یکی از ابزاری که امروزه به طور گسترده در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد، شیرآلات صنعتی می‌باشند. هدف اصلی استفاده از این وسیله، باز و بسته کردن مسیر سیالات است. درواقع، عملکرد شیرآلات صنعتی مبتنی بر کنترل جریان سیالات است. این ابزار صنعتی در طرح‌های مختلفی تولید می‌شوند که هریک کاربرد خاصی دارند. در ادامه، به توضیح انواع مختلف شیرآلات صنعتی پرداخته می‌شود.
اجزای اصلی سازنده شیرآلات صنعتی
شیرآلات صنعتی از اجزای مختلفی ساخته می‌شوند، که در ادامه به توضیح مهم‌ترین آنها پرداخته می‌شود:
بدنه یا محفظه (Body)
بدنه، بزرگترین بخش شیرآلات صنعتی را تشکیل می‌دهد که نقش آن، محافظت از اجزای داخلی شیر است. بسته به سایز، نوع و پیچیدگی شیر، بدنه می‌تواند از یک یا چند تکه ساخته شود.
درپوش و کلاهک (Bonnet)
بونت به عنوان جز اصلی شیرهای صنعتی در نظر گرفته نمی‌شود، ولی مدل‌های استانداردی از شیرها که امروزه در بازار یافت می‌شوند حاوی این قطعه هستند. محل قرارگیری بونت در بالای بدنه شیر است که از طریق پیچ یا جوش به آن وصل می‌شود. طراحی این قطعه به گونه‌ای است که اجازه اتصال اجزای دیگر نظیر عملگر دستی را نیز فراهم می‌کند.
ساقه (Stem)
هدف استفاده از ساقه، انتقال حرکت مورد نیاز به دیسک یا توپی جهت باز و بسته کردن شیر است. محل قرارگیری آن در یک سمت از عملگر دستی است، به گونه‌ای که در سمت دیگر، دیسک قرار می‌گیرد. ساقه در شیرهای کشویی و کروی از حرکت خطی دیسک برای باز و بسته کردن شیر استفاده می‌کند، درحالی که در شیرهای توپی و پروانه‌ای، دیسک با چرخش خود موجب باز و بسته شدن شیر می‌گردد.
نشیمن‌گاه (Seat)
نشیمن‌گاه یکی از قسمت‌های اصلی شیر است که مستقیماً بر میزان نشتی آن تأثیر می‌گذارد و جزء جدایی‌ناپذیر بدنه شیر است. بسته به نوع شیر، می‌توانند یک یا چند نشیمن‌گاه داشته باشند. به عنوان مثال، شیرهای کشویی دارای دو نشیمن‌گاه هستند، که یکی در سمت بالا و دیگری در سمت پایین قرار می‌گیرد.
تریم (Trim)
تریم درواقع یک اصطلاح جمعی است و به مجموع قطعات داخلی شیر که قابلیت جابجایی یا تعویض را دارند و با محیط جریان در تماس هستند گفته می‌شود. این قطعات شامل نشیمن‌گاه، دیسک، بوش و ساقه است.
عملگر دستی یا اکچویتور (Handle or Actuator)
عملگر دستی، مکانیزمی است که باعث عملکرد شیر می‌شود و به مجموعه ساقه و دیسک متصل می‌شود. این قطعه یا به صورت دستی با استفاده از چرخ دستی، اهرم، چرخ دنده و زنجیر کار می‌کند یا برای عملکرد آن می‌توان از موتور، پنوماتیک یا مکانیزم هیدرولیک استفاده کرد.
دیسک (Disk)
محل قرارگیری دیسک درون بدنه شیر است و همانند یک سد یا یک مانع عمل می‌کند. وظیفه این قطعه، تنظیم جریان داخل شیر است. علاوه بر دیسک، توپی نیز در تنظیم جریان نقش دارد. این قطعه دایره‌ای شکل قادر است مسیرهای بیشتری بین مجراها ایجاد کند که با این کار، باعث هدایت جریان بین مسیرهای مختلف می‌شود.
