ولو و شیرآلات صنعتی در پایپینگ , انواع و ساختار

آشنایی با شیرآلات صنعتی یا ولوهای پایپینگ (  Piping Valves )

ولو (Valve) چیست و چه کاربردی دارد؟
ولو (شیر) وسیله ای است که برای مهار کردن جریان و فشار سیالات به کار می رود .شیرها در مواردی به کار می روند که برای جریان سیال اختلاف فشار وجود داشته باشد . ولو و شرآلات، یکی از مهمترین اجزای یک سیستم پایپینگ به شمار می روند.

وظایف اصلی شیرهای صنعتی عبارتند از :
1- قطع و وصل کامل جریان
2- جلوگیری از بازگشت مایعات و گازهای عبور کرده
3- تنظیم عبور جریان (دبی ) مورد نیاز سیالات (مایعات و گازها)
4- تنظیم و کنترل مقدار و فشار سیال
5- کنترل و ایمن نگه داشتن دستگاه های تحت فشار

• انواع مختلف ولو و شیرآلات:

تقسیم بندی بر اساس نحوه کارکرد ولو:

1) شیرهای دستی که با نیروی دست انسان کار می کنند و باز و بسته میشوند  manual valves
2) شیرهای خودکار که با نیروی هوا ، مایعات و گازهای کنترل شونده کار می کنند control valves
3) شیرهای خودکار که با نیروی برق کار می کنند . electric motor operated valves

تقسیم بندی ولو ها بر اساس ساختار درونی:
(1) شیرهای سوزنی needle valves
(2) شیرهای سماوری plug or clock valves
(3) شیرهای کروی globe valves
(4) شیرهای کشویی gate valves
(5) شیرهای دیافراگمی diaphragm valves
(6) شیرهای یکطرفه non return or check valves
(7) شیرهای پروانه ای butterfly valves
(8) شیرهای اطمینان safety valves
(9) شیرهای خودکار control valves

جنس انواع شیرها (Valve Material) :

1) شیرهای پولیکا یا PVC که از مواد (porgy vinyl chloride) ساخته شده و روی لوله های پولیکا به کار می روند .
2) شیرهای شیشه ای که از جنس شیشه بوده و در آزمایشگاه ها به کار می روند
3) شیرهای برنجی (آلیاژ مس و روی ) که برای آب و مواد نفتی با فشار و دمای کم می باشد
4) شیرهای برنزی (آلیاژ مس و قلع ) که برای آب و محلول های نمک دار و مواد نفتی با فشار و دمای کم به کار می رود (حدود 300 درجه سانتی گراد و 350 psi فشار)
5) شیرهای چدنی که برای آب و مواد نفتی با دمای کمتر از 350 درجه سانتی گراد و بیشتر به شکل مخروطی به کار می رود .
6) شیرهای فولادی با آلیاژهای مختلف برای کنترل انواع مواد نفتی ،گازها و بخار و آب با فشار و دمای زیاد به کار برده می شود .

انتخاب صحیح ولو شیر مورد نیاز (Valve Selection)

با توجه به مشخصات سیال باید شیری را انتخاب کرد که بتواند در مقابل ساییدگی و خوردگی و سایر مشخصات سیال مقاومت کند .
عوامل موثر در انتخاب ولو عبارتند از:

1- نقشه کشی :
باید حتما به نقشه دقت کرد تا لوله کشی همراه با نقشه انجام شود و به انقباض و انبساط و ارتعاش لوله و تکیه گاه آن برای محلی که لوله به شیر اتصال می یابد در نظر گرفته شود .
2- نوع کاری که شیر باید انجام دهد
مثلا شیر باید کاملا بسته باشد یا نه ؟ یا اینکه شیر باید در فشار و دمای بالا کار کند یا در فشار و دمای پایین یا اینکه شیر باید دستی کار کند یا به صورت خودکار که در انتخاب شیر تاثیر بسزایی دارند .

3- حجم شیر:
مسئله مهم دیگر محاسبه اندازه مورد لازم است قبلا بایستی اندازه لوله ای که بتواند ظرفیت جا به جا شده مایع بانضمام افت فشار را تامین کند محاسبه شود و حجم شیر نیز باید با مقدار محاسبه شده مذکور مناسب شود .

