شیر توپی (بال ولو)

طرح‌های نشیمنگاه شیر توپی

تماس نزدیک بین نشیمنگاه‌های بال ولو از چند راه حاصل می‌شود که برخی از متداول‌ترین آن‌ها عبارتند از:
1- توسط فشار مایع که توپ شناور را به سمت نشیمنگاه هُل می‌دهد.
2- توسط فشار مایع که رینگ نشیمنگاه شناور را به سمت توپ متکی به ترونیون هُل می‌دهد.
3- توسط تقویت کننده بین نشیمنگاه و توپ متکی به ترونیون
4- توسط نیروی مکانیکی که هنگام بسته شدن شیر به توپ و نشیمنگاه وارد می‌شود.
5- توسط یک رینگ فشاری مانند O-ring

انواع شیر توپی

بر اساس نوع محفظه (Housing)

مونتاژ محفظه شیر شامل چند طرح متداول می‌شود که در زیر به آن‌ها اشاره می‌کنیم. تفاوت این طرح‌ها در نحوه اتصال قطعات به یکدیگر می‌باشد که این امر بر روی راه‌های تعمیر و نگهداری تاثیر می‌گذارد. در همه انواع محفظه، عملکرد شیر یکسان است.

شیر توپی یک تکه

این نوع شیر بدنه‌ای یک تکه داشته که قالب‌ریزی شده است و همین امر خطر نشتی را کاهش می‌دهد. این نوع شیر توپی ارزان‌ترین نوع موجود است که نمی‌توان آن را برای تمیز کردن یا تعمیر باز کرد. این نوع شیر در کاربری‌های کمی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شیر توپی دو تکه

این نوع شیر دو تکه است، که یک قسمت آن در انتهای خود دارای اتصال بوده و قسمت دیگر آن که داخل تکه اول قرار می‌گیرد تریم را در سر جای خود نگاه داشته و دارای اتصال انتهایی دوم می‌باشد. می‌توان قطعات آن را برای تمیز کردن، بازرسی و تعمیر باز کرده و از هم جدا نمود. باید برای باز کردن شیر ابتدا آن را از خط لوله جدا کرد.

شیر توپی سه تکه

همانطور که از نامش پیداست بدنه‌ای سه تکه دارد. دو کلاهک انتهایی و یک بدنه. تمام سه تکه با استفاده از پیچ و مهره به یکدیگر متصل شده‌اند. این طراحی به شما اجازه می‌دهد تا قطعات مرکزی شیر که شامل توپ، استم و نشیمنگاه است را به راحتی از خط لوله جدا کرد. این امکان باعث می‌شود تا بتوان رسوبات شیر را به راحتی تمیز کرده و جابجایی نشیمنگاه‌ها و پکینگ گلند و پرداخت یا پولیش خراش‌های کوچک روی توپ بدون جدا کردن لوله از بدنه شیر انجام گیرد که این یک مزیت محسوب می‌شود. این نوع شیرآلات معمولاً نسبت به انواع دیگر شیر گران‌تر هستند.

شیر توپی با ورودی فوقانی

در این نوع شیر، توپی آن از قسمت فوقانی مونتاژ می‌شود. با وجود ورودی فوقانی دسترسی به توپ و نشیمنگاه برای تعمیر و نگهداری بدون نیاز به باز کردن شیر امکان‌پذیر می‌باشد، همچنین نیازی به جدا کردن شیر از خط لوله نیست. شیرهای توپی با ورودی فوقانی معمولاً با تکنیک قالب‌ریزی تولید می‌شود به همین دلیل پس از تولید باید تست NDE برای آن انجام شود تا از عدم وجود نقص در آن اطمینان حاصل گردد. مزیت این نوع شیر ساخت آن است که حداقل اتصال رزوه‌ای را دارد و احتمال نشتی را به حداقل می‌رساند.