مسیر (Port)
پورت ها در واقع مسیرهایی هستند که به سیال اجازه عبور از شیر را می‌دهند. مسدود شدن پورت‌ها توسط مجرابند (Member Closure) یا دیسک صورت می‌گیرد. شیرها معمولاً دارای 2 پورت هستند، اما ممکن است تا 20 پورت داشته باشند. شیرها همیشه از سمت پورت‌‌های خود به لوله متصل می‌شوند و از روش‌های مختلفی نظیر رزوه، اتصالات فشاری، چسب، سیمان و جوش برای اتصال استفاده می‌شود.
انواع شیرآلات صنعتی و کاربردها و ویژگی‌های آنها
شیرهای کشویی (Gate Valves)
شیرهای کشویی که با نام شیرهای دروازه‌ای نیز شناخته می‌شوند برای باز و بسته کردن مسیر یک سیال درون لوله استفاده می‌شوند. برای انجام این کار، یک دریچه دایره‌ای یا مستطیلی شکل درون شیر تعبیه شده است که عمود بر جریان حرکت می‌کند.
شیرهای کشویی برای مصارف مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند و معمولاً در منازل و مراکز تجاری دیده می‌شوند. برای ساخت این شیرها از مواد مختلفی نظیر فولاد ضد زنگ، چدن، فولاد آلیاژی، فولاد آهنگری و غیره استفاده می‌شود.
همانطور که بیان شد، از شیرهای صنعتی به منظور باز و بسته کردن جریانی از یک سیال استفاده می‌شود. عملکرد آنها به گونه‌ای است که در حالت باز بودن شیر، قطر لوله و قطر شیر کشویی اندازه یکسانی دارند، از این رو سیال هیچ مانعی در مسیر خود نمی‌بیند و از درون لوله عبور می‌کند.
این نوع شیر دارای مزایا و معایبی می‌باشد که در ادامه به آنها اشاره شده است:
مزایا شیرهای کشویی
تلفات ناشی از اصطکاک در آنها بسیار کم است.
آنها را می‌توان به دو صورت در مدار استفاده کرد.
جریان آرامی را فراهم می‌کنند و افت فشار در آنها بسیار کم است.
استفاده از شیرهای کشویی به صرفه‌جویی در انرژی و کاهش هزینه کمک می‌کند.
هنگامی که به صورت کامل باز می‌شوند و هنگام مهروموم کامل، افت فشار کمی از خود نشان می‌دهند.
معایب شیرهای کشویی
سرعت باز و بست آنها کم است.
باعث ایجاد ارتعاش می‌شوند.
در سیستم‌هایی که تغییرات دما در آنها به طور نامنظم رخ می‌دهد، ممکن است نشتی در شیرهای کشویی رخ دهد که این ناشی از بارگذاری در لوله در انتهای شیر است.
نگهداری و تعمیرات این نوع شیرها سخت و پیچیده است.
مهم‌ترین کاربردهای شیر کشویی عبارتند از:
شیرهای کشویی برای استفاده در دما و فشار بالا مناسب هستند.
گزینه بسیار خوبی به عنوان شیرهای قطع و وصل کننده جریان (on/off) هستند.
شیرهای کروی (Globe Valves)
شیرهای کروی به عنوان یکی از پراستفاده‌ترین شیرها هستند که کاربردهای متنوعی دارند. این نوع شیر همانند شیرهای کشویی عمل کرده و از حرکت خطی برای کنترل جریان استفاده می‌کند. علت استفاده از آنها، کنترل جریانی از یک سیال درون یک لوله است که این کار با استفاده از یک دیسک به شکل مخروط ناقص یا نیم کره صورت می‌گیرد. یکی از مزیت‌های اصلی شیر کروی این است که به اندازه شیرهای صنعتی دیگر نشتی ندارد. یکی از اجزای تشکیل دهنده شیرهای کروی، بافل (Baffle) است که معمولاً موازی با طول لوله بوده و درون آن را می‌شکافد. از این نوع شیر صنعتی بیشتر به منظور کنترل جریان استفاده می‌شود. شیرهای کروی دارای مزایا و معایبی می‌باشند، که در ادامه به آنها اشاره شده است:
مزایا شیرهای کروی
زمان باز و بست کوتاه‌تری دارند.
از خاموشی مثبت برخوردار هستند.
به طور کامل بسته می‌شوند.
