تکامل همه-دریچه توپی فراگیر

طراحی جمع و جور، سادگی استفاده، سهولت تعمیر و قابلیت عملکرد گسترده کمک کرده است تا شیر توپی به یک طراحی غالب در کاربردهای صنعتی مدرن تبدیل شود.

اختراع شیر توپی ثابت کرده است که یک تحول انقلابی برای صنعت شیرها است و راه حل های منحصر به فرد متعددی را ارائه می دهد که الزامات کنترل جریان مدرن را برآورده می کند. اما کاربرد موفقیت آمیز آن بلافاصله آشکار نشد.

در اوایل عمر شیر توپی، دارایی ها و ارزش های جاری آن محقق نمی شد. فقدان فناوری ماشینکاری برای ساخت یک توپ گرد واقعاً وجود نداشت. و مواد آب بندی آن زمان، که با استفاده از لاستیک های طبیعی مرتبط بود، بسیار محدود بود و مانع از اعمال شیر توپی برای استفاده صنعتی مهم می شد.

در طول جنگ جهانی دوم و در دهه 1950، فناوری ماشینکاری توسعه یافته برای تلاش های جنگی باعث شد که مزایای ذاتی شیر توپ در استفاده نظامی معرفی شود. توسعه مواد مصنوعی مانند پلی تترا فلوئورواتیلن (PTFE) که اغلب با نام تجاری تفلون شناخته می شود، راه را برای کاربردهای بخش صنعتی هموار کرد.

امروزه شیر توپی در طیف وسیعی از کاربردها برای کنترل جریان مایعات، گازها و حتی جامدات استفاده می شود. این کاربردها در دماهایی هستند که از -450 درجه فارنهایت (267- درجه) تا بیش از 1600 درجه فارنهایت (871 درجه) متغیر است. فشارها می تواند از خلاء کامل تا بیش از 20000 psi باشد.

طراحی سوپاپ توپ

اجزای اصلی شیر توپی بدنه، توپ، نشیمنگاه و ساقه است. این قطعات را می توان از مواد بسیار متنوعی ساخت. شیرهای توپی در اتصالات انتهایی متعددی از جمله فلنجی، رزوه ای، انتهای جوشی و ویفری و همچنین اتصالات انتهایی تخصصی ارائه می شوند.

مبانی

طرح‌های دریچه‌های توپی در دسته{0}سویال‌های چرخشی قرار می‌گیرند، از جمله دریچه‌های پلاگین و پروانه‌ای. این دسته چرخش ربع-به این معنی است که میل سوپاپ برای کارکردن 90 درجه چرخیده است.

رایج‌ترین این طرح‌ها، طرح شناور و طرح نصب شده بر روی ستون-می‌باشد. آنها معمولاً در آب بندی دو جهته هستند و می توانند در هر موقعیت یا جهتی جهت باز و بسته شدن قرار گیرند.

برخی از مزایای اساسی این شیرهای توپی نسبت به سایر طرح ها عبارتند از:

پورت کامل برای راندمان جریان بالا-

گشتاور کمتر

محدوده فشار و دما گسترده تر

قابلیت چرخه بالا

مهر و موم ساقه برتر

آتش-ایمن

هزینه کمتر برای خودکار

طراحی توپ شناور در ابتدا زمانی که شیر مونتاژ می شود، توپ را بین صندلی های نرم فشرده می کند. این باعث می‌شود که مواد صندلی سرد شود-به داخل منافذ توپ، ایجاد خلاء و آب‌بندی با فشار کم-. در حالت بسته، فشار خط، توپ را به سمت صندلی پایین دست مجبور می کند. این یک خاموشی محکم بر روی طراحی فشار و دمای صندلی را فراهم می کند.

طراحی شناور در محدوده اندازه‌ای از 1/4 تا 12 اینچ رایج‌تر است، اگرچه برخی از تولیدکنندگان اندازه‌های تا 18 اینچ را ارائه می‌دهند. اندازه دریچه توپی شناور به اندازه و وزن توپ و گشتاور مورد نیاز برای چرخش آن با افزایش اندازه محدود می شود.