4- درجه حرارت و فشار:
جنس شیر ارتباط کامل با درجه حرارت و فشار سیال دارد بمنظور سهولت کار استفاده از شیرهای مناسب در کشور های مختلف به صورت استاندارد درآمده و در دسترس همگان گذارده شده است .

5- مواد سازنده شیر :
در مورد جریان سیالهایی که بعلت اثرات شیمیایی _ زنگ زدگی و رسوبات _ جنبه خورندگی دارند بمنظور جلوگیری از آلودگی باید شیر را با آستری از آبونیت یا پلاستیک و یا سرامیک و یا شیشه پوشاند .
موادی که بیشتر در ساختمان شیرها به کار می رود شامل آلیاژهای چدن ، برنز ،نیکل ،مس ،فولاد ،فولاد زنگ نزن و همچنین آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم می باشد .

6- افت فشار :
هنگامی که یک دستگاه شیر در لوله کشی نصب می شود به علت مقاومت و تغییر جهت مایع و اصطکاک لوله و تغییرات اجتناب ناپذیر وضع جریان افت فشار ایجاد می شود .
افت فشار در مورد جریان مایع ، گاز،بخار هر کدام از روی فرمول های متفاوتی محاسبه می شود ولی فقط در اینجا فرمول مربوط به محاسبه مایع ارائه می گردد.
∆hl=k v2/2g
که در اینجا ∆hl افت موضعی شیر می باشد . و v سرعت عمود بر سطح مقطع می باشد .

7- سیستم بکار اندازی شیر :
یکی از مسائلی که در انتخاب شیر موثر می باشد سیستم محرکه شیر (unit actuating) می باشد سیستم محرکه شیر ممکن است مکانیکی ،هیدرولیکی ،یا بوسیله برق یا هوا باشد .
ابتدایی ترین وسیله محرکه بوسیله دست می باشد که با کمک دسته یا پیچ به طور مستقیم یا غیر مستقیم روی شیر عمل می کند .
محرک (actuator) آن قسمت از شیر خودکار است که فرمان ها ی دریافتی از سیستم محرکه را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند و موجب باز و بسته شدن شیر می شود .
فرمان های برقی بعلت گرانی دستگاه ها زیاد معمول نیست . از فرمان های هیدرولیکی زمانی استفاده می شود که دسترسی به هوای خشک و فشرده نباشد ویا اینکه درجه حرارت هوا آنقدر پایین باشد که آب موجود در هوا یخ بزند و منجر به مسدود شدن مسیرهای موئینه می شود به طور کلی فرمان های هوایی بیشتر از دو نوع دیگر مورد استفاده قرار می گیرند.

• مشخصات انواع شیرهای مختلف و کارکرد آنها

ولو های کشویی gate valves

این شیرها بیشتر در محل هایی به کار می رود که بخواهند جریان سیال را به طور کامل بسته یا باز نمایند .
از خواص این شیرها کم بودن افت فشار در طول آن می باشد به همین دلیل در سر راه لوله های طویل از این شیرها به کار می رود .
هنگامی که کشو یا بند آور (gate) کاملا به بالا هدایت شده و از مسیر جریان سیال خارج گردیده و در نتیجه هیچ مقاومتی در مقابل عبور جریان ندارد ولی اگر کشو به پایین ترین محل خود هدایت شده باشد در نتیجه سیال بعلت تغییر مسیر و تصادم با کشو ایجاد تلاطم و افت فشار می نماید .
در لوله کشی ها اغلب لوله و شیر به هم پیوسته اند (بوسیله جوشکاری یا بوسیله پیچ ) ولی به طور کلی اتصال شیر و لوله بوسیله فلنچ و پیچ و مهره انجام گردیده و برای جلوگیری از نشتی بین لوله فلنج شیر ،آب بند یا gasket گذارده می شود .

ساختمان ساقه (stem)
ساقه میله بلند و باریکی است که از یک طرف به فلکه دست (hand wheel) و ازطرف دیگر به کشویی (gate) متصل می باشد .
ساقه متصل به کشوی شیر از جعبه ای به نام (stuffing box) عبور می کند .

