شیر پروانه ای (باترفلای ولو)

نحوه عملکرد شیر پروانه ای

شیرهای پروانه ای خانواده‌ای از شیرآلات صنعتی است که به آن‌ها شیرآلات ربع گردشی می‌گویند. شیر پروانه ای ساختاری نسبتاً ساده دارد. اجزای اصلی این شیر شامل بدنه، دیسک، استم و نشیمنگاه می‌شود. عملکرد این شیر به گونه‌ای است که با ربع گردش اهرم آن می‌توان شیر را کاملاً باز یا بسته کرد. ” پروانه ” در واقع یک دیسک فلزی است که روی میله نصب شده است. دیسک در وسط لوله قرار می‌گیرد. میله‌ای از درون دیسک به سمت بیرون شیر عبور می‌کند. چرخاندن میله از طریق هندویل یا اکچویتور، دیسک را به صورت موازی یا عمود بر جریان قرار می‌دهد. زمانیکه صفحه دیسک در زاویه قائم یا عمود بر خط مرکزی لوله قرار دارد، شیر بسته است. زمانیکه دیسک به اندازه یک چهارم بچرخد تا صفحه دیسک را با خط مرکزی لوله هم تراز کند، در واقع شیر کاملاً باز بوده و سیال می‌تواند بدون هیچ محدودیتی از آن عبور کند. همچنین می‌توان برای کنترل جریان (نیمه باز/بسته کردن جریان) شیر را به تدریج باز یا بسته کرد.

شیرهای پروانه ای باید به طور معمول به گونه‌ای نصب شود که استم آن به صورت افقی قرار داشته باشد، زیرا با این کار هنگام بسته شدن شیر پسماندهای درون لوله تخلیه و تمیز می‌شوند. در جایی که استم به صورت عمودی قرار دارد، جامدات درون سیال می‌توانند در زیر دیسک و قسمت اسپیندل جمع شده، در نتیجه مانع بسته شدن کامل شیر شده و به آن آسیب بزنند. بعلاوه زمانیکه شیر را باز می‌کنید، قسمت پایین دیسک باید از جامداتی که ممکن است در قسمت بالادست دیسک جمع شده باشند دور شود. بسیار مهم است توجه داشته باشید خطوط لوله‌ای که دارای شیر پروانه ای هستند را نمی‌توان برای تمیزکاری، تعمیر و نگهداری باز کرد.

ویژگی‌های جریان در شیر پروانه ای

در زیر برخی از ویژگی‌های شیرآلات پروانه ای هنگام استفاده در کاربری‌های تعدیلی ذکر خواهد شد. ممکن است برخی ویژگی‌های شیر هنگام نصب در یک سیستم و به دلیل تعامل با آن دچار تغییر شود.

جریان خطی: در این جریان سرعت در نسبت مستقیم با میزان حرکت دیسک است. برای مثال اگر شیر 50 درصد باز باشد، سرعت جریان هم 50 درصد حداکثر جریان خواهد بود.

جریان درصد برابر: در این جریان با افزایش درصد باز شدن شیر به تناسب آن، سرعت جریان نیز تغییر می‌کند. برای مثال اگر شیر 10 درصد باز باشد و تا 20 درصد آن را باز کنیم، سرعت جریان 60 درصد می‌شود.

جریان باز شدن سریع: در این نوع جریان، نرخ جریان به سرعت افزایش یافته که این به دلیل قرار گرفتن شیر در وضعیت نزدیک به بسته است. زمانیکه شیر بیشتر باز می‌شود، سرعت جریان کمتر شده، در واقع با میزان باز و بسته شدن شیر شدت جریان نیز تغییر می‌کند. اگر شیر به طور کامل باز باشد سرعت جریان نیز در همان حالت ثابت خواهد بود.

انتخاب شیر کنترل مناسب بسته به نیازهای سیستم می‌باشد. باید فاکتورهای مختلف را مدنظر قرار داده و سیستم را به طور دقیق تحلیل کرد تا مطمئن شد که کدام ویژگی برای سیستم بهینه می‌باشد.

انواع شیر پروانه ای

تلاش‌هایی که برای انطباق کارکرد شیرهای پروانه ای در محدوده دماها و فشارهای مختلف صورت گرفته منجربه توسعه خانواده باترفلای ولو شده است. برای مثال در حال حاضر برای ساخت نشیمنگاه این نوع شیر از متریال‌های متنوعی استفاده می‌شود که مطابق با نیازمندی‌های عملیاتی است. ممکن است نشیمنگاه فلز به پلیمر یا فلز به فلز باشد، و یا برای تامین نیاز شیرآلات تست شده با آتش مورد استفاده قرار بگیرد. شیر پروانه ای مدل‌های مختلفی دارد که هر کدام برای استفاده در فشار و کاربری‌های مختلف می‌باشند.