طرح‌های نصب شده{0}Trunnion درست برعکس طرح شناور عمل می‌کنند. در طراحی خرطومی، توپ نمی تواند شناور شود، اما به طور سفت و سخت توسط ساقه در بالا و یک شفت یا ران، با استفاده از یاتاقان در پایین قرار گرفته است. صندلی ها با استفاده از فنر یا فنرها روی توپ فشرده می شوند تا درزگیر اولیه فشار پایین- ایجاد شود.

صندلی‌های سوپاپ Trunnion با مهر و موم‌هایی طراحی شده‌اند که می‌باشند{0}}روشن شوند، با افزایش فشار، صندلی بالادست را سخت‌تر وارد توپ می‌کند. این یک خاموشی محکم بر روی طراحی فشار و دمای صندلی را فراهم می کند.

طرح‌های Trunnion معمولاً جایی را می‌گیرند که کاربرد طراحی توپ شناور متوقف می‌شود و می‌توان آن‌ها را در محدوده اندازه‌ای از ۳ تا ۷۲ اینچ یافت. مزیت این طراحی سوپاپ با افزایش اندازه شیر آشکار می شود.

وزن توپ و گشتاور عملیاتی عاملی نیستند، زیرا صندلی‌های دریچه‌های تراننیون توپ را پشتیبانی نمی‌کنند. این به این معنی است که صندلی‌های سوپاپ تراننیون می‌توانند در آب‌بندی توپ تخصص داشته باشند و اجازه می‌دهند دریچه‌های بسیار بزرگ‌تر با محرک‌های کوچک‌تر نسبت به هر نوع طراحی شناور ساخته شوند.

بدن

بدنه شیر توپی را می توان از تقریباً هر فلز قابل تصوری ریخته گری، آهنگری یا ماشین کاری کرد. این به دلیل طراحی ساده و فشرده شیر توپی است. فلزات قابل استفاده عبارتند از:

غیر آهنی، مانند برنج، برنز و آلومینیوم

فلزات مبتنی بر{0}آهنی، از جمله آهن، فولادهای کربنی و فولادهای ضد زنگ

فلزات مبتنی بر نیکل- که عبارتند از هاستلوی، اینکونل و نیکل

فلزات واکنش پذیر، از جمله تیتانیوم، تانتالیوم و زیرکونیوم.

شیرهای توپی نیز در انواع پلاستیک ها و پلیمرها از جمله PVC، پلی اتیلن و پلی پروپیلن ساخته می شوند. شیرهای توپی را می‌توان با پلیمرها و پلاستیک‌ها پوشانده و از سرامیک‌هایی مانند آلومینا و زیرکونیا ساخته یا با آن‌ها روکش کرد.

طراحی پایه بدنه شیرها در ایالات متحده مطابق با دستورالعمل های استاندارد B16.34 ASME (انجمن مهندسین مکانیک آمریکا) است. این استانداردها ضخامت دیوار، سطوح تنش و سایر پارامترها را در ارتباط با فشار{2}}روابط دما برای اکثر آلیاژهای آهنی تعیین می‌کنند.

دستورالعمل‌های B16.10 همچنین ابعاد قابل قبول بسیاری از کلاس‌های دریچه‌ها را مشخص می‌کند، مانند استانداردهای{1} ویژه صنعت مانند استاندارد 6D API (موسسه نفت آمریکا) برای شیرهای خط لوله و API 608، "شیرهای توپی فلزی-فلنج‌دار، رزوه‌دار، و انتهای جوشی." این مشخصات ابعاد، مواد و کاربردها را کنترل می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که طراحی شیر از سازنده‌ای به سازنده دیگر ثابت می‌ماند و برای کاربرد مورد نظر ایمن است.

شیرهای توپی در خدمات آبرسانی تحت استاندارد AWWA (انجمن آبرسانی آمریکا)، C507-18، "شیرهای توپی، 6 اینچ. 60 اینچ. (150 میلی متر تا 1500 میلی متر) هستند."