دو نوع gate valve وجود دارد:

1- نوع اول كه به نام موازي معروف است بر اساس استفاده از يك ديسك تخت دروازه اي كه در بين دو نشيمنگاه موازي قرار گرفته تشكيل گرديده است.(جريان بالادست وجريان پائين دست) اين ولوها همچنين داراي يك لبه تيزي در قسمت پائين خود مي باشند كه اين لبه تيز براي برش واز بين بردن ذرات جامد ورودي به ولو مي باشد.
مزيت مهم اين قبيل ولوها اينستكه اين ولوها علاوه بر بكار رفتن براي valve seat هاي نامتقارن ، مي توانند براي valve seat هاي زاويه اي نيز بكار روند.
０- نوع ديگر ازgate valve ها بنام gate valve هاي با gate گوه اي شكل مي باشند.
دراين نوع از ولوها از دو seat مورب ويك gate مورب استفاده مي گردد.(به منظور امكان بسته شدن در حالت shut off)
همان طور که می دانیم ساقه کشو را بالا و پایین می برد و بدین ترتیب مقدار باز و بسته کردن شیر را کنترل می کند . فراموش نکنیم که در شیر کشویی جهت حرکت سیال کاملا مستقیم بوده و در صورتی که شیر کاملا باز باشد کشو از مسیر جریان خارج شده و افت فاشر به حداقل می رسد همچنین تلاطم جریان بسیار کم است .

ولو های کروی یا globe valves

این شیر اسم کروی را از روی شکل ظاهری بدنه خود که کروی شکل است گرفته و ساختمان داخلی آن طوری است که مایع از نقطه ورود به شیر تا خروج از آن 180 درجه تغییر جهت می دهد .

ساختمان دریچه و نشیمنگاه آن طوری است که به مجرد برقرار شدن جریان تماس آنها با هم قطع می شود .همچنین باز نبودن کامل شیر کروی موجب فرسودگی ان نمی شود .

ولذا از آن می توان برای تنظیم و کنترل جریان استفاده کرد . متناسب بودن تعداد دور دسته شیر با حجم مجرای خروجی مایع کار تنظیم مقدار جریان را با دست آسان می سازد .
جهت جریان سیال بر خلاف شیر کشویی تغییر می کند .
تغییر جهت جریان سیال ایجاد تلاطم می نماید .
تلاطم افت فشار را افزایش می دهد .
در شیر کروی افت فشار بیشتر از شیر کشویی می باشد .
در شیر کروی به محض قطع اتصال صفحه انتهایی ساقه و نشیمنگاه سیال کاملا جریان می یابد
در شیر کروی فرسودگی به علت اصطکاک خیلی کمتر از شیر کشویی می باشد .
یکی از انواع شیرهای کروی شیر کروی زاویه ای می باشد که در آن تغییر جهت سیال کمتر از شیر کروی معمولی می باشد و تلاطم سیال در شیر کروی زاویه ای کمتر از شیر کروی معمولی است .
در آخر در مورد شیرهای کروی باید گفت که این نوع شیر برای کنترل سیال طراحی شده است و بعلت تغییر ناگهانی مسیر سیال ، باز کردن و بستن شیر ، خیلی سریعتر انجام می شود .
جنس شیر اغلب از نیکل یا فولاد زنگ نزن می باشد.

شیرهای سوزنی needle valves

شیر سوزنی که اسم خود را از شکل دیسک و نشیمنگاه خود گرفته از لحاظ ساختمان و طرز کار جزو خانواده شیرهای کروی (Glob Valve) می باشد.
با این شیرها می توان کنترل دقیق جریان سیال را به خصوص در لوله های باریک و ظریف برقرار کرد .
دیسک این نوع شیر , از میله مخروطی شکل نازکی تشکیل شده که از داخل سوراخ مدور صفحه عبور می کند و جریان حرکت سیال را محدود می سازد.

این نوع شیر از لحاظ ساختمان بسیار ظریف و تقریبا کوچک می باشد و بعلت داشتن مکانیسم مورد اعتماد در عملیات حساس و دقیق به کار گرفته می شود .
در آزمایشگاه های نفت یا پتروشیمی و وسائل ابزار دقیق کاربرد آن بسیار می باشد .
قطر شیرهای سوزنی معمولا از 2 اینچ تجاوز نمی کند.