شیر توپی با ورودی جانبی

در این نوع شیر، توپی از قسمت جانبی مونتاژ می‌شود. بدنه این شیر معمولاً دو تکه یا سه تکه است. هر قسمت از بدنه توسط پیچ و مهره به قسمت دیگر متصل می‌شود ، درست مانند اتصال دو فلنج به یکدیگر. معمولاً شیرهای توپی با ورودی جانبی از فلز فورج شده ساخته می‌شود. هر قسمت از بدنه فورج شده و سپس بر روی یکدیگر سوار می‌شوند. این ساختار امکان وجود نقص را نسبت به شیرآلات قالب‌ریزی شده به حداقل می‌رساند. سرهم کردن این نوع شیر و هم‌تراز کردن قسمت تریم آن آسان است. یکی دیگر از مزایای این نوع شیر سریع‌تر بودن فرآیند تولید آن نسبت یه شیرهای قالب‌ریزی شده است.

شیر توپی شناور

توپ در پوشش میانی شیر معلق بوده و توسط دو رینگ مختص بستن شیر در سر جای خود نگاه داشته می‌شود. توپ توسط نشیمنگاه شیر پشتیبانی شده و آزاد است که در عرض حرکت کند. فشار سیالی که بر روی توپ وارد می‌شود، آن را به سمت نشیمنگاه‌ها می‌راند، و باعث بسته شدن شیر می‌گردد. اکثر شیرهای توپی دارای یک توپ شناور هستند.

شیرهای توپی که دارای توپ شناور هستند به طور گسترده در سیستم‌های با فشار متوسط یا کم مورد استفاده قرار می‌گیرند. شیر توپی شناور تحت تاثیر فشار متوسط دچار جابجایی شده و بر روی سطح آب‌بندی در قسمت خروجی فشرده می‌شود، که این امر باعث اطمینان از بسته شدن خروجی می‌گردد. ساختار شیرآلات توپی شناور بسیار ساده بوده و دارای آب‌بندی خوبی است، اما بار سیال جاری شده توسط فشار توپ به سمت رینگ آب‌بندی خروجی حرکت می‌کند. بنابراین باید بررسی کنید که آیا متریال رینگ آب‌بندی می‌تواند بار سیال جاری را تحمل کند یا خیر.

بال ولو شناور به دو دلیل در فشارهای بالا و سایزهای بزرگ مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. اولاً ممکن است نیروی زیادی که توپ به نشیمنگاه وارد می‌کند باعث تغییر شکل نشیمنگاه شده و بر روی ویژگی‌های آب‌بندی شیر در فشار کم تاثیر منفی بگذارد. دوماً همان نیروی مشابه عملکرد شیر را دشوار می‌کند، بنابراین برای پیروزی بر نیروی نشیمنگاه در اختلاف فشارهای زیاد نیازمند گشتاور بالا خواهد بود.

شیر توپی ترونیون

در این نوع شیر، توپ در یک موقعیت ثابت می‌چرخد. توپ نمی‌تواند در عرض حرکت کند چراکه توسط یک شفت در پایین توپ و یک شفت در بالای آن در محل خود نگاه داشته شده است. شیر با فشار سیال رینگ نشیمنگاه شناور را به سمت توپ حرکت داده و آب‌بندی (بستن شیر) را به این شیوه انجام می‌دهد.

ترونیون فشار را از جریان جذب می‌کند، بنابراین تماس بین توپ و نشیمنگاه خیلی تحت فشار نیست و به طور کلی گشتاور عملیاتی می‌تواند پایین‌تر باشد، در نتیجه عملکرد بال ولو ترونیون نسبت به بال ولو شناور آسان‌تر خواهد بود. شیرآلات توپی که قطر زیادی دارند و در فشارهای عملیاتی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند معمولاً دارای طراحی توپ ترونیون هستند.

شیر توپی اوربیت

از حرکت دورانی برای بستن جریان (آب‌بندی) استفاده می‌کند. بریا باز کردن این شیر باید هندویل آن را با دست چند دور بچرخانید. اگر شیر در وضعیت باز قرار داشته باشد، چرخش هندویل در جهت عقربه‌های ساعت باعث می‌شود تا توپ نیز در همان جهت حرکت کرده و پورت موجود در توپ عمود بر جریان قرار بگیرد.