بسیاری از کشورهای دیگر دارای استانداردهای ملی هستند و چندین سازمان نیز استانداردهای بین المللی را تقویت می کنند. تولیدکنندگان سوپاپ که مایل به ورود به بازار جهانی هستند باید استانداردهای ISO (سازمان بین‌المللی استاندارد)، PED (دستورالعمل تجهیزات فشار کمیسیون اروپا -)، CE (PED) و ATEX (Bureau Veritas) را از جمله استانداردهای بسیار دیگری که در چین و روسیه وجود دارد، رعایت کنند. رعایت این استانداردها به یک الزام برای تجارت با اتحادیه اروپا و همچنین استانداردهای JIS برای ژاپن و الزامات مشابه در جاهای دیگر تبدیل شده است.

سایر مشخصات رایج برای رتبه بندی شیرهای توپی عبارتند از WOG (آب/روغن/گاز)، CWP (فشار کاری سرد) و WSP (فشار بخار کار). این رتبه‌بندی‌ها محدودتر هستند و معمولاً توسط سازنده ایجاد می‌شوند. تمام این مشخصات منحنی فشار/دما را برای طراحی شیر ایجاد می‌کند که با افزایش دما، درجه فشار را کاهش می‌دهد.

طراحی های بدنه به چهار پیکربندی اصلی تقسیم می شوند:

سه-تکه به بیرون. بدنه در سه تکه با قابلیت چرخاندن آسان قسمت بدنه مرکزی به خارج از خط برای تعمیر بدون نیاز به برداشتن کل شیر طراحی شده است. این کار زمانی مفید است که شیرها به یک خط لوله رزوه یا جوش داده شوند.

پایان ورود. این طرح از یک-طرح یک تکه یا یکپارچه استفاده می‌کند. تمام اجزای داخلی از انتها در شیر مونتاژ می شوند، جایی که یک شاخه انتهایی برای نگه داشتن قطعات نصب می شود. این طراحی هر نوع مهر و موم بدنه یا کلاه را از بین می برد و مسیر نشت احتمالی را از بین می برد.

شکاف بدن. این طرح (شکل 5)، همانطور که از نام آن پیداست، بدنه را به دو قسمت تقسیم می‌کند و امکان مونتاژ آسان و یک مهر و موم بدنه کمتر از طرح سه- را فراهم می‌کند.

این طراحی بدنه تقسیم شده به ویژه زمانی مفید است که اندازه سوپاپ بزرگ باشد و مونتاژ اجزای بزرگ را آسان‌تر می‌کند.

ورودی برتر. طراحی ورودی بالایی از یک بدنه-یک تکه مانند ورودی انتهایی استفاده می‌کند، با این تفاوت که قسمت بالای بدنه برای جمع‌آوری قطعات داخلی در معرض دید قرار می‌گیرد. سپس یک کلاه در بالای شیر پیچ می‌شود و این طرح را می‌توان به صورت خطی، مشابه طرح سه‌تکه‌ای،-ترمیم کرد. رایج‌ترین طرح‌های ورودی بالا منحصر به طرح‌های دریچه‌های توپی است، زیرا برخلاف طرح‌های دیگر، توپ و صندلی‌ها شناور هستند و به صورت هماهنگ و روی یک مخروط در داخل بدنه عمل می‌کنند.

توپ

عنصر کنترل جریان دریچه توپ، البته، توپ است. توپ در برابر نشیمنگاه عمل می کند و می تواند جریان را از طریق دریچه متوقف یا کنترل کند. توپ ها با تحمل های دقیق برای پرداخت سطحی و کروی یا گردی طراحی و تولید می شوند. هم توپ و هم نشیمنگاه برای عملکرد صاف، گشتاور کاهش یافته و عملکرد آب بندی خوب بسیار مهم هستند، به خصوص زمانی که صندلی های فلزی و آب بندی فلزی-به{4}}مورد نیاز است. پیکربندی پورت توپ می‌تواند از سبک استاندارد مستقیم و از طریق سوراخ‌ها تا سبک چند پورت برای دریچه‌های توپی که طرح‌های سه- تا-درگاهی را ارائه می‌دهند، متفاوت باشد. در حالی که بیشتر طرح‌های شیر توپی از یک توپ کروی کامل استفاده می‌کنند، طرح‌هایی نیز وجود دارند که از نیم توپ (بخش) و آنهایی که از عمل بادامک برای فشار دادن توپ به صندلی استفاده می‌کنند.

