تشریح و کاربرد انواع شیر آلات در انواع خطوط جریان

تشریح و کاربرد انواع شیر آلات در انواع خطوط جریان

شیرها از جهات مختلف قابل طبقه بندی هستند که در این مبحث علاوه بر بیان این طبقه بندی ها به ذکر چند مثال و نیز مزایا و معایب آنها بپردازیم .

۱- از لحاظ حرکت مجرابند (Obdurate) :

۱-۱- حرکت خطی (Linear)
۱-۲- حرکت دورانی (Rotary)

۱-۱- شیرهای خطی :

عضو مسدود کننده این شیرها با یک حرکت خطی باز یا بسته می شوند که معمولا بصورت عمودی می باشند . روش باز و بسته شدن این شیرها بدین صورت است که قطعه ای به نام ساقه (Stem) نیروی خارجی را به مجرابند وارد نموده و آنرا جابجا می کند.این عامل خارجی می تواند از طریق نیروی ماهیچه ای اپراتور باشد و یا یک عملگر در مقالات بعدی درخصوص عملگرها بحث خواهیم کرد .

بسیاری از شیرهایی که در صنایع مختلف (به خصوص مایعات) بکار میروند از این دسته هستند مانندGate Valve , Globe Valve, Piston valve, Diaphragm Valve, Pinch Valve ولی بدلیل مشکلاتی که در ساختار آنها وجود دارد ، بسیاری از آنها با انواع Rotary جایگزین شده اند ؛مانند جایگزین شدن Gate با Plug.

شیر دورانی:

عضو مسدودکننده جریان این شیرها با چرخش حول محور عمودی شیر مسیر عبور سیال درجریان را باز و یا بسته می نماید. سطح مقطع این مجرابند ها معمولا دایروی است و در موارد خاص ممکن است بخشی از کمان یک دایره باشد.

بنابر این مجرابند باید یک استوانه (Cylindrical Plug Valve)،مخروط (Taper Plug Valve)، کره (Ball Valve) یا بخشی از آنها (Eccentric Plug Valve , C-Shape Ball Valve) باشد.

این دسته شیرها معمولا با یک چرخش ۹۰ درجه باز یا بسته می شوند و به همین علت به آنها Quick Opening نیز طلاق می شود و بهمین دلیل که سریع باز یا بسته می شوند امروزه کاربرد بسیار فراوانی پیدا کرده اند و انواع آنها برای شرایط مختلف کارکردی طراحی و ساخته شده اند و امروزه تا سایز ۲۰ اینچ و تا کلاس ۶۰۰ در داخل کشور تولید می گردند.

میدانید که همه ما تمایل داریم با یک چرخش ربع دایره (شیر اصلی گاز منزل) شیر را باز و بسته کنیم تا چندین دور کامل (مانند فلکه آب منزل) . بنابراین برای شرایط مخاطره آمیز و نیز سیالات قابل اشتعال (مانند گاز طبیعی) بهتر است از این نوع شیرها استفاده گردد. کلیه شیرهای خطوط لوله انتقال گاز جزء این دسته هستند .

شیرهایی که جزء این دسته هستند می توان به Ball , Plug , Butterfly اشاره نمود که در زیر مشاهده می نمایید.

۱-دسته بندی شیرها از لحاظ طریقه باز و بست (Operation Type)

۱-۱-دستی یا آچاری (Wrench, Lever, Hand wheel Operation)
۱-۲-گیربکسی (Gear Operation)
۱-۳-شیرهای با عملگر اتوماتیک (Actuator Operation , Actuated Valve

شیرها تجهیزاتی هستند که وظیفه کنترل برخی خواص سیال مانند دبی، فشار و دما را برعهده دارند. در خصوص وظایف شیرها در خط انتقال در مطالب بعدی صحبت خواهیم کرد ولی چیزی که بدیهی به نظر می رسد اینست که درشرایطی خاص شیر باید باز، بسته و یا قسمتی باز گردد تا باعث ایجاد تغییری در خواص فیزیکی سیال در جریان گردد .

تبصره : محرکها تنها در انواع شیرها ی اتوماتیک (در مقابل Manual) بکار می روند که این دو مورد در مطلب بعدی توضیح داده می شود .

۲-۱- محرک دستی

شیرهایی که دارای سایز کوچکتر هستند معمولا گشتاور پایین تری دارند و شفت متصل به مجرابند آنها با گشتاور پایین تری قابل چرخش و یا جابجایی هستند. بنابراین بدون نیاز به تجهیزات خاص و با یک دسته یا آچار مناسب که توسط یک کوپلینگ به شفت (Stem) وصل شده شیر قابل باز یا بسته شدن است .

