شیر توپی چیست؟
مقدمهای بر شیرهای توپی
شیر توپی یک نوع از شیر ربع گرد قطع کننده است که جریان مایع یا گاز را کنترل میکند و این کار را با کمک یک توپی چرخشی که دارای سوراخی در مرکز آن است و در تنگنایی مابین دو نشیمنگاه قرار گرفته انجام میدهد. در شیرهای توپی بهجای شیرفلکهی دستی از دستهای آچاری برای کنترل جریان استفاده میشود. چرخش ۹۰ درجهای آچار، شیر را باز و بسته میکند. زمانی که سوراخ توپی با جریان سیال همجهت باشد، شیر باز است و زمانی که چرخش محوری ۹۰ درجهای به دستهی شیر بدهد، شیر بسته می شود. وقتی شیر باز است شیر با دسته در یک راستا هستند و وقتی دسته بر شیر عمود است شیر بسته است، و این موجب میشود که بهصورت چشمی بتوان از وضعیت باز و بسته بودن شیر اطمینان حاصل کرد.
از ویژگیهای شیرهای توپی داشتن طول عمر بالای آن است و در طول عمرش همواره میتوان به آببندی آن مطمئن بود، حتی اگر مدتها بلااستفاده باقی مانده باشد. ازاینرو، این شیرها در مقایسه با شیرهای کشویی یا شیرهای کروی، بهعنوان شیری قطع کننده از محبوبیت بیشتری برخوردارند. علاوه بر این آنها بیش از تمام شیرها در مقابل مواد آلوده مقاوم هستند. شیرهای توپی را میتوان بهصورت دستی، برقی یا پنوماتیکی راه انداخت.
نباید شیر توپی را با شیر یکطرفهی توپی اشتباه گرفت. شیر یکطرفهی توپی نوعی شیر یکطرفه است که از یک توپی صلب جهت جلوگیری از جریان ناخواستهی برگشتی شیر استفاده میکند.
طرز کار شیر توپی
شیر توپی از یک حفرهی توخالی، یا همان توپی سوراخدار و دَوَرانی برای کنترل جریان از درون شیر استفاده میکند. شیر توپی دستهی شیر را با کمک یک انتقال به جلو میراند که بهنوبهی خود توپی را طوری هدایت میکند که در حول محوری عمود بر جریان بچرخد. وقتی سوراخ توپی با جریان همخط است شیر باز است و وقتی دستهی شیر را ۹۰ درجه میچرخانیم، بسته میشود.
اگر شیر توپی به مدت طولانی نیمهباز بماند و شرایط طوری باشد که افت فشار زیاد از میان توپی داشته باشیم، نشیمنگاه نرم در اطراف لبهی مجرای توپی حرکت کرده و بهاحتمالزیاد توپی را در آن وضعیت قفل میکند.
ازآنجاکه توپی در وسط نشیمنگاه حرکتی مالشی دارد، شیرهای توپی برای کار با سیالاتی حاوی ذرات جامد معلق و مواد دارای بافت به کار میروند. اما موادی که سایندگی دارند موجب آسیب دیدن نشیمنگاهها و سطح توپی میشوند. مواد حاوی الیافی زمخت نیز میتوانند مشکلآفرین باشند، چراکه الیاف آنها ممکن است به دور توپی پیچیده شود.
یکی از معایب شیر توپی آن است که در حالت بسته بودن شیر، آب در حفرهی مرکزی شیر به دام میافتد. زمانی که یخزدگی اتفاق بیافتد، کنارههای شیر به دلیل انبساط یخ ترک میخورد. در چنین شرایطی وسایل عایقبندی یا نوار گرمکننده معمولاً مانع از این آسیب میشوند. در مواردی که شیر توپی مصارف برودتی یا محصولاتی که احتمال انبساط در درون شیر دارند بکار میرود ، یک سوراخ در جریان بالادست شیر دریل میشود. در این صورت به آن توپی وِنت( منفذ دار) گفته میشود.