توپ توسط استم از نشیمنگاه دور نگاه داشته می‌شود تا از ایجاد سایش جلوگیری شود. چند چرخش آخر هندویل باعث می‌شود تا سطح دندانه‌دار روی استم با سطح تطبیقی توپ تماس پیدا کرده و توپ را به سمت نشیمنگاه حرکت دهد تا شیر بسته شده و جریان قطع شود. این عمل باعث می‌شود تا شیر توپی اوربیت عملکرد ساده‌تری نسبت به دیگر انواع شیر داشته و برای کاربری‌هایی که دارای سایش ملایم هستند مناسب باشد. بال ولو اربیت معمولاً دارای سایزهای بزرگ بوده و نیازمند اپراتورهای برق می‌باشد، که نسبت به اپراتورهای یک چهارم شیرآلات توپی ارزان‌تر است.

انواع شیر توپی بر اساس سایز کالیبر

شیر توپی فول کالیبر یا فول پورت

سایز دهانه این نوع شیر با قطر دهانه لوله یکسان است. مزیت این شیر آنست که هیچ اصطکاک اضافی وجود نخواهد داشت و تمیز کردن سیستم از لحاظ مکانیکی آسان‌تر خواهد بود. تمیز کردن و بازرسی شیر بدون نیاز به جداسازی قطعات و متوقف کردن تولید، یکی از مزایایی است که نمی‌توان آن را در سیستم‌های بزرگ نادیده گرفت. یکی از نکات منفی این شیر آنست که سایز توپ و محفظه شیر بیش از حد استاندارد است. بنابراین قیمت شیر توپی فول پورت کمی گران‌تر بوده و برای بسیاری از کاربری‌ها نیاز به چنین هزینه‌ای نیست.
بال ولو فول پورت در کاربری‌های استفاده می‌شود که مقاومت کم آن‌ها در برابر جریان ارزشمند است، مثلاً لوله‌های مکش پمپ، که افت فشار در آن‌ها می‌تواند بر روی عملکرد پمپ تاثیر بگذارد. از این نوع شیر برای جریان‌هایی که حاوی ترکیبی از سیالات و جامدات هستند نیز استفاده می‌شود، چراکه محدودیت‌های جریان می‌تواند باعث جدایی متریال‌ها و به وجود آمدن تجمع یا کاهش جریان در لوله‌ها گردد.

شیر توپی تبدیلی

اکثر شیرهای توپی دارای دهانه تبدیلی (دهانه کاهشی) هستند که اصطلاحاً به آن “شکل ونتوری” می‌گویند، و در آن سایز لوله کوچکتر از سایز اسمی شیر است. در نتیجه شیرهای توپی باعث ایجاد ضایعات اصطکاک در سیستم خواهد شد که البته مقدار آن نسبت به دیگر انواع شیرآلات نسبتاً کم است. شیرآلات یک تکه معمولاً دارای دهانه کاهشی هستند.
شیرهای توپی با پورت کاهشی در کاربری‌هایی استفاده می‌شود که افت فشار، تلاطم جریان و ویژگی‌های متریال جزء نگرانی‌ها نیست. همچنین از مزایای این شیر سایز کوچکتر و قیمت کمتر آن می‌باشد. اگر سرعت جریان خیلی در اولویت نباشد می‌توانید بال ولو تبدیلی را انتخاب کنید چراکه مقرون به صرفه‌تر بوده و وزن آن نیز کمی سبک‌تر است.

شیر توپی با پورت V شکل

در این نوع شیر، حفره درون توپ یا نشیمنگاه شیر به صورت V شکل است. در نتیجه می‌توان با چرخاندن توپ سرعت جریان مورد نظر را با دقت بیشتری کنترل کرد. با بهینه کردن مقطع عرضی می‌توان به ویژگی جریان خطی نزدیک شد. زمانیکه شیر در حالت بسته است و شروع به باز کردن آن می‌کنید، ابتدا انتهای کوچکتر V باز شده و اجازه می‌دهد تا کنترل جریان پایدار را در این مرحله بر عهده بگیرید. این نوع طراحی عموماً به دلیل سرعت بالاتر سیالات نیازمند ساختاری قوی‌تر است، زیرا ممکن است همین امر به یک شیر استاندارد آسیب وارد کند. اگر این نوع شیر به خوبی ماشینکاری شده باشد، شیر کنترلی بسیار خوبی خواهد بود که از لحاظ نشتی نیز عملکردی عالی خواهد داشت.