طراح باید دقت نماید که حداکثر نیروی اعمالی از طرف اپراتور باید ۳۶۰ نیوتن متر (N-M) در نظر شود و نیز این را نیز باید درنظر بگیرد که طول این دسته نباید از ۲ برابر طول شیر (Face to Face or End to End) بیشتر باشد .

محاسبه گشتاور یک شیر کار خیلی سختی نیست و یک مهندس مکانیک به راحتی این عمل را میتواند انجام دهد. در نهایت اگر ۲ عامل فوق در مورد شیر صادق باشد می توان شیر را Wrench Operation استفاده نمود .

معمولا رنج سایز شیرهای آچاری مطابق زیر است :

A) Class ۱۵۰, NPS ≤
B) Class ۳۰۰, NPS ≤
C) Class ۶۰۰, NPS ≤

در شیرهای خطی می توان تا سایزها بزرگتری نیز از نوع محرک Hand Wheel استفاده نمود ولی نوع رزوه ای که در شفت آنها بکار میرود باید دارای شرایط خاصی باشد .

- محرک گیربکسی

طول دسته شیرها دارای محدودیت می باشد بنابر این برای شیرهایی که دارای گشتاور بالاتری هستند باید از محرکی استفاده نمود که گشتاور ورودی ما را افزایش داده و به آسانی و بدون صرف نیروی زیاد شیر را بتوان باز یا بسته نمود .

میدانیم که گیربکسها علاوه بر تغییر جهت گشتاور مقدار آنرا نیز میتوانند تغییر دهند . بنابراین با افزایش گشتاور شیر از کیربکسهای با نسبت گشتاور بیشتری استفاده می نماییم . طراح گیربکس بدین صورت باید عمل کند که نیروی ورودی شفت آن را ۳۶۰ نیوتن (گشتاور به Hand wheel بستگی دارد ) در نظر بگیرد و محاسبات را تا گشتاور خروجی انجام دهد .

اگر این مقدار از گشتاور شیر بیشتر باشد (با احتساب ضریب اطمینان) گیربکس مذکور مناسب می باشد درغیر اینصورت قطر هندویل را تا مقدار حداکثر بصورت مرحله به مرحله بالا می برد تا حداکثر گشتاور خروجی حاصل گردد و بعد عمل مقایسه با گشتاور شیر را انجام می دهد.

نوع گیربکسی که برای شیرهای ربع گرد (Quarter Turn) استفاده می کنند معمولا worm و یا Scotch-Yoke و برای شیرهای Multi-Turn از گیربکسهای با دوچرخدنده مخروطی عمود بر هم و نیز نوع Worm استفاده می شود. انواع دیگری از گیر بکسها نیز برای شیرها بکار می روند مانند راک و پینیون (Rack and Pinion) .

محدوده گیربکسی بودن شیرهای ربع گرد معمولا به شرح زیر است :
A) Class ۱۵۰ , NPS ≥ ۸
B)Class ۳۰۰ , NPS ≥ ۶
C)Class ۶۰۰ , NPS ≥ ۴

لازم است به این نکته اشاره نماییم که درصورت دخواست مشتری ، بارای هر سایز یا کلاسی باید بتوان گیربکس نصب نمود ولی باتوجه به اینکه گیربکس یک دستگاه تقریبا بزرگ است و علاوی بر بزرگ و سنگین کردن شیر ، قیمت آنرا نیز افزایش می دهد.در مواقعی که نیاز به این قطعه وجود ندارد بهتر است از نصب آن خود داری نمایید.

علت لحاظ نمودن ضریب اطمینان در گیربکسها اینست که گشتاور شیرها با گذشت زمان افزایش پیدا کرده و نیاز به گشتاور ورودی بزرگتری برای غلبه بر او وجود خواهد داشت لذا ضریب اطمینانی برای چنین شرایط خاصی ضروری است. در زیر چند نوع شیر گیربکسی را ملاحظه می نمایید.

- دسته بندی شیرها از لحاظ نحوه باز و بسته شدن مجرابند

۱-۳- شیرهای دستی(Manual Valve)
۲-۳- شیرهای اتوماتیک (Automatic Valve)

شیرها برای باز یا بسته شدن ، ممکن است از یک عامل خارجی استفاده نمایند و یا بصورت خودکار باز و بسته شوند که دسته اول نوع Manual و دسته دوم Automatic گفته می شود.

ذکر دو نکته در اینجا ضروری است ؛ اول اینکه بکار بردن عبارت شیرهای دستی،حق مطلب را ادا نمی کند و بهتر است همواره از عبارت شیرهای Manual استفاده گردد و دوم اینکه شیرهای اتوماتیک را نباید با کنترل ولوها و یا شیرهای با عملگرهای اتوماتیک نباید اشتباه گرفت زیرا در این نوع شیرها هم یک عامل خارجی در باز و بسته شدن آن موثر است و آن گشتاور خروجی عملگر مربوطه است.