شیرهای مخروطی plug or clock valves

نوع دیگری از شیرها که در لوله کشی صنعتی به کار می رود می باشد .
1- قسمتی از شیر که عمل بستن و باز کردن شیر را انجام می دهد plug نامیده می شود .

2- در وسط plug دهانه شیر تعبیه شده که هنگام گردش باعث بستن و باز شدن شیر می گردد.

3- Plug در بدنه شیر قرار گرفته است .

4- هنگام باز کردن plug از بدنه شیر بالا نمی رود و فقط می تواند بگردد .
این شیرها برای قطع و وصل کردن کامل جریان بوده و موقعی که شیر باز می شود مایع در خط مستقیم بدون برخورد با مانع حرکت کرده و لذا افت فشار کم می باشد .
سطح اصطکاک بین دریچه plug و بدنه زیاد است و کار باز کردن و بستن شیر را به خصوص شیرهای بزرگ که تحت فشار زیاد کار می کنند را مشکل می سازد .

برای کم کردن اصطکاک به روان کاری متصل شده اند به این ترتیب که مخازنی از گریس یا روغن را در دسته شیر ساخته اند و باعث می شود که کار باز و بستن شیر آسان تر گردد.

شیرهای یکطرفه non return or check valves

از شیرهای یکطرفه برای جلوگیری از بازگشت مایع یا گاز که بمقصد فرستاده شده انتقال می گردد . دلائل استفاده از آنها در صنعت و وسائل خانگی به شرح زیر می باشد.

الف- در منازل : روی ورودی آب را به طرف ساختمان قرار می دهند که در صورت قطع آب مقدار آبی که در وسائل خانگی و داخل لوله ها ذخیره شده به لوله اصلی باز نگردد.

ب- روی لوله ورودی آب گرمکن ها قرار می دهند که بر اثر قطع آب و یاشکستن لوله در داخل ساختمان آب ذخیره شده در مخزن آب گرمکن خالی نشود . زیرا ممکن است کوره به کار ادامه دهد و باعث سوختن آب گرمکن گردد.

ج- در پالایشگاه ها شیر یکطرفه را روی لوله خروجی تلمبه قرار می دهند که پس از انتقال مقدار لازم مواد نفتی ، و بستن تلمبه یا خاموش شدن اضطراری تلمبه مواد ارسال شده نتواند برگردد .

طرز کار آنها به این صورت می باشد که فشار مایع یا گاز دریچه شیر را بلند می کند و باعث عبور مایع یا گاز می شود تا زمانی که فشار زیر دریچه بیشتر از فشار روی آن باشد شیر باز می ماند و عبور مایع یا گاز ادامه می یابد اگر به هر علتی فشار زیر دریچه کمتر از فشار روی آن شود وزن خود دریچه و فشار موادی که قصد برگشتن دارند باعث بسته شدن شیر و جلوگیری از برگشت مواد می شود .

ولوهای دیافراگمی diaphragm valves

این نوع شیر از سه قسمت مهم تشکیل شده است بدنه (body) ، دیافراگم (diaphragm) ، و سرپوش (bonnet)

دیافراگم از پرده لاستیکی تقویت شده یا جنس قابل ارتجاع دیگر ساخته شده که با حرکت دسته شیر پرده قابل ارتجاع بالا و پایین شده و مجرای عبور سیال را کم و زیاد و در نتیجه مقدار سیال را کنترل می نماید .

دیافراگم محتوای شیر را از مکانیسم باز و بستن آن جدا می کند لذا احتیاج به وسائل آب بندی ندارد .
در صورتی که مواد از اطراف شیر بیرون بریزد نشان سوراخ بودن پرده می باشد که باید تعویض شود از این نوع شیر برای کنترل مواد خورنده مثل اسیدها استفاده می گردد.

بکار بردن شیر دیافراگمی برای مواقعی که درجه حرارت زیاد باشد بی فایده خواهد بود زیرا در درجه حرارت زیاد دیافراگم ذوب می شود .
این نوع شیرها دارای خاصیت خوب بستن می باشند به طوری که در حالت بسته شدن به هیچ وجه سیال از آن عبور نمی کند از این نوع شیر در فشار ها ودرجه حرارت پایین استفاده می شود .