شیر توپی پُر کننده حفره (Cavity Filler)

طراحی نشیمنگاه این نوع شیرآلات صنعتی به گونه‌ای است که شکاف اطراف توپ را پُر کرده و امکان جمع شدن آلودگی به مرور زمان را از بین می‌برد. این شیر در صنایع دارویی، غذایی، گاز و دیگر سیستم‌های بهداشتی عملکردی عالی دارد. شیرهای توپی معمولی واسط سیال و ضایعات را درون حفره داخلی بدنه به دام می‌اندازند که تمیز کردن آن‌ها غیر ممکن بوده و می‌تواند باعث آسیب به سطح نشیمنگاه شود و یا حتی عملکرد شیر را مختل کند. این مسئله یکی از مشکلات متداولی است که در فرآوری محصولات مختلف از مونومرهای واکنشی مانند استایرن و بوتادین گرفته تا نشاسته و سیال‌های نیمه مایع (ترکیب مایع و جامد) وجود دارد، زیرا این محصولات به پلیمریزه شدن یا تخمیر شدن در حفره شیرآلات تمایل دارند.

شیر توپی ونت دار (دریچه ای)

از لحاظ طراحی شبیه به شیرآلات توپی استاندارد است. تفاوت اصلی این است که دریچه‌های پورت خروجی شیر توپی ونت دار، در وضعیت بسته قرار دارند. این کار از طریق حفره کوچکی که درون توپ و بدنه شیر ایجاد شده، انجام می‌پذیرد. زمانیکه شیر بسته می‌شود، حفره‌ها با پورت خروجی هم‌تراز می‌شوند و فشار را آزاد می‌کنند. این امر به ویژه در سیستم‌های هوای فشرده کاربرد دارد که فشرده‌سازی در آن فضای کاری ایمن‌تری را ایجاد می‌کند.

در مواردی که با یک سیستم فرآیند برودتی سر و کار داریم، ممکن است بال ولو استاندارد دچار نشتی شده، شیر خراب شده و یا حتی منفجر شود، که این به دلیل افزایش فشار داخلی ناشی از فرآیند طبیعی گرم شدن سیستم برودتی است. با گرم شدن سیستم گاز تولید شده و داخل شیر گسترش می‌یابد. بال ولو ونت دار این فشار ناخواسته را از طریق دریچه موجود بر روی توپ تخلیه می‌کند.

شیر توپی مولتی پورت

از این نوع شیر برای کاربری‌هایی که نیاز به ترکیب کردن و یا منحرف کردن دارند استفاده می‌شود. این شیرآلات برای متناسب‌سازی طراحی نشده‌اند. بال ولو مولتی پورت می‌تواند جریان کامل را از ورودی گرفته و به یک یا چند خروجی هدایت کند. برعکس این موضوع نیز ممکن است یعنی شیر می‌تواند جریان را از یک یا چند ورودی دریافت کرده و آن‌ها را به سمت یک خروجی هدایت نماید.

این نوع شیر پیکربندی و تنظیمات مختلفی دارد، برای مثال می‌توان آن را به صورت سه راه، چهار راه، پنج راه و … تنظیم کرد. اتصالات انتهایی مختلفی نیز برای این نوع شیر وجود دارد که شامل رزوه‌ای، ساکت ولد، فلنجی، بات‌ولد و سه‌گیره می‌شود.

انواع شیر توپی بر اساس نوع پیکربندی (تنظیمات)

متداول‌ترین پیکربندی شیر، پیکربندی خطی است جایی که بدنه شیر مستقیماً در مسیر سیستم لوله‌کشی قرار گرفته و دارای دو پورت می‌باشد که به آن شیر توپی دو راهی می‌گویند. از این شیر معمولاً برای قطع جریان استفاده می‌شود.

شیر توپی سه راهی و چهارراهی نیز موجود است. طرح‌های سه‌راهی با پیکربندی “L” یا “T” می‌باشند و می‌توان از آن‌ها برای توزیع جریان سیال به دو پورت مختلف یا ترکیب، میکس و انحراف جریان استفاده کرد.