۱-۳- Manual Valve

تمام شیرهایی که دارای دسته ، آچار، فلکه ، گیربکس ، عملگر و یا هر مکانیزم دیگری که برای اعمال نیرو به عضو آببند کننده بکار می رود در این دسته قرار میگیرند.البته بکار بردن نوع مکانیزم باز و بسته کردن شیر اختیاری است ولی در برخی موارد مجبور به استفاده از مکانیزم خاص هستیم.

بعنوان مثال برای شیرهای سایز بالا نمی توان از دسته یا رنچ برای باز و بسته کردن شیر استفاده کرد و باید از گیربکس استفاده نمود. ولی برای یک شیر دو اینچ می توان از رنچ ، گیربکس و یا عملگر اتوماتیک استفاده نمود و این بسته به سفارش مشتری و یا نحوه عملکرد شیر در سرویس دارد.

شیر های توپی ، دروازه ای ، پروانه ای و بسیاری دیگر از شیرهایی که در صنایع مختلف استفاده می شوند از این نوع هستند. در زیر چند نمونه از این شیرها نمایش داده شده است.

۳- Automatic Valve

این دسته از شیرها نیاز به نیروی خارجی ندارند و با نیروی سیال میزان باز یا بسته بودن آنها را تنظیم می کند.میتوان گفت تقریبا تنها شیری که در این دسته قرار می گیرد شیرهای Check Valve هستند که با نیروی سیال دریچه یا دیسک آن جابجا شده و سیال از آن عبور می کندوبدیهی است که هر چه سرعت سیال بیشتر باشد میزان باز شدن شیر نیز بیشتر خواهد بود و بالعکس.

البته تا زمانی که فشار بالادست بیشتر از پایین دست جریان باشد دریچه شیر باز خواهد ماند و به محض برابری و یا کمتر شدن فشار بالا دست از پایین دست شیر،دریچه آن بسته می شود .

ملاحظه می کنید که باز و یا بسته شدن شیر وابسته به هیچ عامل خارجی نیست وتنها به سیال در جریان و نیروی اعمال شده از طرف آن به دیسک شیر بستگی دارد . این شیرها انواع مختلفی دارد که در بحثهای آتی به تفصیل در مورد آنها صحبت خواهیم کرد.

وظیفه شیرها در خط لوله

۱- قطع و وصل جریان
۲- تنظیم جریان
۳- انحراف جریان
۴- یکسو کردن جریان

شیرها یکی از اجزای اصلی خطوط انتقال و نیز تاسیسات هستند که وظایف مختلفی را بر عهده دارند.برخی از آنها بصورت خودکار و با توجه به شرایط بوجود آمده در سرویس جریان خط را باز ، بسته و یا کم و زیاد می کنند.برخی با صلاحدید اپراتور بصورت دستی باز و بسته می گردند و انواع دیگر آن از عبور جریانهای برگشتی و نیز جریانهای آشفته جلوگیری می کنند.

در این بخش قصد داریم تا شیرها را با توجه به وظایفی که انجام میدهند دسته بندی نموده و به ذکر چند مثال در هر مورد بپردازیم.

۱- قطع و وصل (On/Off)

بیشتر شیرهایی که در صنایع مختلف بکار میروند به منظور باز یا بسته کردن مسیر سیال در جریان بوده و شیر را در حالت بازکامل یا بسته کامل قرار میدهیم. نوع کانال جریان آنها معمولا Straight Way بوده و در مقابل عبور جریان مقاومت کمتری از خود نشان می دهند .

با توجه به ساختار داخلی و نوع المانهای آببند کننده نباید این شیرها را در حالت نیمه باز قرار داد زیرا با انجام این عمل آسیب جدی با مجرابند و نیز نشیمن آن وارد خواهد شد و بدین ترتیب عمر بهره برداری آن شدیدا کاهش خواهد یافت.

بعنوان مثال اینگونه استفاده نادرست می توان به شیر توپی گاز(سوخت) ورودی به تنورهای نانوایی اشاره نمود که جهت کم و زیاد نمودن میزان جریان گاز دسته شیر را در حالت نیمه باز قرار می دهند.ولی علاوه بر کاهش عمر بهره برداری مشکل جدی تری ممکن است بوجود آید و آن اینست که در مواقع ضروری و بروز حوادث ناخواسته و غیرمترقبه که نیاز به قطع جریان داریم ، دیگر شیر مورد نظر وظیفه خود را بدرستی انجام نداده و باعث حادث شدن اتفاقات ناگوار و گاهی جبران ناپذیر خواهد شد.

از اینگونه موارد که بارها و بارها دیده شده می توان به شیرهای Plug دفن شده در اول کوچه ها و یا حوضچه های گاز درون شهری اشاره نمود.