• بر اساس طراحی بسته شدن دیسک
o شیر پروانه ای هم مرکز
o شیر پروانه ای غیر هم مرکز

• بر اساس طراحی اتصال لوله
o شیر پروانه ای ویفری (Wafer Type Butterfly Valve)
o شیر پروانه ای لاگ (Lug Type Butterfly Valve)
o شیر پروانه ای دابل فلنج (Double Flange Butterfly Valve)

شیر پروانه ای هم مرکز

این شیر که با نام شیر پروانه ای زیرو آفست (Zero Offset) هم شناخته می‌شود، بنیادی‌ترین طرح اینگونه شیرها است. استم از خط مرکزی دیسک که در وسط دهانه لوله قرار گرفته عبور کرده و نشیمنگاه داخل قطر محیطی بدنه شیر قرار دارد. دیسک در تماس مداوم با نشیمنگاه است.

به نشیمنگاه این شیر “نشیمنگاه ارتجاعی یا لاستیکی ” نیز گفته می‌شود، زیرا برای آب‌بندی کامل شیر در هنگام بسته شدن به انعطاف‌پذیری نشیمنگاه لاستیکی وابسته است. شیرهای پروانه ای هم مرکز معمولاً در محدوده فشارهای کم استفاده می‌شود. مزیت این شیر آنست که مدیا (media) داخل شیر با بدنه تماس ندارد چراکه نشیمنگاه به صورت آستین یا کارتریج داخل بدنه قرار دارد.

شیر پروانه ای غیر هم مرکز

در این شیر که با عنوان شیر پروانه ای با عملکرد بالا نیز شناخته می‌شود، استم از خط مرکزی دیسک عبور نمی‌کند، اما به صورت آفست از مرکز قرار می‌گیرد که این بسته به نوع شیر می‌تواند به صورت دوبل یا تریپل باشد.

زمانیکه استم درست در پشت خط مرکزی دیسک قرار می‌گیرد به آن شیر پروانه ای سینگل آفست (Single-Offset) می‌گویند. این طرح برای کاهش تماس دیسک با seal پیش از بسته شدن کامل شیر اجرا شده و هدف آن بهبود طول عمر شیر است. ساخت این نوع شیر باعث شد تا شیر پروانه ای دابل آفست و تریپل آفست هم ابداع و ساخته شود.

در شیرهای پروانه ای دابل آفست، استم همراه با استم اضافی در پشت دیسک قرار می‌گیرند. این حالت غیر هم مرکز بودن دو استم باعث می‌شود تا دیسک چرخان در حدود یک تا سه درجه با نشیمنگاه سایش داشته باشد.

• آفست اول: محور شفت در پشت خط مرکزی نقطه sealing دیسک به نشیمنگاه قرار دارد.
• آفست دوم: محور شفت نسبت به مرکز شیر یا خط لوله غیر هم مرکز است.

شیرهای پروانه ای تریپل آفست (TOV یا TOBV) معمولاً در کاربری‌های ضروری استفاده شده و طراحی آن بسیار شبیه به شیر پروانه ای دابل آفست است با این تفاوت که یک یا چند آفست بیشتر دارد. آفست سوم در واقع محور تماس دیسک و نشیمنگاه می‌باشد. سطح نشیمنگاه شکلی مخروطی داشته که با همتای مشابه خود در لبه دیسک جفت شده است. این امر باعث ایجاد تماسی حداقلی پیش از بسته شدن کامل شیر می‌گردد که به دیسک اجازه می‌دهد تا بدون هیچ اصطکاکی در مقابل نشیمنگاه بسته شود. این شیرها کارآمدتر بوده و دچار سایش کمتری هم می‌باشد. این شیر معمولاً دارای نشیمنگاهی فلزی است که باعث کامل بسته شدن شیر می‌گردد. نشیمنگاه فلزی به شیرهای پروانه ای اجازه می‌دهد تا در محدوده دماهای بالاتر مورد استفاده قرار بگیرد. شیرهای پروانه ای از فشار خط لوله برای افزایش تداخل بین نشیمنگاه و لبه دیسک استفاده می‌کند.