شیر توپی چهارراهی دارای 4 پورت بوده که بر روی بدنه شیر قرار دارد و قابلیت‌های آن مشابه شیر سه راهی می‌باشد. در برخی طرح‌ها در انتهای شیر از پیچ و مهره استفاده شده و اجازه می‌دهد تا بتوان پورت‌های شیر را دوباره پیکربندی کرد تا به عنوان ورودی و یا پورت‌های مسدود کننده جریان عمل کنند.

یکی دیگر از روش‌های تعیین ویژگی‌های شیر توپی شامل نوع سیالی می‌شود که شیر می‌تواند از خود عبور دهد یا برخی ویژگی‌های خاص در طراحی شیر هم می‌تواند متمایز کننده باشد. نمونه‌هایی از این موارد شامل شیر توپی هیدرولیک است که برای استفاده در مدارهای هیدرولیک یا کاربری‌های مشابهی که نیازمند فشار بالا هستند، مناسب می‌باشد.

شیر توپی آستردار دارای روکش یا آستر غیرواکنشی بوده که بر روی سطح داخلی بدنه شیر اعمال می‌شود. افزودن این آستر از قرار گرفتن شیر در معرض مواد شیمیایی خورنده جلوگیری کرده، با کاهش اصطکاک ضریب جریان شیر را بهبود بخشیده و مانع آلودگی احتمالی سیالی که داخل شیر جریان دارد، می‌گردد.

مزایای شیر توپی

• آب‌بندی آن حتی در صورتیکه واسط میانی کثیف باشد، کاملاً قابل اطمینان است.
• ساختارشان ساده است، وزن و حجم این شیر نسبتاً کم بوده و جدا کردن قطعات و تعمیر آن ساده است.
• از آنجایی که استم این نوع شیر بدون هیچ حرکت محوری می‌چرخد، پکینگ آب‌بندی استم شیر به راحتی نمی‌شکند.
• اگر شیر به طور کامل باز باشد، تلاطم کمی ایجاد کرده و مقاومت کمی در برابر جریان سیال خواهد داشت.
• عملکردشان ساده و سریع است و با چرخاندن 90 درجه اهرم شیر می‌توان به راحتی آن را باز و بسته کرد.
• ممکن است باز و بسته کردن سریع شیر در برخی کاربری‌ها دارای اهمیت باشد. برای مثال در کاربری‌هایی که لازم است تا مقطع شیر به سرعت جدا شود.
• شیرهای توپی به عنوان شیری با قدرت بازیابی بالا شناخته می‌شود که افت فشار کمی داشته و ظرفیت جریان آن نسبتاً بالاست.

معایب شیر توپی

• بال ولو می‌تواند کاملاً باز یا کاملاً بسته باشد و نمی‌توان به صورت نیمه باز/بسته از آن استفاده کرد. این به دلیل دقت نسبتاً محدود آن در کنترل سرعت جریان است.
• به دلیل حفره‌هایی که در اطراف توپ و نشیمنگاه این شیر قرار دارد برای استفاده در کاربری‌هایی که سیال آن به نیمه مایع (ترکیب مایع و جامد) است، مناسب نمی‌باشد. سیالات نیمه مایع معمولاً به سفت شدن تمایل داشته و داخل حفره‌های شیر را مسدود می‌کنند که این امر گشتاور عملیاتی شیر را افزایش داده و در برخی موارد شیر را از کار می‌اندازد.
• از آنجایی که شیرهای توپی به سرعت باز و بسته می‌شود، ممکن است جریان را به صورت چکشی یا با فشار غیر متعارف بر قرار نماید.
• ممکن است توپ خالی داخل شیر سیال را در وضعیت بسته به دام انداخته و در صورتیکه شیر دارای دریچه نباشد می‌تواند مشکلاتی برای بدنه شیر به وجود بیاید.
• جامدات ساینده که در جریان سیال معلق هستند می‌توانند به نشیمنگاه‌ها و سطح توپ آسیب وارد کنند، چراکه توپ با حرکتی پاک کننده در امتداد نشیمنگاه حرکت می‌کند.
• تمیز کردن این نوع از شیر سخت است. (به جز آنهایی که دارای ورودی از بالا می‌باشد).