طراحیهای نشیمنگاه شیر توپی
تماس نزدیک بین نشیمنگاههای شیرهای توپی به چندین روش قابل حصول است. برخی ازاین روشها که بیشتر مورد استفاده میباشند به شرح ذیل است.
1. با استفاده از فشار سیال که توپی شناور را در مقابل نشیمنگاه به جلو میراند.
2. با استفاده از فشار سیال که حلقهی نشیمنگاه( سیت رینگ) شناور را در مقابل یک ترنیون برای نگه داشتن توپی به جلو میراند.
3. با استفاده از یک پیشتنیدهی نصبشده بین نشیمنگاهها و توپیهایی که با ترنیون نگه داشته شدهاند.
4. با استفاده از نیروی مکانیکی که هنگام بسته شدن به توپی و نشیمنگاه وارد میشود.
5. با استفاده از حلقهی فشاری نظیر اورینگ
انواع شیرهای توپی
شیرهای توپی بر اساس نوع محفظه
مونتاژ محفظهی شیر به چند کاربرد متداول تقسیم میشود که جزئیات آن در اینجا آورده شده است. تفاوت آنها در نحوهی سوارکردن قطعات شیر است که بر راههای تعمیر و نگهداری آن تأثیر میگذارد. عملکرد این شیرها در هر نوع محفظهای مشابه هم هست.
شیر توپی یکتکه یا شیرهای توپی تک بدنه
شیر توپی یکتکه یا شیرهای توپی تک بدنه دارای بدنهای هستند که بهصورت یکجا قالبریزی شده و میزان نشتی را کاهش میدهد. اینها ارزانترین نوع شیرهای توپی هستند. نمیتوان این شیرها را بهمنظور تمیزکاری یا تعمیر و نگهداری باز کرد. این شیرها در کاربردهایی کم متقاضی استفاده میشوند. شیرهای یکتکه تقریباً همیشه مجرای کاهنده دارند که تا حدی ارزانقیمت هستند و عموماً دور ریخته میشوند.
شیر توپی دوتکه
شیرهای توپی دوتکه، از دو قطعه تشکیل شدهاند که یک قطعهی آن یک اتصال یکسره و یک بدنه دارد و قطعهی دیگر آن در میان قطعهی اول گنجانده میشود که تریم را سر جای خود نگه میدارد و دارای یک اتصال دوم است. بهمنظور تمیزکاری، سرویس مجدد و بازرسی میتوان این دوتکه را از هم جدا ساخت. میبایست شیر کاملاً از روی لوله برداشته شود تا بتوان دو قسمت آن را از هم جدا کرد. شیرهای توپی دوتکه بهطورکلی اندکی مجرای کاهنده(یا استاندارد) هستند که هم میتوان آن را دور انداخت و هم میتوان تعمیر کرد.
شیر توپی با بدنهی سهتکه
شیر توپی سهتکه از سه قطعه تشکیل شده است، کلاهکهای دوسر و بدنه. هر سه قطعه بهطورکلی با اتصالات پیچ و مهرهای به یکدیگر بسته شدهاند. در طراحی سهتکه میتوان بخش مرکزی شیر که شامل توپی، استم و نشیمنگاهها میباشد را از لوله جدا سازی کرد. با این کار پاکسازی مؤثر مواد رسوب کرده، تعویض نشیمنگاهها، آببندی و صیقل دادن خراشهای کوچک روی توپی، را بدون جدا کردن قطعات از بدنهی شیر را بهآسانی میسر میسازد. مزیت این ویژگی آن است که میتوان شیر را بدون جداسازی کامل شیر از خط لوله سرویس کرد. این شیرها معمولاً در مقایسه با انواع دیگر گرانقیمتتر میباشند.