توپ های مورد استفاده در شیرها از مواد بسیاری از جمله فلز، سرامیک یا پلاستیک ماشین کاری می شوند. توپ‌های فلزی را می‌توان با انواع پوشش‌ها یا درمان‌های سطحی تقویت کرد. اینها برای ایجاد مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر خوردگی یا سختی بالا برای جلوگیری از داغ شدن، جایی که فلز پایه مقاومت نمی کند، استفاده می شود.

بهبود سطح می تواند شامل پلیمرها، اسپری شعله، نیکل الکترولس، پوشش های PVD و فرآیندهای انتشار مانند کاربرد نیترید و بورید باشد. این پیشرفت‌ها دلیل اصلی کاربرد موفقیت‌آمیز شیرهای توپی در طیف گسترده‌ای از کاربردهایی است که در حال حاضر در آنها استفاده می‌شود.

صندلی ها

بهبود طراحی و فناوری صندلی به شیر توپی اجازه داده است تا در طیف گسترده ای از کاربردها گسترش یابد. این صندلی ها بسته به طراحی سوپاپ و مواد نشیمنگاه می توانند عملکردهای متعددی را ارائه دهند.

آنها باید در مورد مواد ارتجاعی خاموش شوند، و همچنین توپ را در طرح های توپ شناور پشتیبانی کنند، در برابر سرویس مقاومت کنند و عمر چرخه خوبی را ارائه دهند. صندلی‌ها همچنین می‌توانند از پورت‌های مشخصه‌ای برای اهداف کنترل جریان استفاده کنند.

طرح‌های صندلی نرم معمولاً به‌عنوان طرح‌های «جم» نامیده می‌شوند که هنگام مونتاژ{0}}تماس با صورت کامل ایجاد می‌کنند، یا به‌عنوان طرح‌های لب‌های انعطاف‌پذیر که تماس با صورت را برای گشتاور کمتر و بهبود عمر چرخه کاهش می‌دهند.

طرح‌های مختلف بدنه از این یا تغییراتی از طراحی پایه نرم صندلی استفاده می‌کنند. طرح‌های بسیاری از سازندگان نیز نوعی کاهش فشار حفره را ارائه می‌کنند، و از آسیب‌دیدگی نشیمنگاه و سوپاپ در صورت گیر افتادن فشار حفره از رسانه‌های محبوس شده در یک شیر بسته جلوگیری می‌کنند.

مواد صندلی نرمی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از، اما محدود به موارد زیر نیستند:

لاستیک ها، از جمله نئوپرن و بونا

فلوروپلیمرها، از جمله PTFE، TFM، PBI و PFA

UHMWPE (پلی اتیلن فوق-با وزن مولکولی بالا)

PEEK (پلی اتر کتون)

دلرین

نایلون

طرح‌های نشیمن فلزی در شیرهای توپی برای انجام شدیدترین کاربردها از جمله فشار بالا، دمای بالا، سایندگی و کنترل جریان استفاده می‌شوند.

طرح‌های صندلی‌های فلزی زیادی در حال استفاده هستند، که رایج‌ترین آنها شامل نشیمن‌گاه‌های فلزی جامد، سفت‌شده یا روکش‌شده روی سطح و چسباندن به توپی است که به طور مشابه سخت شده است. این سطح توپ و صندلی را منطبق می‌کند تا روی مهر و موم خوب تأثیر بگذارد.

طرح های دیگر عبارتند از فلز متخلخل آغشته به گرافیت یا PTFE و حتی برخی از طرح های انعطاف پذیر. صندلی‌های ارتجاعی باید حباب‌دار- محکم باشند، با این حال اکثر شیرهای دارای نشیمنگاه فلزی مجاز به مقداری نشت به ازای نرخ مشخصات نشتی دریچه‌های توپی- فلزی هستند. متداول ترین این مشخصات MSS-SP-61 و API 598 هستند. سایر مشخصاتی که معمولاً برای شیرهای توپی فلزی اعمال می‌شوند شامل استانداردهای FCI 70.2 و API هستند.

