بال ولو یا شیر توپی از دسته شیرآلات صنعتی با حرکت گردشی (Rotational Motion) است که با استفاده از یک دیسک توپی و یا کروی جهت قطع و وصل کردن جریان (ON/OFF) مورد استفاده قرار میگیرد. اغلب دسته بال ولو ها ﺍﺯ ﻧﻮﻉ سریع (Quick-Acting) است به گونه ای که با یک گردش 90 درجه ای دسته شیر باز و بسته می گردد.
زمانی که شیر میخواهد در حالت باز قرار گیرد، توپی میچرخد و در حالتی قرار میگیرد که سوراخ درون توپی با مسیر ورودی شیر و خروجی جریان از شیر در یک خط قرار گیرد و سیال از آن عبور کند. همچنین زمانی که شیر میخواهد بسته شود، توپی چرخیده و سوراخ آن در جهت عمود بر جریان سیال قرار میگیرد و مسیر جریان قطع میشود.
بیشتر عملگرهای (اکچویتورها) شیر توپی از نوع سریع العمل هستند و با یک چرخش 90˚ در اهرم شیر، شیر از حالت کاملاً بسته به حالت کاملاً باز تغییر میکند. در شیرهای توپی با سایز بزرگ که نیاز به گشتاور بالایی برای باز و بسته کردن شیر دارند عملگر به یک چرخنده خورشیدی متصل میشود. در شیرهای توپی با اهرم دستی زمانی که اهرم با محور شیر هم جهت میشود شیر باز است و زمانی که اهرم در جهت عمود بر محور شیر قرار میگیرد شیر بسته میباشد.
بال ولو یا شیر توپی چیست؟
این دسته از شیرآلات صنعتی با طراحی خاص خود، به عنوان یکی از ساده ترین طراحی ها برای قطع و وصل جریان سیال شناخته می شود و مورد استفاده قرار می گیرد.
جنس شیرهای توپی از فلز بوده و کار با آن بسیار راحت است. بر روی بدنه آن ها یک علامت مثبت (بعلاوه) وجود دارد که نشان دهنده باز بودن کامل مسیر سیال می باشد و برعکس.
این دسته از شیرها معمولا صفر یا صدی کار می کنند یعنی یا مانع عبور سیال می شوند و یا راه را برای عبور سیال باز می کنند از این جهت به طور کلی از شیر های توپی نمی توان در سیستم های کنترلی استفاده کرد.
از آن جایی که کار با بال ولو یا شیر توپی ساده است، سرعت عملکرد بالایی دارد و هزینه اجرای آن پایین است، کاربرد فراوانی در صنایع مختلف دارند. انواع شیرهای توپی از نظر نوع جنس عبارتند از:
- شیر توپی قولادی
- شیر توپی برنجی
- شیر توپی استیل
- شیر توپی پلیمری
- شیر توپی UPVC
- شیر توپی آبیاری قطره ای
مشخصات فنی شیر توپی یا بال ولو
به طور معمول در شیرهای توپی استنلس استیل تمامی اجزا از جمله بدنه، دسته و توپی از جنس استنلس استیل هستند اما ممکن است جنس اجزای داخی و بدنه با هم متفاوت باشد. همچنین جنس آب بند از نوع PTFE می باشد.
در شیرهای توپی استنلس استیل بازه تحمل دمایی در کلاس های مختلف یکسان و حدود 200 درجه سانتی گراد است و بازه تحمل فشاری متناسب با افزایش کلاس کاری افزایش می یابد. تفاوت اصلی بین شیر های توپی فولادی و استنلس استیل در جنس بدنه و کاربرد آنها است.
آلیاژ استنلس استیل شامل آهن به همراه مقادیری مختلفی از کربن، سیلیکون و منگنز و حداقل 10.5 درصد کروم است. کروم افزوده شده در سطح فلز لایه ای از محافظ ایجاد می کند که مانع از هر گونه خوردگی می گردد.
با افزایش مقدار کروم مقاومت در برابر خوردگی افزایش می یابد. همچنین برخی از گرید های استنلس استیل شامل عناصر (آلیاژ) نیکل و مولیبدن هستند که افزایش شکل پذیری و مقاومت بیشتر آلیاژ در برابر خوردگی را به همراه دارند.
معرفی انواع دسته بندی شیر توپی ها:
با کمک معیارهای گوناگونی قادر هستیم تا انواع شیرهای توپی بال ولو را دسته بندی کنیم. این معیارها عبارت هستند از:
- از منظر طراحی: یکی از روش هایی که برای دسته بندی آن به کار می رود بر اساس طراحی آن ها است. از این رو بال ولوها در دسته های شناور(Floating) ، ترونیون (Trunnion) و شیر انسداد و تخلیه(Double Block and Bleed) دسته بندی می شوند.