معایب شیرهای کروی
افت فشار بالایی دارند.
زمانی که نیاز است تحت فشار بالایی بسته شوند، نیازمند مقدار نیروی زیاد یا یک محرک با گشتاور بالا می‌باشند.
شیرهای توپی (Ball Valves)
همانطور که از اسم آن پیداست، در شیرهای توپی از یک توپ به منظور کنترل جریان مواد از یک دهانه تا دهانه دیگر استفاده می‌شود. این نوع شیر به نام شیر گازی نیز شناخته می‌شود و در لوله‌های گاز بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. عملکرد این نوع شیر به صورت on/off می‌باشد و تنظیم جریان مایع یا گاز در آن از طریق باز یا بسته کردن کامل سوراخ صورت می‌گیرد.
شیرهای توپی به دلیل توانایی بالای آنها در مهروموم کردن، گزینه بسیار خوبی برای مواد گازی هستند. از دیگر ویژگی‌های منحصر به فرد آنها، تحمل دما و فشار بالاست، به گونه‌ای که می‌توانند فشار بالای 200 بار و دمای بالای °C 200 را تحمل کنند. سایز شیرهای توپی بین 5/0 سانتی‌متر تا 30 سانتی‌متر متغیر است. به دلیل ساختار ساده، به راحتی قابل تعمیر هستند. طراحی خاص آنها به گونه‌ای است که فقط امکان چرخش 90 درجه‌ای را فراهم می‌کنند که این حالت، برای باز و بسته کردن شیرهای توپی لازم است. زمانی که شیرهای توپی در حالت بسته قرار دارند، مهروموم آنها ضد هوا بوده که این موضوع، کاربرد آنها برای مصارف صنعتی بسیار مناسب می‌سازد.
شیرهای توپی از دوام و پایداری بسیار خوبی برخوردار هستند. هم‌چنین، همانطور که بیان شد، می‌توانند دما و فشار بسیار بالایی را تحمل کنند. این خواص باعث شده‌اند این گونه شیرها کاربردهای بسیار متنوعی داشته باشند. از آنها برای کنترل جریان و فشار، دوغاب‌ها، مایعات معمولی، گازها، بخش‌های تولیدی، ذخیره‌سازی مواد شیمیایی و حتی مصارف مسکونی استفاده می‌شود. یکی از مشکلات شیرهای توپی این است که می‌توانند سیال را در محفظه میانی به دام اندازند. درصورت عدم تخلیه سیال و یخ بستن آن می‌تواند منجر به ترک خوردن بدنه شود.
همانند دیگر شیرها، شیرهای توپی از مزایا و معایبی برخوردار هستند، که عبارتند از:
مزایا شیرهای توپی
مقرون به صرفه‌ترین شیر در میان تمامی انواع شیرهای صنعتی می‌باشند.
طراحی آنها به گونه‌ای است که نیاز به مراقبت زیادی ندارد. هم‌چنین، از روغن‌کاری برای شیرهای توپی استفاده نمی‌شود.
بزرگترین مزیت شیرهای توپی این است که از توانایی پایینی برای کاهش جریان سیالات برخوردار هستند که این موضوع می‌تواند منجر به فرسایش محل قرارگیری شیر توپی شود.
عایق نشتی هستند.
به سرعت باز و بست می‌شوند.
انعطاف‌پذیری خوبی دارند.
معایب شیرهای توپی
شیرهای توپی برای کنترل دائمی مناسب نیستند.
درصورتی که سیال درون شیر باقی مانده باشد، ذرات موجود در آن با سطوح برخورد کرده و به آنها می‌چسبند، که این موضوع ممکن است باعث نشت، سایش و سایر مشکلات شود.
شیرهای پروانه‌ای (Butterfly Valves)
شیرهای پروانه‌ای به منظور تنظیم جریانی از یک ماده طراحی شده‌اند، با این تفاوت که از قابلیت کنترل محدودی برخوردار هستند. عملکرد آنها راحت بوده به گونه‌ای که با چرخش 90 درجه‌ای یک دستگیره کار می‌کنند.
