شیر توپی از مهمترین شیرآلات صنعتی و تجهیزات های اصلی برای انسداد و تنظیم جریانات سیال (نفت، گاز، بخار و غیره) در صنعت پتروشیمی هستند.
مزایا و معایب شیر توپی یا بال ولو Ball Valve
مزایای شیر توپی یا بال ولو عبارتست از:
- باز و بسته شدن سریع با یک حرکت چرخشی 90 درجه (ربع گرد)
- اطمینان از ساختار بسیار محکم آن بدون نیاز به نیروی گشتاوری بالا
- داشتن یک طراحی متراکم و کم حجم (این تفاوت اصلی بین شیر توپی و شیر گیت
Gate Valve یا دروازه ای است – که هر دو وسیله ای برای باز / بسته کردن می باشند.)
معایب بال ولو عبارتند از:
- این نوع شیر از قابلیت تنظیم و کنترل ضعیفی برخوردار است، زیرا برای انسداد و قطع جریان طراحی شده نه تعدیل آن. (برای شیرهای گلوب Globe Valves، این عملکرد ایده آل است.) کنترل جریان باعث می شود که سیت (Seat) به دلیل سرعت بالا و فشار زیاد جریان در شیر، تا حدی معرض فرسایش قرار بگیرد. این سایش و اصطکاک به مرور سبب نشت شیرها خواهد شد.
- از شیر توپی نمی توان برای عبور مخلوط مایع و جامد استفاده کرد زیرا تجمع ذرات معلق و باقی مانده باعث نشت دریچه می شود. این ذرات در حفره هایی در مجاورت بال Ball و سیت (Seat) حالت جامد پیدا کرده و سفت شوند. شیرهای توپی برای گازها و سایر جریانات مایع بسیار کارآمد هستند (حتی مواد شیمیایی نظیر کلر خشک، اسید هیدروفلوئوریک یا اسید هیدروکلریک، و اکسیژن را نیز به چالش می کشند.)
- ممکن است تمیز کردن آنها دشوار باشد (به جز طراحی های ورودی از بالا)
باز، بسته یا نیمه باز بودن موقعیت شیر را می توان با مشاهده وضعیت اهرم تشخیص داد:
- وقتی که اهرم هم تراز لوله است، شیر باز بوده و هنگامی که عمود بر لوله است، شیر بسته می باشد.
- در هر وضعیت دیگری، شیر نیمه باز (یا نیمه بسته) و در حال تعدیل جریان است.
شیرهای توپی متعلق به خانواده شیرهای “چرخش ربع گرد” یا “شیر چرخش 4/1” هستند. (همراه با شیر پروانه ای Butterfly Valve و شیر پلاگ Plug Valve)؛ زیرا عمل باز و بسته شدن با چرخاندن 90 درجۀ یک اهرم متصل به دیسک انجام می شود.
مشخصات کلیدی شیر توپی عبارتند از:
- API 6D ، BS 5351 (فورج)
- ASME B16.34 (درجه بندی فشار و دما)
- ASME B16.5 / B16.47 (انتهای فلنج)
- ASME B16.25 (پایانه های جوش)
شیر توپی چگونه کار می کند؟
توپ درون شیر دارای مجرایی است که هنگامی که کاملاً با دو انتهای شیر تراز شود، جریان آزادانه از طریق آن عبور می کند و هنگامی که مجرا کاملاً بر انتهای دستگاه عمود است، شیر به طور کامل مسدود می شود.
مجرا در هر وضعیت دیگری قرار بگیرد، جریان به طور جزئی قطع می شود.
شیر توپی Ball Valve در مقایسه با شیر دروازه ای Gate Valve
شیر توپی عملکردی مشابه شیر دروازه ای ندارد. تفاوت بین آنها در این است که اولی از یک توپ کروی برای باز و بسته کردن جریان استفاده می کند در حالیکه دومی از یک دیسکی که به روی سیت قرار گرفته است؛ در واقع این تفاوت مربوط به طراحی و فشردگی آنهاست.
شیر توپی Ball Valve در مقایسه با شیر گلوب Globe Valve
شیرهای توپی به اندازۀ شیرهای گلوب برای کنترل جریانات سیال دقیق نیستند زیرا به جای موقعیت های افزایشی، دارای چرخش های (0، 45 و 90 درجه) می باشند. علاوه بر این، اگر شیر در طولانی مدت در موقعیت نیمه باز (یا مکررا باز / بسته) قرار بگیرد، آسیب می بیند. (البته این مسئله ای برای شیرهای گلوب وجود ندارد).