ولوهاي ديافراگمی بر اساس شكل بدنه :

1- نوع با برامدگي داخل بدنه(weir type)

در اين نوع يك قسمت برامدگي در داخل بدنه بصورت ريخته گري تعبيه مي گرددو درهنگام بسته شدن ولو ، ديافراگم بر روي اين برامدگي مي نشيند و عبور جريان را محدود مي كند.

2- نوع بدون برامدگي داخل بدنه (straight-through type )

در اين نوع ولوها ، ديافراگم بصورت يك شكل گووه است.

نوع weir(داراي برامدگي سد كننده در وسط) براي كنترل جريان گزينه مناسبي بوده ولي عيب آن محدود بودن منطقه عبور سيال مي باشد.

از ولوهاي ديافراگمي همچنين براي كنترل جريانهاي كوچك وهنگامي كه سيال داراي خاصيت خورندگي بوده وسيالات راديواكتيو، مي توان استفاده نمود.
در بعضي از انواع مواد تشكيل دهنده ديافراگمهاكه از نوع الاستومري مي باشند ، اين ديافراگمها مقاومت بسيار خوبي در دماهاي بسيار بالا دارند.

هرچند كه بايد توجه داشت خواص مكانيكي مواد الاستومري در دماهاي بالا پائين خواهد آمد وامكان از بين رفتن آن نيز در فشار هاي بالا وجود دارد.

از موارد ديگر مزاياي اين ولوها ايزوله كردن قسمتهاي مختلف ولو در مقابل سيال عبوري مي باشد.بگونه اي كه ديافراگم خود باعث ايزوله كردن قسمتهاي مختلف ولو در مقابل سيال عبوري مي گردد.
با توجه به اين خاصيت اين ولوها براي سيالات خورنده و همچنين سيالاتي كه داراي مواد جامد معلق مي باشند مناسب خواهند بود.

ولوهای پروانه ای butterfly valves

پرکاربردترین و ساده ترین ولو ،در واحد های نفت و پتروشیمی !.
ساختمان آنها تشکیل شده از یک بدنه معمولی و یک صفحه مدور که تقریبا در وسط قرار دارد .

این صفحه حول میله ای در حدود 90 درجه می گردد و بوسیله اهرمی بقسمت حرکت دهنده شیر وصل می باشد. این محرک می تواند دستی یا بوسیله فشار هوا و یا برق باشد .
شیرهای پروانه ای کوچک را در اندازه های 4 اینچ الی 24 اینچ می سازند تعمیرات آنها ساده است ولی باید مرتبا گریس کاری شود .

ویژگی دیگر این شیرها به حداکثر رساندن سرعت جریان سیال در حداقل زمان و حرکت شیر می باشد مخصوصا درمورد کنترل فشار سیالات در مخازن یا برج های تحت فشار، همچنین این نوع شیرها در حجم زیاد انتقال سیالات مورد استفاده قرار می گیرد .

با توجه به سبکی وزن و ارزانی قیمت همکاری جدی بین طراحان شیر پروانه ای و متخصصان در رشته فلز شناسی و رشته های پلاستیک و لاستیک سازی به وجود آمده که جنس صفحه دیسک و نشیمنگاه به صورت های گوناگون سبک و قابل ارتجاع ساخته شود .

اهمیت و شهرت شیر پروانه ای به این جهات می باشد : آسانی کاربرد، نداشتن قطعات لغزنده و کشویی ، کاهش افت فشار ، قابلیت کنترل ، ارزانی و سبک بودن ، عدم ترکیب جنس ساخته شده صفحه با فرآورده های عبور کننده اعم از شیمیایی یا پتروشیمی
موارد استفاده از شیرهای پروانه ای عبارتند از :
ایستگاه نیروی حرارتی ، ایستگاه نیروی هیدروالکتریکی ، صنایع به خصوص نفت و گاز ،لوله کشی آب و فاضلاب

ولو های ایمنی safety valves

کمپرسورها و بویلر (دیگ های بخار) ،توربین ها ، و سایر تاسیسات تحت فشار که محتوای گاز یا مایعات هستند اغلب شرایط کارشان طوری است که با فشار بالا رونده مواجه هستند .