در بدنه این نوع شیر صنعتی یک دیسک دایره‌ای یا مستطیلی شکل تعبیه شده است که امکان چرخش حول محور خود را دارد و با حرکت خود، امکان کنترل و یا انسداد جریان را فراهم می‌کند. تنظیم جریان مایعات در شیرهای پروانه‌ای مبتنی بر چرخش‌های متناوب است. شیرهای پروانه‌ای به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به صورت الکترونیکی، دستی یا پنوماتیکی کار می‌کنند. هم‌چنین، براساس موقعیت قرارگیری دیسک، شیرهای پروانه‌ای به دو صورت هم مرکز و خارج مرکز طبقه‌بندی می‌شوند.
از این نوع شیر صنعتی می‌توان جهت تأمین آب، تصفیه فاضلاب، حفاظت از آتش، تامین گاز، در صنایع شیمیایی و نفت، در سیستم های جابجایی سوخت، تولید برق و غیره استفاده کرد. علاوه بر آنها، برای مایعات خورنده در دما و فشار پایین نیز کاربرد دارند.
مهم‌ترین مزایا و معایب شیرهای پروانه‌ای عبارتند از:
مزایا شیرهای پروانه ای
مقرون به صرفه‌ترین شیر در میان تمامی انواع شیرهای صنعتی می‌باشند.
طراحی آنها به به مراقبت بسیار کمی نیاز دارند.
به دلیل دقت بسیار بالای آنها، گزینه بسیار خوبی برای کاربردهای صنعتی هستند.
آنها را می‌توان بدون دررفتگی لوله نصب یا برداشت.
از توانایی خوبی برای کنترل جریان برخوردارند.
معایب شیرهای پروانه ای
شیرهای پروانه‌ای هیچ گونه قطع کننده محکمی ندارند.
یکی از مهم‌ترین مشکلات این نوع شیر صنعتی این است که بخشی از دیسک همیشه در معرض جریان قرار می‌گیرد، حتی زمانی که کاملاً باز است، که می‌تواند منجر به تغییر فشار در شیر شود.
شیرهای یک طرفه (Check Valve)
شیرهای یک طرفه که به عنوان شیرهای غیربرگشتی نیز شناخته می‌شوند، تنها در یک مسیر اجازه عبور به جریان را می‌دهند و از حرکت در خلاف جهت جلوگیری به عمل می‌آورند. هدف استفاده از این نوع شیر این است که از معکوس شدن جهت جریان جلوگیری شود، که این موضوع می‌تواند به دستگاه آسیب وارد کند یا باعث بهم ریختگی جریان شود.
از شیرهای یک طرفه به طور معمول برای محافظت از پمپ‌ها زمانی که یک مایع جریان دارد یا محافظت از کمپرسورها در سیستم‌های گازی استفاده می‌شود، زیرا جریان برگشتی می‌تواند باعث خاموش شدن پمپ یا کمپرسور شود. طراحی شیرهای یک طرفه به گونه‌ای است که می‌تواند جریان برگشتی را در یک مسیر کاهش دهد.
به منظور عبور جریان در مسیر مخالف خود می‌توان شیر را برعکس کرد یا این که داخل آن را درآورد. در حالت دوم، شیر حالت یک طرفه خود را از دست خواهد داد. شیرهای یک طرفه به دو صورت یک طرفه لولایی و یک طرفه فشاری وجود دارند.
یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این نوع شیر صنعتی این است که بدون دخالت انسان و حتی زمانی که در حالت خودکار نیست می‌توانند کار کنند. از دیگر ویژگی‌های شیرهای یک طرفه این است که برای باز و بسته شدن وابسته به جریان سیال هستند، که هرچه سرعت جریان بالاتر باشد، شیر بازتر می‌شود تا زمانی که به حالت بیشینه خود یعنی باز شدن کامل برسند.
شیرهای صنعتی به دلیل طراحی ساده آنها و هم‌چنین قابلیت آنها در جلوگیری از جریان برگشتی و حفظ فشار قابل استفاده برای طیف گسترده‌ای از حوزه‌ها می‌باشند و کاربردهای متنوعی دارند. از آنها برای صنایع پالایشگاه، پتروشیمی، مواد شیمیایی، تصفیه آب و فاضلاب و مواد سیال استفاده می‌شود.