انواع شیرهای توپی
شیرهای توپی را می توان با توجه به معیارهای مختلف طبقه بندی کرد:
- از لحاظ طراحی: فلوتینگ Floating یا شناور، ترونیون Trunnion و دابل بلک اند بلید Double Block and Bleed یا شیر انسداد و تخلیه
- تعداد پورت ها (ورودی): نوع استاندارد با 2 پورت (1 ورودی، 1 خروجی)، 3 طرفه نیز موجود است (1 ورودی و 2 خروجی یا برعکس)
- اندازه مجرا: مجرای کامل (Full Bore یا کاهنده Reduced Bore FB در مقابل RB)، و V شکل
- مونتاژ بدنه: یکپارچه (بدنه توپ از یک قطعه کست یا استیل فورج ساخته شده است)، 2 یا 3 قطعه (بدنه حاصل از مونتاژ دو یا سه قسمت مختلف است)
- مدخل توپ: ورودی جانبی یا ورودی بالایی
- نوع سیت: فلزی یا نرم (تفلون)
شیرهای توپی فلوتینگ Floating
در این نوع شیر توپی، توپ در مایع در حال جریان معلق است و با فشرده سازی دو سیتِ الاستومری در مقابل آن، در موقعیتش نگه داشته می شود. شافت نیز در بالای توپ وصل شده و اجازه می دهد تا با حرکت ربع گرد (90 درجه) از حالت باز به حالت بسته تغییر یابد.
وقتی که شافت حرکت می کند، یک باری بر روی توپ اعمال شده که سبب می شود در مقابل سیت فشرده شود.
این طراحی سبک و اقتصادی بوده و اندازه مجرای آن تا 10 اینچ مناسب است: اگر اندازه مجرا بیش از این باشد، سیت قادر به تحمل توپ های سنگین تر نبوده و شیر توپی نمی تواند عملکردی ایمن و کارآمد داشته باشد.
شیرهای فلوتینگ امکان باز و بسته جریان را به صورت دو طرفه (همانند نوع Trunnion) فراهم می کنند.
شیرهای توپی ترونیون Trunnion
شیرهای ترونیون برای مقابله با محدودیت های اندازه شیرهای فلوتینگ معرفی شده اند. در واقع، در این نوع شیرها، شافت، توپ و استوانه نگهدارنده به عنوان یك مونتاژِ واحد عمل کرده كه قادر به تحمل بارهای سنگین تولید شده توسط توپ هایی با ابعاد بزرگ هستند.
علاوه بر مزیت انعطاف پذیری در اندازه، شیر ترونیون دارای گشتاور کمتری در مقایسه با شیر فلوتینگ بوده (و از آنجا که محرک های کوچکتر و اقتصادی می تواند برای کار با شیر تعبیه شود، این ویژگی می تواند در صورت نیاز به فعال شدن دریچه، سودمند واقع شود).
شیر توپی از جنس استنلس استیل، نوع نصب شده بر روی ترونیون ورودی جانبی Side Entry در مقایسه با ورودی بالایی Top Entry
تفاوت بین ورودی جانبی و ورودی بالایی در یک شیر توپی چیست؟
این اصطلاحات مربوط به راهی است که به وسیله آن توپِ شیر و قسمتهای داخلی آن، از طرف پهلو (ورودی جانبی) یا از بالا (ورودی بالا) قابل دسترسی باشند.
شیرهای توپی فلوتینگ و ترونیون با طراحی “ورودی جانبی” و “ورودی بالا” در دسترس هستند.
Top Entry هنگامی مورد استفاده قرار می گیرد که فعالیت های مکرر نگهداری درون خطی در شیر انتظار می رود. این بدان علت است که شیرهای توپی ورودی بالا، امکان دسترسی آسانتر و سریعتر به توپ و برشِ شیر را در مقایسه با شیرهای ورودی جانبی فراهم می کنند. (که برای کارهای مشابه، نیاز به زمان و فضای بیشتری برای نگهداری نیاز دارند).
تفاوت های اصلی بین طراحی این دو شیر توپی وجود دارد:
- شیرهای توپی ورودی بالا، عموما با بدنه های کست استیل ساخته شده درحالیکه شیرهای ورودی جانبی با بدنه های فورج استیل ساخته می شوند.