شیر توپی با ورودی فوقانی
شیرهای توپی با ورودی فوقانی، شیرهایی هستند که توپی خود را از ضلع بالایی سوار میکنند. در شیر توپی با ورودی فوقانی بدون نیاز به جدا کردن شیر برای تعمیر و نگهداری، امکان دسترسی به توپی و نشیمنگاهها وجود دارد، ازاینرو این شیرها برای سایزهای بزرگ ترجیح داده میشوند. نیازی به جداسازی شیر از خط لوله نیست. شیرهای توپی با ورودی فوقانی، معمولاً با قالبریزی فلزی ساخته میشوند. ازآنجاکه این شیرها با قالبریزی ساخته میشوند نیاز به تست NDT دارند تا اطمینان حاصل شود که در فرایند قالبریزی قصوری صورت نگرفته باشد. مزیت شیر توپی با ورودی فوقانی در ساخت آن است که نیاز به حداقل رزوه کاری دارد و درنتیجه احتمال نشتی را به حداقل میرساند.
شیر توپی با ورودی جانبی
شیرهای توپی با ورودی جانبی، شیرهایی هستند که توپی آنها از کنار شیر سوار میشود. توپی معمولاً درون بدنهی دوتکه یا سهتکه سوار میشود. هر بخشی از بدنه درست مانند الحاق دوتکه فلنج با پیچ و مهره ، سوار میشوند. شیرهای توپی با ورودی جانبی معمولاً از فلز آهنگری ساخته شده اند. هر بخشی از بدنه جداگانه آهنگری شده و سپس روی هم سوار میشوند. همچنین شیرهای توپی با ورودی جانبی، فاقد نقصهایی هستند که در شیرهای قالبریزی شده ایجاد میشود. شیرهای توپی با ورودی جانبی، راحت سوار میشوند و اجزاء تریم به راحتی همتراز میشوند. مزیت دیگر شیرهای توپی با ورودی جانبی زمان کوتاه تولید نسبت به تقریباً تمامی محصولات قالبریزی شده است که نیاز به تستهای مضاعف دارند.
شیرهای توپی با بدنهی تمام جوش
شیرهای توپی با بدنهی تمام جوش، شیرهایی هستند که ساختاری تمام جوشکاری شده دارند و درنتیجه هیچگونه نشتی ناشی از اتصالات پیچ و مهرهای و غیره در آن دیده نمیشود. تعمیر و نگهداری شیر در این زمینه میسر نیست. این شیرهای توپی با بدنهی تمام جوش معمولاً در کاربردهای زیرزمینی و مدفون در زیر خاک استفاده میشود، زیرا انتظار تعمیر و نگهداری از آن نمیرود؛ برای مثال در نقل و انتقال گاز، کاربردهای زیردریایی و غیره.
لازم است که تمامی فرایندهای جوشکاری بدنه مناسب موادی باشد که در ساخت استفاده شده و باید علاوه بر دارا بودن کیفیت، بر طبق استانداردها صورت گرفته باشد. تستهای غیر مخرب(NDTS) نیز باید.
انواع شیرهای توپی بر اساس طراحی توپی داخلی
شیر توپی شناور
در شیر توپی شناور، توپی در محیطی معلق است و بهوسیلهی دو حلقهی آببندی در محل نگه داشته میشود. نشیمنگاههای شیر برای توپی، نقش پشتیبان را دارند و در حرکت جانبی آزادی دارند. با فشار آوردن سیال به توپی، توپی به سمت نشیمنگاهها جلو رانده میشود و آببندی خوبی ایجاد میکند. بیشتر شیرهای توپی دارای یک توپی شناور هستند.
شیرهای توپی شناور بهصورت گسترده در محیط و شرایط فشار ضعیف استفاده میشوند. تحت تأثیر فشار محیطی، توپی کروی میتواند جابهجایی معینی داشته باشد و محکم به سطح آببندی در دریچهی خروجی فشرده میشود، که از آببندی دریچهی خروجی اطمینان حاصل میشود. شیرهای توپی شناور ساختاری ساده و آببندی خوبی دارند، اما همهی فشار سیال جاری روی توپی به حلقهی آببندی خروجی میرسد. درنتیجه باید توجه داشت که ممکن است مواد حلقهی آببندی بار مجاز سیال جاری را متحمل شود.