مهم‌ترین مزایا و معایب شیرهای یک طرفه عبارتند از:
مزایا شیرهای یک طرفه
از جریان برگشتی ممانعت می‌کنند.
تحمل فشار را دارند.
به عنوان سیستم پشتیبان قابل استفاده هستند.
معایب شیرهای یک طرفه
قابل استفاده برای سیستم‌های پالسی یا ضربان‌دار نیستند.
شیرهای متعادل کننده (Balancing Valve)
از شیرهای متعادل کننده به منظور کنترل جریان در سراسر یک سیستم استفاده می‌شود. از این نوع شیر در سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی تجاری استفاده می‌شود. هم‌چنین، آنها برای متعادل کردن بارگذاری سیلندرهای دوکاره با ایجاد نیروی متوازن کاربرد دارند.
شیرهای سوزنی (Needle Valve)
کنترل جریان در شیرهای سوزنی با استفاده از یک قطعه سوزنی شکل صورت می‌گیرد. از این نوع شیرها به طور معمول برای کنترل دبی جریان استفاده می‌شود.
شیرهای سماوری (Plug Valve)
در شیرهای سماوری یک مجرابند استوانه‌ای یا مخروطی شکل تعبیه شده است که وظیفه کنترل جریان را برعهده دارد. عملکرد این نوع شیر براساس on/off است و در حالت نیم باز می‌تواند دچار آسیب شود. به دو صورت سه راهی و چهارراهی که نشان دهنده مسیر عبور جریان است تقسیم بندی می‌شوند.
شیر گازی چیست و چه کاربردی دارد؟
شیر گازی درواقع همان شیر توپی است، که دلیل این نام‌گذاری، استفاده زیاد از آن در لوله‌های گاز است. قطعه توپی شکل همانند یک مانع در مسیر سیال قرار می‌گیرد و با این کار باعث بسته شدن شیر می‌شود.
جنس مواد سازنده شیرآلات
شیرهای صنعتی بسته به مکانی که مورد استفاده قرار می‌گیرند از مواد مختلفی ساخته می‌شوند. به طور معمول، از فولاد ضدزنگ، برنز، برنج و چدن برای ساخت شیرهای صنعتی استفاده می‌شود. شیرهایی که در صنعت نفت و گاز کاربرد دارند از فولاد با گرید WCB ساخته می‌شوند.
از آلیاژ 20 برای ساخت شیرهایی که با اسید خورنده اسیدسولفوریک سروکار دارند استفاده می‌شود. در نیروگاه‌های هسته‌ای و در مکانی‌های که در آنها دما بالاست شیرهای صنعتی از جنسHastelloy و در خطوط هیدروژن شیرهای صنعتی از جنس Inconel کاربرد دارند. از شیرهای صنعتی پلاستیکی معمولاً برای کاربردهای فشار پایین استفاده می‌شود.
نکات مهم در انتخاب شیرهای صنعتی
یکی از نکاتی که هنگام خرید شیرهای صنعتی می‌بایست رعایت کرد، توجه به نوع شیر و کاربردهای آن است. علاوه بر آن، ماهیت سیالی که قرار است از درون شیر عبور کند نیز بسیار مهم است. سیال ممکن است حاوی ذرات معلق باشد که منجر به سایش شیر شوند. از دیگر نکات مهم در انتخاب نوع شیر می‌توان به نوع اکچویتور، جنس بدنه شیر، اندازه شیر و ضریب شیر و مقدار جریان اشاره کرد.
نکات مهم در طراحی و ساخت شیرهای صنعتی
هنگام ساخت و طراحی شیرآلات صنعتی نیاز است به پارامترهای مختلفی توجه کرد که شامل موارد زیر است:
- مقدار نیرو وتجهیزاتی که برای راه‌اندازی نیاز است.
- ارتعاشات شیر
- کاویتاسیون
- تاثیری که می‌تواند در جریانداشته باشد.
- میزان فشاری که می‌تواند تحمل کند.
- توانایی آن در مهروموم (آب‌بندی) کردن
- راحتی در نصب، تعمیر و نگهداری آنها
منابع
https://redwhitevalvecorp.com/types-of-industrial-valves/
https://www.powermechanical.com/the-major-components-of-valves/