بعضی اوقات ممکن است که دستگا ه های کنترل کننده خراب و وظیفه خود را درست انجام ندهند و باعث بالا رفتن بیش از حد مجاز فشار دستگاه ها گردند.
در این صورت امکان صدمه دیدن ،ترکیدن و وارد آوردن خسارت جانی و مالی فراوان می باشد .

برای جلوگیری از این گونه حوادث علاوه بر دستگاه های کنترل کننده وسیله دیگری بنام شیر ایمنی روی دستگاه ها ی تحت فشار نصب می نمایند . که در صورت بالا رفتن از حد مجاز فشار بطور خودکار باز و با خارج کردن مقداری از محتوای دستگاه فشار آن را تا حد مجاز پایین می آورند . (به عبارتی کار این ولو ها همانند سوپاپ اطمینان است)

Safety valves فقط برای گازها ، هوا ، بخار و غیره (به استثنای مایع ) بکار برده می شود این شیرها به طور خودکار از افزایش غیر مجاز فشار بر روی ظروف تحت فشار و سیستم لوله کشی جلوگیری می کنند .
دریچه ی اطمینان راباید طوری انتخاب کرد که در صورت بهم خوردن تعادل فشار ظرف (در حدود 10 درصد بیش از فشاری که ظرف باید معمولا نگهدارد و یا در حد بالاترین فشاری که ظرف می تواند تحمل کند ) شیر اطمینان باز شده و مقادیر مایع یا گاز را خارج می کند.
سطح دریچه شیر اطمینان بایستی مساوی و یا بالاتر از سطح دریچه شیر ورودی ظرف و یا مخزن مورد نظر باشد .
این شیرها به سه نوع مشخص می شوند :
شیرهایی که روی منابع ظروف و دستگاه های محتوی گاز نصب می شوند و بنام safety valve نامیده می شوند .
شیرهایی که روی منابع و دستگا ه های محتوی مایع نصب می شوند بنام relief valve نامیده می شوند .
شیرهایی که بر روی منابع و دستگاه های محتوی گاز و مایع نصب می شوند و بنام safety relief valve نامیده می شوند .

از منظری دیگر، شیرهای اطمینان بر سه نوع تقسیم می شوند :
1) شیراطمینان با فنر : این نوع شیرها بهترین محافظ برای ظروف تحت فشار می باشند که روی صفحه دریچه آنها فنر مناسبی تعبیه شده و در بالای فنر مهره ای قرار دارد که بوسیله ی آن فشار روی دریچه فشار مخزن را در حد ایمنی مورد نظر کم و زیاد می کند .

2) شیرهای اطمینان وزنه ای : این نوع شیرها ،شیرهای هستند که بانیروی وزنه های روی دریچه فشار درون مخزن را در حد مجاز ایمنی مهار می کنند .

3) شیرهای اطمینان با فنر و دیاگرام : برای کنترل مواد و سیالات در ظروف از این نوع شیرها استفاده می شود زیرا با این شیرها هم فشار و هم سطح مایع در یک ظرف یا مخزن را می توانند کنترل نمایند . باید اطمینان حاصل کرد که ظرفیت گواهی شده شیر اطمینان صحیح باشد برای اینکه ظرفیت شیر را بدست آورند آ ن را با هوا یا بخار اشباع شده و یا گاز طبیعی آزمایش می کنند .

ولو های خودکار control valve

این شیرها با نیروی غیر از نیروی انسانی کار می کنند (اغلب با هوای ابزاردقیق و مایعات هیدرولیکی – پنیوماتیک و هیدرولیک ولو) .

فرمانهایی که برای تنظیم پروسه فرستاده می شود ممکن است هوایی ، برقی و یا هیدرولیکی باشد . بین فرمان ها ،فرمانهای هوایی متداول تر می باشد.
شیر خودکار از دو قسمت بدنه body و محرک actuator تشکیل شده است بدنه شیر خودکار مانند شیر دستی از دو قسمت نشیمنگاه و بند آور تشکیل شده است .