که قسمت صاف بدون رزوه آن در داخل شیر میباشد. رزوه های میل محور در برابر جریان سیال بوسیله پکینگهای یوک(1) آببندی شده است که این پکینگها معمولا از نخ های نسوز یا واشرهای گرافیتی و یا آزبست و یا PTFEساخته شده اند. دو نوع از این طرح ها در دسترس میباشد؛ نوع اول که سرفلکه به میل محور متصل شده که هر دو آنها در هنگام باز کردن شیر با هم به بالا صعود میکنند که به آن میل محور غیر صعودی میگویند(Non Rising Stem) و نوع دیگر که سر فلکه متصل به یک مهره رزوه شده میباشد که میل محور از میان آن عبور نموده و موجب بالا رفتن میل محور از میان سرفلکه میگردد که بدین صورت در هنگام باز و بسته شدن شیر ، سر فلکه پایین مانده و میل محور به طرف بالا و یا پایین حرکت میکند. این نوع از شیرها با حروف اختصاری “O.S.&Y.” شناخته میشوند که معمولا از سایز 2" و بالاتر میباشند.از مزیت های شیرهای با میل محور صعودی Rising Stem میتوان به این نکته اشاره نمود که در خطوط لوله با یک نگاه از دور میتوان فهمید که کدام شیر باز و کدام بسته است.

  • · شیربا میل محور صعودی با پیچ داخلی Rising Stem with Inside Screw

در این نوع شیر قسمت رزوه شده میل محور در داخل بدنه شیر قرار گرفته و پکینگ میل محور در امتداد قسمت صاف و بدون رزوه در معرض اتمسفر و بیرون از تنه شیر قرار دارد. در این نوع شی ، رزوه های میل محور در تماس با جریان سیال میباشد. درحالت با شدن و هنگام گردش میل محور سر فلکه نیز به همراه میل به سمت بالا حرکت مینماید.

 

  • · شیر با میل محور غیر صعودی با پیچ داخلی Non Rising Stem with Inside Screw

قسمت رزوه شده میل در داخل بدنه شیر قراردارد و صعود نمیکند. دیسک شیر در امتداد میل محور حرکت میکند ، مانند یک مهره که در درون یک پیچ بچرخد. رزوه های میل محور در معرض جریان سیال میاشند و بدین ترتیب تحت تاثیر قرار میگیرند؛ به همین خاطر است که این نوع شیرها در موقعیت های که فضا اجازه حرکت های خطی را نمیدهد مورد استفاده قرار میگردد. در این شیرها جریان سیال بر روی جنس میل محور اثرات خورگی و فرسایش و سایش ایجاد نمیکند

  • · میل محور کشویی Sliding Stem

میل محور این شیرآلات چرخش و دورانی ندارد و بصورت کشویی به بالا و پایین حرکت نموده و موجب باز و بسته شدن شیر میگردد. این نوع از طراحی در شیرآلات با عملکرد دستی که بصورت سریع توسط دسته باز و بسته میگردند استفاده میشود. همچنین در شیرهای کنترل که توسط سیلندرهای هیدرولیک و یا پنوماتیک باز و بسته میشوند کاربرد دارد.

  • · میل محور دورانی Rotary Stem

این نوع عموما در مدل شیرهای توپی و شیرهای پلاگ و شیرهای پروانه ای استفاده میگردد که با یک چرخش 4/1 دورمیل محور، شیرآلات را باز یا بسته مینماید. در منوی اصلی " شیرآلات " شما میتوانید برخی از لینک های مربوط به تصاویر بزرگ شیرآلات با میل محور صعودی و غیر صعودی را مشاهده نمایید.

میل محور و پکینگ شیرآلات

برای یک آببندی مطمئن بین میل محور و کلاهک شیر یک گسکت مورد نیاز میباشد. به این پکینگ میگویند و معمولا برای مثال با اجزاء زیرنصب میگردد.