به دو دلیل از توپی شناور در فشار بالا و اندازههای بزرگ استفاده نمیشود. نخست اینکه، نیروی زیاد توپی در مقابل نشیمنگاهها میتواند موجب تغییر شکل نشیمن گاهها شده و بر عملکرد آببندی فشار ضعیف شیر تأثیر میگذارد. دوم اینکه، همین نیرو موجب سخت به کار افتادن شیر میشود، درنتیجه نیاز به گشتاور زیادی برای غلبه بر نیروی نشیمنگاه در اختلاف فشارهای زیاد دارد.
شیر ترنیون
در شیر توپی ترنیون، توپی در وضعیت ثابتی میچرخد. توپی نمیتواند حرکت عرضی داشته باشد، زیرا با یک شفت در بالا و یک شفت در پایین در جای خود نگه داشته شده است. این شیر یا با فشار سیال، رینگ نشیمنگاه شناور را به سمت توپی حرکت داده یا با فشار موافق نشیمنگاهها و توپی آببندی را انجام میدهد. ترنیون فشار را از جریان جذب میکند، درنتیجه تماس بین توپی و نشیمنگاه خیلی تحت فشار نیست و بهطورکلی گشتاور عملیاتی میتواند پایینتر باشد، درنتیجه عملکرد شیر توپی ترنیون نسبت به شیر توپی شناور آسانتر خواهد بود. شیرهای توپی که قطر زیادی دارند و در فشارهای عملیاتی بالا مورد استفاده قرار میگیرند معمولاً دارای طراحی توپی ترنیون هستند.
شیر توپی اوربیت
شیر توپی اوربیت از حرکت دورانی و عمل بادامکی برای آببندی استفاده میکند. برای باز کردن این شیر باید دستهی آن را با دست چند دور بچرخانید. اگر شیر در وضعیت باز قرار داشته باشد، چرخش دسته در جهت عقربههای ساعت باعث میشود تا توپی نیز در همان جهت حرکت کرده و پورت موجود در توپی عمود بر جریان قرار بگیرد. توپی توسط استم از نشیمنگاه دور نگاه داشته میشود تا از ایجاد سایش جلوگیری شود. چند چرخش آخر دسته باعث میشود تا سطح بادامکی روی استم با سطح تطبیقی توپی تماس پیدا کرده و توپی را به سمت نشیمنگاه حرکت دهد تا آببندی کاملی انجام شود. این عمل باعث میشود تا شیر توپی اوربیت عملکرد سادهتری نسبت به دیگر انواع شیر داشته و برای کاربریهایی که دارای سایش ملایم هستند مناسب باشد. شیر توپی اوربیت در سایزهای بزرگ متداولتر بوده و نیازمند عملگرهای برقی میباشد، که نسبت به عملگرهای شیر توپی ربع گرد ارزانتر است.
انواع شیرهای توپی بر اساس سایز مجرا
شیر توپی تمام پورت یا مجرای کامل
در شیر توپی مجرای کامل سایز دهانه با قطر دهانهی لوله یکسان است. مزیت این شیر آن است که هیچ اصطکاک اضافی وجود نخواهد داشت و تمیز کردن سیستم از لحاظ مکانیکی(پیگ رانی) آسانتر خواهد بود. مزیت تمیز کردن و بازرسی شیر، بدون نیاز به جداسازی قطعات و متوقف کردن تولید، یکی از مزایایی است که نمیتوان آن را در سیستمهای بزرگ نادیده گرفت. یکی از نکات منفی این شیر آن است که سایز توپی و محفظه شیر بزرگتر از شیر توپی استاندارد با مجرای کاهنده است. بنابراین قیمت شیر توپی تمام پورت کمی گرانتر بوده و برای بسیاری از کاربریها نیازی به چنین هزینهای نیست. شیر توپی تمام پورت در کاربریهایی استفاده میشود که مقاومت کم آنها در برابر جریان ارزشمند است، مثلاً لولههای مکش پمپ، که افت فشار در آنها میتواند بر روی عملکرد پمپ تأثیر بگذارد. از این نوع شیر برای جریانهایی که حاوی ترکیبی از سیالات و جامدات ترکیبی هستند نیز استفاده میشود، زیرا محدودیتهای جریان میتواند باعث جدایی مواد و به وجود آمدن تجمع یا کاهش جریان در لولهها شود.