شیرهای توپی ، سماوری و دروازه ای در این دسته قرار میگیرند ولی می توان با اعمال نمودن تغییراتی در ساختار داخلی شان ، از آنها برای تنظیم جریان نیز استفاده نمود.

۲- تنظیم جریان(Throttle)

اینگونه شیرها جهت تنظیم جریان و به عبارت دیگر کم و زیاد نمودن جریان سیال بکار می روند. میدانید که در مواردی مانند تنظیم دما ، تنظیم میزان سیال خروجی و یا تنظیم فشار نیاز به کم و زیاد نمودن یک یا چند شیر خواهیم داشت مانند شیر آب حمام و یا شیر بعد از پمپ موتور خانه . این شیرها با توجه به ساختار داخلی خود ، اگر در حالت نیمه باز قرار گیرد آسیب زیادی نمی بینند و مقاومت بیشتری در مقابل برخورد سیال عبوری از خود نشان می دهند.

شیرهایی که بعنوان کنترل ولو (Control Valve) در صنایع مختلف بکار می روند از این دسته از شیرها تشکیل شده اند که با بکارگیری یک عملگر و یک کنترلر ، بصورت یک شیر کنترلی در آمده و با توجه به شرایط موجود در حلقه های کنترلی، در یک وضعیت خاص قرار میگیرد که الزاماً باز یا بسته کامل نیست.

شیرهای Globe و Pinch و Butterfly و Piston از این دسته هستند و در تاسیسات و سرویسهای مختلفی بکار میروند که در زیر برخی از آنها را مشاهده می کنید . البته لازم به توضیح است که از این دسته شیرها برای قطع و وصل جریان نیز میتوان استفاده کرد.

- یکسو کردن جریان (Back Flow Prevention)

برخی از تجهیزات نصب شده در تاسیسات و خطوط انتقال دارای بخشهای حساس و اسیب پذیری هستند که در صورت مواجه شدن با ضربات سیال دچار آسیب دیدگی و یا حتی تخریب کامل خواهند شد. این ضربات ممکن است در اثر جریانهای برگشتی ، ضربه قوچ و یا Surge ناشی از انفجار یا شکست خط باشد.

علاوه بر تجهیزات فوق مواردی وجود دارد که جریان برگشتی به تاسیسات یک مجموعه که برای فشار خاصی طراحی شده ، آسیب می رساند و مواردی دیده شده که اینگونه جریانهای نا خواسته و یا پیش بینی نشده یک مجموعه از تاسیسات را بطور کامل تخریب نموده و ضررهای بسیاری به یک مجموعه وارد نموده است.

به این منظور برخی شیرها وجود دارند که جریان را یکسویه میکنند و تنها در یک جهت تعیین شده، به سیال اجازه عبور می دهند. این شیرها تحت عناوین مختلف وجود دارند مانند Check Valve, Back Pressure Valve, Back Flow Valve, Back Flow Prevention Valve, …

روش عملکرد این شیرها متفاوت است و در مقالات مربوط به ساختمان شیرها به آن اشاره خواهیم نمود. ولی بطور کل اساس عملکرد این شیرها طوری است که اگر فشار پایین دست شیر ، بیشتر و یا برابر با بالادست جریان باشد، دیسک شیر روی نشیمن خود قرار می گیرد و از عبور جریان معکوس جلوگیری می کند.

۴- انحراف جریان (Diverting Flow)

مواردی وجود دارد کا یک شیر وظیفه ای غیر از سه مورد فوق دارد و بعنوان یک شیر انتخاب مسیر عبوری سیال عمل می کند . بدنه این شیرها معمولا ۳ یا بیشتر ورودی و خروجی دارد و مجرابند آنها با شیرهای فوق الذکر تفاوت دارد و بیشتر بنام شیرهای چند راهه شناخته می شوند. البته انواع خاصی از این شیرها علاوه بر انحراف جریان توانایی باز و بست و حتی کنترل جریان را نیز دارند و لی معمولا از آنها فقط برای هدایت جریان از مسیری به مسیر دیگر استفاده می شود .

این شیرها به تنهایی می توانند وظیفه ۲ یا ۳ عدد شیر و حتی بیشتر را همزمان انجام دهند و به راحتی با چرخاندن یک دسته جهت جریان ورودی یا خروجی را انتخاب نمود .

ساختار بسیار دقیق و حساسی دارند و درصورت عدم رعایت دستورالعملهای نگهداری و راه اندازی، عمر بهره برداری کمی خواهند داشت ولی بسیار مفید و پرکاربرد هستند. شیرهایی مانند Ball, Plug , Globe دارای انواع انحراف جریان میباشند که در زیر برخی از آنها را ملاحظه می فرمایید.