  • دنباله گلند ، Gland Followerفلنج کوچکی که پکینگ در محفظه میل محور فشرده مینماید.
  • مقر انباشت ، Stuffing boxمحفظه ایست که در آن نخ های آببندی فشرده شده و موجب آببندی میل با کلاهک میگردد
  • پکینگ ؛ Packing با اجناس متنوعی مانند تفلون و الاستورها و فیبرها و غیره تولید میگردند
  • یک رینگ پشتیان Back Seatرینگی (معمولا مهره داخل سوراخ )است که چیدمان نشیمنگاه داخل کلاهک را مرتب و میل محور را در مقر خود نگه میدارد و موجب آببندی مابین میل محور و کلاهک شده و از نشت سیال و فشار داخل محفظه داخلی شیر در هنگامی که شیر کاملا باز است جلوگیری مینماید. رینگ پشتیبان Back seat اغلب در شیرآلات دروازه ای و سوپاپی بکار میرود
  • یکی از جنبه های مهم طول عمر شیرآلات سرهم بندی مکانیسم آببندی است. تقریبا تمامی شیرها ی استاندارد مانند شیرآلات توپی ، سوپاپی، دروازه ای، پلاگ ، و شیرهای پروانه ای دارای مکانیسم آببندی خودشان که بر اساس نیروهای برشی و اصطحکاک و پارگی میباشد طراحی میگردند. از این رو بسته بندی شیرآلات میباید بصورت کاملا صحیح انجام شده که مانع از خسارات و صدمات به میل محور شده که از نشت گاز و سیال جلوگیری نماید. هنگامی که پکینگ شل باشد شیر نشت خواهد کرد و چنانچه پکینگ بیش از حد سفت باشد بر روی حرکات میل محور تاثیر داشته و موجب بالا رفتن نیروهای خطی یا گشتاور و نیز صدمات احتمالی به میل محور میگردد

سرهم بندی مکانیسم آببندی

 

Yoke and Yoke Nut

Yoke

یوک بدنه شیر یا یک کلاهک را به مکانیسم عملگر متصل میکند. در قسمت بالایی یک یوک یک مهره وجود دارد که میل محور و پکینگ و یا بوش های آببندی را به یکدیگر فشرده میسازد. یک یوک معمولا با باز شده اجازه دسترسی به سایراجزا مانند مقر آببندی وارتباطات عملگر و غیره را میدهد از نظر ساختاری یک یوک باید آنقدر قوی باشد که بر نیروها و حرکات و نیروی گشاور که توسط علگر اعمال میگردد مقاومت نماید.

 

Yoke Nut

یک مهره یوک یک مهره داخل رزوه میباشد که در بالای یک یوک قرار گرفته که میل محور از میان آن عبور داده کرده است . بطور مثال در یک شیر دروازه ای Gate Valve مهره یوک میچرخد و میل محور به سمت بالا یا پایین حرکت مینماید. در مورد شیرآلات سوپاپی Globe Valve ، مهره مهره ثابت است و میل محور به اتکا آن میچرخد.

 

  • عملگر شیر Valve Actuator

شیرآلات با عملکرد دستی معمولا توسط یک سرفلکه که به میل محور شیر یا مهره یوک متصل است با چرخش هم جهت با عقربه های ساعت و یا غیر همسو با عقربه های ساعت موجب باز و بسته شده شیرآلات میگردند. شیرآلات سوپاپی و دروازه ای بدین صورت باز و بسته میشوند. شیرهای دستی که با حرکت دورانی 4/1 دور باز و بسته میگردند مانند شیرهای توپی ، و پلاگ ولوها یا شیرهای پروانه ای دارای یک دسته برای باز و بست شیر میباشد. در مواقعی که باز و بست شیرآلات با دسته و سرفلکه مقدور نیست تجهیزات خاصی برای این کار طراحی و ساخته شده است. این تجهیزات شامل:

  • شیرآلات بزرگی که میباید با نیروی بالای هیدرولیک عمل کنند.
  • شیرآلاتی که میباید از موقعیت های دور عمل کنند.
  • هنگامی که زمان برای باز و بسته نمودن و کنترل دستی یک شیر زمان بیشتری نسبت به معیارهای زمان طراحی می طلبد

این شیرآلات معمولا مجهز به یک عملگر یا محرک Actuatorمیشوند.

یک عملگر یا محرک در یک تعریف گسترده وسیله ایست که حرکات خطی و دورانی را با استفاده از یک منبع تغذیه ایجاد و کنترل مینماید. عملگرهای اصلی برای باز کردن کامل و بسته نمودن کامل یک شیر استفاده میگردند . برای حرکت در هر یک از موقعیت های میانی به عملگرها برای کنترل یا تنظیم شیرها یک سیگنال موقعیت داده میشود که آنها را قادر میسازد در هر نقطه که لازم است حرکت تدریجی داشته باشد. انواع و مختلفی و کثیری از عملگرها وجود دارد اما آنهایی که در زیر یاد شده جزء معمول ترین عملگرهای شیرآلات میباشد.