شیر توپی پورت کاهنده یا مجرای کاهنده
بیشتر شیرهای توپی دارای مجرای کاهندهای با یک گذرگاه ونتوری شکل هستند که بهطورکلی یک لوله سایز کوچکتری از سایز ظاهری شیر دارد. درنتیجه، تلفات اصطکاک کمتری در سیستم نشان میدهد. بااینحال این تلفات در مقایسه با انواع دیگر این شیرها کمتر است. شیرهای توپی یکتکه تقریباً همیشه مجرای کاهنده هستند.
شیرهای توپی مجرای کاهنده، دغدغهای به همراه ندارند. این شیرها همچنین از مزایای سایز کوچکتر و قیمت ارزانتر برخوردارند. اگر میزان جریان مطرح نباشد، میتوانیم مجرای کاهنده را بهعنوان شیری اقتصادی برگزینیم و وزن آن نیز اندکی کمتر است.
شیر توپی با پورت v شکل
در شیر توپی با پورت vشکل، حفرهی درون توپی یا نشیمنگاه شیر بهصورت V مقطع شکل است. درنتیجه میتوان با چرخاندن توپی سرعت جریان مورد نظر را با دقت بیشتری کنترل کرد. با بهینه کردن مقطع عرضی میتوان به ویژگی جریان خطی دست یافت. زمانی که شیر در حالت بسته است و شروع به باز کردن آن میکنید، ابتدا انتهای کوچکتر V باز شده و اجازه میدهد تا کنترل جریان پایدار را در این مرحله برقرار شود. این نوع طراحی عموماً به دلیل سرعت بالاتر سیالات نیازمند ساختاری قویتر است، زیرا ممکن است همین امر به یک شیر استاندارد آسیب وارد کند. اگر این نوع شیر بهخوبی ماشینکاری شده باشد، شیر کنترلی بسیار خوبی خواهد بود که از لحاظ نشتی نیز عملکردی عالی خواهد داشت.
چند نوع دیگر از شیرهای توپی
شیر توپی پرکنندهی حفره
شیر توپی پرکنندهی حفره دارای طراحی نشیمنگاه خاصی بهگونهای است که شکاف اطراف توپی را پُر کرده و بهمرورزمان امکان تجمع آلودگی را از بین میبرد و موجب عملکردی عالی شده که در صنایع دارویی، غذا و نوشیدنی، پردازش گاز و دیگر سیستمهای بهداشتی عملکردی عالی دارد. شیرهای توپی معمولی محیط سیال و باقیماندهها را در فضای داخلی بدنه به دام میاندازد، که میتواند تمیز کردن آنها را تقریباً غیرممکن ساخته و باعث آسیبرسانی به سطح نشیمنگاه شود یا حتی عملکرد شیر را مختل کند. این مشکلی رایج و دردسرساز در فراوری محصولات مختلف از مونومرهای واکنشی مانند استایرن و بوتادین گرفته تا نشاسته و دوغاب، که تمایل به پلیمریزه شدن یا تخمیر شدن در حفره شیرآلات دارند.
شیر توپی ونت دار (دریچه ای)
شیر توپی ونت دار از لحاظ طراحی شبیه به شیر توپی استاندارد است. تفاوت اصلی آنها این است که پورت خروجی در حالت بسته به محیط اطراف راه پیدا میکند. حفرهی کوچکی که در توپی و بدنهی شیر دریل شده موجب این امر میشود. زمانی که شیر بسته میشود، حفرهها با پورت خروجی همتراز میشوند و فشار را آزاد میکنند. این امر بهویژه در سیستمهای هوای فشرده کاربرد دارد که فشردهسازی در آن فضای کاری ایمنتری را ایجاد میکند. در مواردی که با یک سیستم فرآیند برودتی سروکار داریم، ممکن است شیرهای توپی استاندارد دچار نشتی شده، شیر خراب شده و یا حتی منفجر شود، که این به دلیل افزایش فشار داخلی ناشی از فرآیند طبیعی گرم شدن سیستم برودتی است و با گرم شدن سیستم گاز تولید شده و داخل شیر منبسط میشود. شیر توپی ونتدار این فشار ناخواسته درون شیر را از طریق ونت(منفذ) موجود بر روی توپی تخلیه میکند.