- شیرهای توپی ورودی بالا دارای ساختاری یکپارچه بوده (ساخته شده توسط یک قطعه واحد) اما شیرهای ورودی جانبی مونتاژ دو یا سه تکه دارند.
- شیرهای توپی ورودی بالا به دلیل جنس بدنه شان، در مقایسه با شیرهای ورودی جانبی، نیاز به آزمایش های غیر مخرب بیشتری دارند.
- مونتاژ و ساخت شیرآلات ورودی جانبی نسبت به شیرآلات ورودی بالا آسانتر بوده زیرا که برای گروه دوم، جهت درستی انجام کار، به تجربه طولانی و استادکاری نیاز است.
- شیرهای توپی ورودی بالا معمولاً از نوع ورودی جانبی گرانتر بوده چرا که عملیات ریخته گری که برای ساخت بدنه آنها انجام می گیرد، مدت زمان زیادی را می طلبد.
سه طرفه 3-Ways
معمولا یک شیر توپی دارای دو ورودی (یا دو راه) است.
با این حال در برخی موارد، ممکن است یک شیر توپی 3 طرفه مورد استفاده قرار گیرد. این نوع شیر به جای دو پورت، دارای 3 پورت (ورودی) است.
این طرح چند منظوره برای انتقال مایعات از ورودی شیر اصلی به دو جهت مختلف مورد نیاز است، که هر یک توسط دو خروجی جداگانه انجام می شود. یکی دیگر از کاربردهای معمول شیر توپی 3 طرفه، داشتن خط جریان اصلی است که توسط دو ورودی جداگانه و جایگزین ارائه شده است.
توپِ یک شیر توپی 3 طرفه ممکن است دارای طرح L یا T باشد که در تصویر زیر نشان داده شده است. این نوع خاص از شیرهای توپی در طراحی فلوتینگ یا ترونیون، با هر نوع انتهای شیری (فلنج، سوکت یا اتصال رشته ای) و مواد مختلفی از پلاستیک گرفته تا کربن، آلیاژ و فولاد ضدزنگ موجود است.
شیر فول پورت Full port در مقایسه با شیر کاهنده Reduced Port
این مفاهیم به رابطه بین قطر مجرای شیر و سیستم لوله کشی متصل به آن اشاره دارد. جزئیات بیشتر:
“فول پورت” (FB) دارای اندازه مجرایی است (سوراخ توپ) که مطابق با سایز مجرای لوله متصل شده است. این شیرها افت فشار را که توسط شیرهای کاهنده Reduced Port ایجاد می شود، به حداقل می رسانند که البته حجیم تر، سنگین و گران نیز هستند. شیرهای FB نسبت به شیرهای RB برای کنترل جریان مناسب تر هستند.
شیر “کاهنده یا مجرای کاهش یافته” (RB) دارای اندازه مجرایی است که از اندازه مجرای لوله متصل به آن، کوچکتر است. جریانی که از طریق شیر در حال عبور است، در این حالت عموما بین 60 تا 70 درصد محدود می شود. این نوع شیرها سبب افت فشار در خط لوله می شوند.
مواد سازنده
این نوع شیرها با بدنه ای از جنس کست یا فورج (مونوبلاک یا اسپلیت) در دسترس هستند.
به طور کلی شیرهای کمتر از قطر 2 اینچ (5 سانتی متر)، دارای 2 قطعه از سه قطعۀ بدنه فورج هستند. (رایج ترین آن ASTM A105 برای سرویس با درجه حرارت بالا ، ASTM A350 LF2 و LF3 برای سرویس با درجه حرارت پایین وASTM A182 F304 ، F316 برای شیرآلات استیل ضدزنگ یا درجات بالاتر، مانند شیرهای دوبلکس ASTM A182 F51 و فوق العاده دوبلکس ASTM A182 F53 / F55).
بدنه های فورج برای شیرهای فشار قوی در مجراهای سایز بزرگ استفاده می شود (ساخته شده با بدنه اسپیلت 2 یا 3 قطعه).
نمونه هایی از شیرهای توپی فورج (سایز کوچک و شیر استیل ضدزنگ با بدنه فورج ، نصب شده بر روی ترونیون).
شیرهای با اندازه های بالاتر از 2 اینچ دارای بدنه کست (معمول ترین درجات ASTM A216 WCB برای سرویس با درجه حرارت بالا، ASTM A352 برای سرویس با دمای پایین و ASTM A351 CF8 ، CF8M برای شیرهای استیل ضدزنگ است).