  • عملگرهای گیربکسی
  • عملگرهای موتور الکتریکی
  • عملگرهای پنوماتیکی
  • عملگرهای هیدرولیکی
  • عملگرهای سولنوئیدی

برای اطلاعات بیشتر در باره عملگرهای به قسمت منوی اصلی " شیرآلات " – عملگرهای شیرآلات مراجعه نمایید.

طبقه بندی شیرآلات صنعتی

در زیر برخی ازطبقه بندی شیرآلات معمول بر اساس حرکت های مکانیکی آورده شده است

  • شیرآلات با حرکات خطی.Linear Motion Valves شیرالاتی هستند که در آنها جزء مسدود کننده آنها مانند شیر دروازه ای، شیر سوپاپی، شیر دیافراگمی، شیرپینچ و شیرهای یکطرفه وزنه ای در یک حرکت مستقیم حرکت نموده و موجب بازو یا انسداد جریان درشیرالات میشود.
  • شیرآلات با حرکات دوار. Rotary Motion Valves هنگامی که جزء مسدود کننده شیر به موازات و در طول یک زاویه و یا یک مسیر دورانی حرکت میکند مانند شیرآلات پروانه ای ، شیرآلات توپی، شیرآلات پلاگ، شیرهای خارج مرکزEccentric و آونگی Swing یکطرفه . این شیرها به شیرهای با حرکات دورانی معروف میباشند.
  • شیرهای ربع گرد Quarter Turn Valves

شیرآلات ربع گرد یا 4/1 دوران ، Quarter Turnشیرهایی هستند که برای باز و بسته شدن تقریبا نیاز به یک چهارم حرکت دورانی میل محور شیر دارند که از صفر درجه تا نود درجه حرکت نموده و شیررا کاملا باز و یا بالعکس باز مینمایند

 

طبقه بندی شیرآلات بر اساس حرکت

حرکت ربع گرد

حرکت دورانی

حرکت خطی

نوع شیر

خیر

خیر

بله

شیر دروازه ای

خیر

خیر

بله

شیر سوپاپی

بله

بله

خیر

شیر توپی

بله

بله

خیر

شیر پلاگ

بله

بله

خیر

شیر پروانه ای

خیر

بله

خیر

شیر یکطرفه آونگی

خیر

خیر

بله

شیر دیافراگمی

خیر

خیر

بله

شیر پینچ

خیر

خیر

بله

شیر اطمینان

خیر

خیر

بله

شیر خلاص کن

حرکت ربع گرد

حرکت دورانی

حرکت خطی

نوع شیر

 

رتبه بندی کلاس Class Ratings

رتبه فشار- دما در شیرآلات بوسیله شماره کلاس آنها تعیین میگردد. استاندارد ASME B16.34 یکی از گسترده ترین و مهمترین استانداردهای مربوط به شیرآلات ، فلنج ها ، رزوه ها ، و شیرآلات لب جوش میباشد. این استاندارد سه نوع از کلاس را تعریف میکند: استاندارد، خاص و محدود. استاندارد ASME B16.34 شیرها در کلاسهای 150,300,400,600,900,1500,2500,4500 پوشش میدهد.

 

خلاصه

در این صفحه مقدار زیادی اطلاعات پایه ای از شیرآلات تعریف شده است. شاید همانطور که در منوی اصلی " شیرآلات " مشاهده نموده اید شما میتوانید همچنین اطلاعات زیادی مربوط به شیرآلات مختلفی که در صنایع نفت و پتروشیمی کاربرد دارند بدست آورید که میتواند به شما ایده و دید کافی و یک درک مناسبی از تفاوتهای مختلف از انواع شیرآلات و اینکه چگونه این تفاوتها بر روی عملکرد این شیرها تاثیر دارند. نیزبه شما کمک خواهد کرد برای یک کاربرد صحیح از انواع هر یک از شیرها در هنگام طراحی و استفاده مناسب هنگام استفاده از آنها.