شیر توپی مولتی پورت
از شیر توپی مولتی پورت برای کاربردهایی که نیاز به ترکیب کردن و یا منحرف کردن دارند استفاده میشود. شیرهای توپی برای متناسب کردن طراحی نشدهاند. شیر توپی مولتی پورت میتواند جریان کامل را از ورودی گرفته و به یک یا چند تا از اتصالات خروجی هدایت کند. متقابلاً این شیر میتواند جریان را از یک یا چند ورودی دریافت کرده و آنها را به سمت یک خروجی هدایت نماید.
شیرهای توپی مولتی پورت پیکربندیهای مختلفی دارند، برای مثال میتوان آن را بهصورت سهراه، چهارراه یا پنج راه تنظیم کرد. اتصالات انتهایی مختلفی نیز برای شیرهای توپی مولتی پورت وجود دارد که شامل رزوهای، ساکت ولد، فلنجی، جوشی و … میشود.
مزایا و معایب
مزایا
• آببندی شیر توپی حتی درصورتیکه محیط میانی کثیف باشد، کاملاً قابل اطمینان است.
• ساختار شیر توپی ساده است، وزن و حجم آن نیز نسبتاً کم بوده و جدا کردن قطعات و تعمیر آن ساده است.
• ازآنجاییکه استم شیر توپی بدون هیچ حرکت محوری میچرخد، واشر آببندی استم شیر به راحتی نمیشکند.
• وقتی شیر توپی بهطور کامل باز باشد، تلاطم و مقاومت کمی در برابر جریان سیال خواهد داشت.
• شیر توپی دارای عملکردی ساده و سریع است و تنها با چرخاندن 90 درجهای اهرم شیر میتوان به راحتی آن را باز و بسته کرد.
• ممکن است باز و بسته کردن سریع شیر در برخی از نصبها حائز اهمیت باشد، یعنی مواقعی که سوا کردن فوری قطعات لوله دارای فوریت باشد.
• شیرهای توپی بهعنوان شیرهایی با قدرت ترمیم بالا شناخته میشوند که افت فشار کمی داشته و ظرفیت جریان آنها نسبتاً بالاست.
معایب
• شیر توپی میتواند کاملاً باز یا کاملاً بسته باشد و نمیتوان با آن جریان را تنظیم کرد. این به دلیل دقت نسبتاً محدود آن در کنترل میزان جریان است.
• به دلیل حفرههایی که در اطراف توپی و نشیمنگاه این شیر قرار دارد برای استفاده در کاربریهایی که با دوغاب سروکار دارد مناسب نیست. سیالات دوغابی معمولاً تمایل به سفت شدن داشته و داخل حفرههای شیر را مسدود میکنند که این امر گشتاور عملیاتی شیر را افزایش داده و در برخی موارد شیر را از کار میاندازد.
• ازآنجاییکه شیرهای توپی بهسرعت باز و بسته میشود، ممکن است جریان را بهصورت ضربهی قوچ یا با فشار ناگهانی برقرار نماید.
• ممکن است توپی خالی داخل شیر، سیال را در وضعیت بسته به دام انداخته و درصورتیکه بدنهی شیر ونت دار نباشد میتواند مشکلاتی ایجاد کند.
سیالات حاوی ذرات جامد ساینده، میتوانند به نشیمنگاهها و سطح توپی آسیب وارد کنند، زیرا توپی با حرکتی پاککننده در امتداد نشیمنگاه حرکت میکند.
• تمیز کردن این شیر سخت است. (بهجز طراحی که دارای ورودی فوقانی میباشد).
جهت کسب اطلاعات دقیق تر از قیمت شیر توپی می توانید با کارشناسان مجرب پتروسا تماس بگیرید.