بیشتر طراحی‌های توپ فلزی{0}}نشسته و شناور از فنرها و/یا مهر و موم‌ها برای فشرده کردن صندلی‌ها در برابر توپ، و برای مهر و موم کردن قسمت پشتی صندلی برای فشارهای کم استفاده می‌کنند. با افزایش فشار، توپ در برابر صندلی پایین دست شناور می شود، و باعث می شود که طراحی فشار و دمای صندلی، مشابه عملکرد نسخه نرم-نشیمنگاه، خاموش شود.

در طرح‌های تراننیون، از فنرها و اغلب چندین آب‌بند برای گرفتن فشار خط استفاده می‌شود که با افزایش فشار، صندلی‌ها را در مقابل توپ محکم‌تر می‌کند. برخی از سازندگان حتی سطح نشیمنگاه را در بدنه سوپاپ ماشینکاری می کنند و فنرها و آب بندی ها را در یک جهت حذف می کنند. با این حال، این معمولاً منجر به عملکرد یک سوپاپ یک طرفه می شود.

ساقه ها

ساقه در شیر توپی برای چرخاندن توپ به حالت باز یا بسته و یا به یک موقعیت میانی برای کنترل جریان استفاده می شود. مواد در نظر گرفته شده برای ساقه باید بیش از فشار بدن، توپ یا صندلی را تحمل کنند. آنها باید در برابر خوردگی و دمای فرآیند مقاومت کنند و در عین حال استحکام کافی برای مقاومت در برابر گشتاور اعمال شده به آنها را در هنگام کار کردن شیر حفظ کنند. به همین دلیل، معمولاً مواد مقاوم در برابر خوردگی و استحکام بالاتر برای تولید ساقه انتخاب می‌شوند.

از آنجا که ساقه اتصال به توپ است، باید از بدن عبور کند تا بتوان آن را به صورت خارجی عمل کرد. این امر مستلزم آن است که ساقه دارای مهر و موم باشد تا از فرار رسانه های موجود در شیر جلوگیری شود. مهر و موم ها باید حباب- را محکم ببندند، در برابر خوردگی و دما مقاومت کنند و عمر چرخه خوبی داشته باشند.

مواد معمولی مهر و موم ساقه شامل پلیمرهایی مانند PTFE و PEEK است. برای دماهای بالاتر یا ایمنی در برابر آتش، معمولاً از مهر و موم ساقه گرافیت استفاده می شود. این مواد در بازه‌های دمایی وسیع انعطاف‌پذیر می‌مانند و از نظر شیمیایی مقاوم هستند. در دریچه های آب بندی شده در آتش، آب بندی ها باید بدون نشتی در برابر آتش دوام بیاورند.

طرح‌های سوپاپ چرخشی یک چهارم-مثل شیر توپی بهترین عملکرد را دارند-. این به دلیل حرکت ساقه در یک حرکت چرخشی است، برخلاف حرکت ساقه بالارونده که در شیرهای دروازه و گلوب وجود دارد. با توجه به نگرانی‌ها و مقررات زیست‌محیطی امروزی، عملکرد مهر و موم ساق برای تولیدکنندگان شیر و کاربران نهایی بسیار مهم است.

طرح‌های مهر و موم ساقه به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: مهر و موم‌های ساقه‌دار-انرژی‌دار و مهر و موم‌های بدنه{1}}. این طرح ها از انواع مختلفی از مهر و موم استفاده می کنند که رایج ترین آنها حلقه مسطح، شورون، فنجان و مخروط و عناصر یکپارچه است.

ساقه پر انرژیدر این طرح معمولاً حلقه های آب بند متعددی وجود دارد. برخی از اینها در داخل مرز فشار بدنه شیر قرار دارند که به مهر و موم اولیه تبدیل می شود و برخی دیگر خارج از مرز فشار در جعبه "بسته بندی" یا "پر کردن" نامیده می شوند.

این مهر و موم ها از طریق عمل بالا کشیدن روی ساقه با یک مهره ساقه فشرده یا انرژی می گیرند، که به طور همزمان مهر و موم های بالایی را با یک دنبال کننده بسته بندی فشرده می کند. بیشتر این طرح ها از فنرهای Belleville برای بارگذاری زنده مهر و موم ها استفاده می کنند. این امر باعث می‌شود مجموعه مهر و موم ساقه خود-تنظیم شود و دما را جبران کند و قبل از نیاز به تنظیم مجدد، عمر چرخه طولانی‌تری داشته باشد.