- از نظر تعداد پورت ها ( پورت های ورودی): شیرهای توپی بر اساس این معیار به دو گروه تقسیم می شوند:
- شیر توپی استاندارد که از دو پورت بهره می گیرد که یک پورت خروجی و دیگری ورودی است
- شیرهای توپی سه طرفه که هم می توانند دارای دو خروجی و یک ورودی باشند و هم برعکس آن یعنی دو ورودی و یک خروجی.
- سایز مجرا: شیرهای توپی بر اساس سایز مجرا به دو دسته تقسیم بندی می شوند. دسته ی نخست شیرهایی با مجرای کامل (Full Bore یا کاهنده Reduced Bore) و دیگری شیرهای توپی با شکل v
- از نظر نحوه ی سرهم بندی قطعات: از این نظر شیرهای توپی در دو دسته ی یکپارچه و دو یا سه قطعه ای قرار می دهند. در نوع یکپارچه اسکلت اصلی توپ از قطعه ی کست و یا استیل فورج درست می شود اما در نوع چند قطعه ای اسکلت اصلی توپ به کمک سر هم شدن دو یا سه قطعه ی متفاوت تشکیل می شود.
- از لحاظ مدخل توپ: بر اساس این ویژگی بال ولو به دو دسته تقسیم می شوند که عبارت هستند از شیرهای دارای ورودی جانبی و شیرهای دارای ورودی بالایی.
- بر اساس نوع سیت: می تواند در دو دسته ی فلزی و تلفون قرار گیرد.
انواع بال ولو بر اساس طراحی بدنه
بدنه شیرهای توپی به سه شکل یک تکه، دو تکه و سه تکه طراحی می گردد که به کمک جوشکاری و یا پیچ و مهره به یکدیگر متصل می شوند به همین دلیل قیمت شیرهای دو تکه و سه تکه بالاتر است اما هزینه های تعمیر آن ها پایین تر خواهد بود.
جنس بدنه شیرهای توپی از جنس فولاد ضد زنگ، مواد پلیمری، چدن و دیگر آلیاژهای فلزی است. اگر بخواهیم انواع بال ولو را بر اساس طراحی بدنه نام ببریم به شرح زیر می باشد:
ورودی کناری:
در این مدل، بدنه شیر به گونه ای طراحی شده است که توپ از بخش کناری وارد یا خارج شیر می شود بنابراین در صورت نیاز به تعمیر توپی شیر، بال ولو می بایست جریان جدا شده و تعمیرات لازم روی آن انجام بگیرد
ورودی بالا:
در این مدل همان طور که از اسمش پیداست بخش توپی از بالا قابل دسترسی باشد که یک مزیت است زیرا در صورت نیاز به تعمیر و میزکاری، شیر توپی از مسیر خط لوله خارج نخواهد شد. در طراحی این دسته از شیرهای توپی هرچقدر اتصالات کمتر باشد، میزان نشتی های احتمالی نیز کاهش خواهد یافت.
جوشی:
در این دسته از انواع بال ولو، از پیچ و مهره و اتصالات چند تکه استفاده نمی شود زیرا شیر به صورت یک تکه و به صورت جوش کامل بدنه ساخته می شود.
این شیرها مزایای بسیاری نظیر استحکام بالای بدنه، حجم و وزن کم دارند اما به دلیل اینکه امکان تعمیر برای شیرهای تمام جوش وجود ندارد، در طراحی های صنعتی کمتر مورد استفاده قرار می گیرند.
توپ داخل بال ولو یا شیر توپی نیز طراحی مختلفی دارد بنابراین خود این دسته نیز دسته بندی های خودش را دارد که به شرح زیر می باشد:
- شناور
- ترونیون
- قطر کم
- قطر زیاد
- وی شکل
عملکرد شیرتوپی یا بال ولو چگونه است؟
برای درک نحوه کار شیر توپی ، مهم است که با قسمتهای اصلی بال ولو و نحوه عملکرد توپ داخل آن آشنایی داشته باشیم. شکل 1 قسمتهای مختلف یک شیر توپی را نمایش داده است. این مدل شیر ها قابلیت کار به صورت دستی و یا به طور خودکار (به صورت الکتریکی یا پنوماتیک) را دارا می باشند.
نحوه عملکرد این شیر به این صورت می باشد که وقتی ساقه یا محور شیر به اندازه یک چهارم دور چرخش می کند، سوراخ توپ در مسیر جریان قرار گرفته و به سیال اجازه عبور می دهد. همچنین برای جلوگیری از جریان سیال حرکت محور شیر باعث می شود که سوراخ توپ عمود بر مسیر جریان قرار گیرد.