بدن پر انرژیدر این طرح، آب بندی در بالای مرز فشار در جعبه پرکننده، دوباره با استفاده از حلقه های مهر و موم تک یا چندگانه انجام می شود. برخی از سازندگان ممکن است از یک یاتاقان رانش بر روی ساقه زیر مرز فشار استفاده کنند، اما در واقع هیچ آب بندی در آنجا انجام نمی شود.

این مهر و موم ها با استفاده از یک "یوغ" یا "صفحه غده" بارگذاری می شوند و مهر و موم ها را در جعبه پرکننده با استفاده از پیچ و مهره های رزوه شده در بدنه فشرده می کنند. این طرح معمولاً از چندین فنر Belleville بر روی پیچ‌ها استفاده می‌کند تا مجدداً صفحه غده را "بار زنده" کند که باعث می‌شود مهر و موم ساقه خود تنظیم شود.

مزیت این طرح این است که ساقه به صورت آزاد در داخل مهر و موم شناور می شود که باعث کاهش گشتاور و افزایش عمر آب بندی ساقه می شود. این طرح همچنین امکان ادغام طرح‌های "گسیل فراری" را فراهم می‌کند، که از مجموعه‌های متعدد مهر و موم استفاده می‌کنند و مهر و موم‌های اضافی یا اضافی را برای کاربردهای سمی و بالا{1}} ایجاد می‌کنند.

برنامه های کاربردی

با طرح ها و مواد پیشرفته ارائه شده در شیرهای توپی مدرن، در بسیاری از خدمات و صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. موفقیت در این برنامه ها بستگی به مشخصات صحیح همه این طرح ها و اجزای مورد بحث دارد.

طراحی توپ به سرویس روشن/خاموش محدود نمی شود. می توان از آنها برای منحرف کردن، کنترل یا مخلوط کردن جریان ها استفاده کرد. عملکردهای مختلف را می توان با داشتن چندین پورت برای تغییر مسیر و اختلاط، یا با داشتن یک پورت مشخص، مانند پورت V{2}} برای کنترل جریان انجام داد.

استفاده از شیر توپی کنترل یک چهارم{0}}در برنامه‌های کنترل جریان افت فشار متوسط ​​رایج‌تر می‌شود. این به دلیل مزایای فرآیند هزینه پایین تر، خاموش شدن محکم و دقت بالا در هنگام همراه شدن با کنترل های دیجیتالی در تحریک الکتریکی و پنوماتیکی است.

همچنین طرح های تخصصی شیر توپی برای کاربردهای منحصر به فرد وجود دارد. اینها می‌توانند شامل دریچه‌هایی برای سرویس برودتی، که باید دماهای بسیار پایین را تحمل کنند، و دریچه‌هایی برای بخار{1} با فشار بالا، که باید دما و فشارهای بسیار بالا را تحمل کنند.

از دیگر کاربردهای شیر توپی می توان به استفاده از آنها در صنایعی مانند داروسازی، هوافضا، هسته ای، بیوتکنولوژی و خمیر و کاغذ اشاره کرد. کاربردهایی که در آنها استفاده می شود عبارتند از اسیدها و مواد شیمیایی، دوغاب، سیالات حرارتی، بخار و مواد برودتی.

نتیجه گیری

طراحی جمع و جور، سادگی استفاده، سهولت تعمیر و قابلیت عملکرد گسترده کمک کرده است تا شیر توپی به یک طراحی غالب در کاربردهای صنعتی مدرن تبدیل شود. و شیرهای توپی به منظور پاسخگویی به خواسته های جدید و دشوارتر به تکامل خود ادامه می دهند.

بخش صنعت تاکید بیشتر و بیشتری بر ایمنی، محیط زیست، بهبود کارایی و کاهش هزینه دارد. بنابراین، دارایی های شیر توپی همچنان آن را به یک بازیکن مهم با نقش های آینده تبدیل می کند.