بدنه شیر
اصلی ترین قسمت شیر، بدنه آن می باشد که به عنوان نوعی مخزن یا محفظه تحت فشار عمل می کند و سایر اجزای شیر توپی در آن جمع می شوند. بدنه ولوها از مواد مختلفی ساخته می شوند که متداولترین آن استیل، برنج، برنز، چدن، فولاد ضد زنگ، آلومینیوم، PVC یا CPVC است.
بدنه شیر را می توان به صورت یک یا چند پارچه ساخت که با استفاده از پیچ و مهره به هم متصل می شود. در مدل های چند پارچه می توان قطعات را برای تعمیر از هم جدا کرد در حالی که در مدلهای یک پارچه امکان تعمیر شیر وجود ندارد. و در صورت خرابی شیر بایستی تعویض شود.
اجزای اصلی مورد استفاده در ساخت شیر توپی عبارتند از:
- بدنه شیر
- توپ یا کره کنترل جریان
- نشیمنگاه (Seat) شیر
- واشر آببندی (Packing)
- درپوش (Bonnet)
- اکچوویتور (Actuator)
مزایای استفاده از بال ولو یا شیر توپی
- عمل كردن در نسبت یک به چهارم بسته بودن و باز بودن مجراي توپي
- يكپارچه بودن قطعات آن و عدم نياز به روانكاري
- عمل كردن سريع در باز و بسته شدن
- وزن كم
- ساختمان فشرده
- نصب و بهره برداري آسان
- تغيير سریع جهت جريان
- گشتاور پايين مورد نياز جهت باز و بسته كردن
- و در نهایت ، قیمت پایین تر نسبت به سایر شیر ها
معایب استفاده از بال ولو:
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.
جنس شیر های توپی یا بال ولو ها (Ball Valve)
در شیر های توپی با بدنه فلزی دیسک معمولا از جنس فلز بوده و جنس نشیمنگاه آنها معمولا از مواد انعطاف پذیر (Elastomer) مانند تفلون (Teflon)، نایلون (Nylon)، لاستیک نیتریل (Buna-N)، لاستیک نئوپرن (Neoprene) و یا ترکیبی از آنها می باشد.
از اینگونه شیر ها برای دما های بالا نمی توان استفاده نمود و هنگام انتخاب آن ها علاوه بر دما می بایست از سازگاری سیال مورد استفاده با جنس نشیمنگاه مطمئن شد.
به طور کلی شیر های کمتر از قطر 2 اینچ (5 سانتی متر)، دارای 2 قطعه از سه قطعه ی 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 و ASTM A182 F304 ، F316 برای شیرآلات استیل ضد زنگ یا درجات بالاتر، مانند شیرهای دوبلکس ASTM A182 F51 و فوق العاده دوبلکس ASTM A182 F53 / F55).
نکات مهمی که در استفاده از شیرتوپی باید به آنها توجه کرد:
شیر توپی یا بال ولو (Ball Valve)، همان طور که گفته شد یکی از محبوب ترین و پر مصرف ترین شیرآلات در حوزه ی کارهای پتروشیمی هستند. علت این امر چندین مورد مختلف است که عبارت هستند از:
جای کمی اشغال می کنند، به راحتی نصب می شوند و برای ترمیم مشکلی به وجود نمی آورند. به علاوه طول عمر زیادی دارند و در برابر آسیب ها مقاومت خوبی از خود نشان می دهند.
از دیگر مزیت های این شیرها می توان آب بندی مناس می شوند و نیز سرعت عملکردی خوبی اشاره کرد.
شیر توپی دارای یک جسم کروی شکل است که کمک می کند تا عبور جریان را متوقف کرد. استفاده از این قطعه ی کروی شکل باعث شده تا در مقایسه با بقیه ی شیرها، شیر توپی هم از وزن کمتری برخوردار باشد و هم از نظر سایزی فضای کمتری را اشغال کند. همچنین این شیرها، با در نظر گرفتن جنس و سایز یکسان، از لحاظ قیمتی نیز از بقیه ی شیرآلات ارزان تر هستند.
کلام آخر
این قطعات امروزه در صنایع متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرند. دلیل انتخاب شیر های توپی ساختمان سادۀ آن ها و همچنین عملکرد سریع آن ها در خطوط لوله است. این شیرها به شکل های متفاوتی تولید می شوند. برای دسته بندی انواع بال ولو می توان به طراحی ساختمان بدنه و یا توپی شیر دقت کرد.
برای انتخاب یک شیر توپی مناسب لازم است به مواردی مثل فشار جریان، دمای سیال، تعداد مجراهای مورد نیاز، جنس بدنه و … شیر دقت داشت. برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید با مشاورین ما در فانو در تماس باشید.