شیر پروانه ای ویفری

این نوع از شیرآلات پروانه ای مقرون به صرفه‌ترین نوع آن است که بین دو فلنج لوله قرار می‌گیرد و پیچ و مهره‌های فلنج بدنه شیر را احاطه می‌کنند. فلنج‌های لوله از طریق پیچ‌های بلندی که از کل بدنه شیر عبور می‌کنند متصل می‌شوند. درزگیری (sealing) بین شیر و فلنج‌های لوله بوسیله سیلری قوی مانند اورینگ، گسکت، ماشینکاری و … انجام می‌شود. این کار در قسمت سطح تخت شیر در قسمت‌های پایین دست و بالادست آن انجام می‌گردد. از این نوع اتصال برای آب‌بندی در برابر فشارهای تفاضلی دو جهته و جلوگیری از برگشت جریان استفاده می‌شود.

شیر پروانه ای لاگ

این شیر در خارج بدنه خود دارای لاگ رزوه‌ای می‌باشد. طرح این شیر به گونه‌ای است که می‌توان اتصالات یک طرف شیر را بدون تحت تاثیر قرار دادن طرف دیگر جدا کرد. شیر پروانه ای پلاگ معمولاً در سیستم‌های dead end که فشار کمتری دارند مورد استفاده قرار می‌گیرد. این شیر بر خلاف شیر پروانه ای ویفری وزن لوله‌کشی را از طریق بدنه شیر متحمل می‌شود. شیر ویفری و لاگ هر کدام مزایا و معایب خود را دارند:

• شیر ویفری از شیر لاگ ارزان‌تر است.
• شیر ویفری وزن سیستم لوله‌کشی را مستقیماً به بدنه شیر منتقل نمی‌کند. اما شیر لاگ وزن لوله‌کشی را از طریق بدنه شیر حمل می‌کند.
• می‌توان شیر لاگ را در خدمات dead-end استفاده کرد و لوله‌کشی‌های پایین دست را برداشت. اگر بخواهید که شیر برای مدت زمانی در محل خود بسته باقی بماند و لوله‌ای را از یک طرف شیر برای عملیاتی موقت از سیستم خارج کنید، باید آن را به فلنج لوله‌ای که در طرف دیگر شیر قرار دارد پیچ و مهره کنید.

شیر پروانه ای دابل فلنج

این شیر در دو انتهای خود دارای فلنج می‌باشد. شیر از طریق پیچ و مهره به فلنج‌های لوله‌کشی متصل است. پیکربندی این شیر به گونه‌ای است که می‌توان با دقت بسیار بالایی آن را نصب کرد و همچنین در صورت نیاز می‌توان آن را در انتهای خط لوله قرار داد. ویژگی منحصر به فرد این شیر سازگاری آن با خطوط لوله‌ای است که برجستگی ناچیز دیسک در آن بیش از طول بدنه است. این امر باعث می‌شود که بتوان شیرهای پروانه ای دابل فلنج را نزدیک به اتصالات لوله نصب کرد.

پیکربندی بدنه ترجیحی برای شیر پروانه ای، شیر ویفری است، که بین دو فلنج خط لوله کلمپ شده است. یک مزیت مهم ساختمان شیرآلات پروانه ای ویفری این است که پیچ و مهره‌ها فلنج‌های جفت را نگاه داشته، تمام تنش کششی ایجاد شده توسط خط را متحمل شده و ویفر را در فشار قرار می‌دهد. این تنش فشاری توسط تنش کششی ناشی از فشار سیال داخلی سبک می‌شود. از سوی دیگر بدنه فلنجی باید تمامی تنش کششی اعمال شده توسط خط را متحمل شود. نکته اینکه تنش کششی ناشی از فشار خط جمع می‌شود. این واقعیت همراه با قابلیت اکثر فلزات در تحمل دو برابری فشارهای کششی، باعث می‌شود که خرید شیر پروانه ای ویفری اکیداً توصیه گردد.

ساختار نشیمنگاه شیر پروانه ای

توقف جریان توسط sealing (آب‌بندی) دیسک در برابر نشیمنگاه که در قطر داخلی بدنه شیر قرار دارد، انجام می‌گیرد. تماس نزدیک بین نشیمنگاه‌های شیر پروانه ای با روش‌های گوناگون صورت می‌پذیرد که برخی از متداول‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• تداخل نشیمنگاه که در آن باید دیسک به نشیمنگاه بچسبد.
• با هُل دادن دیسک به سمت نشیمنگاه که نیاز به کج شدن دیسک به اندازه یک مدار دابل آفست دارد. این روش مشابه عملکرد دیسک در شیر یکطرفه با دیسک کج می‌باشد.
• با استفاده از sealing همراه با فشار-انرژی و عناصری مانند اورینگ، لیپ سیلز، دیافراگم و هوسینگ بادی.

اکثر شیرهای پروانه ای دارای نشیمنگاه تداخلی بوده که نشیمنگاه در آن‌ها دارای یک آستر لاستیکی می‌باشد. زمانیکه لاستیک با سیالی که باید آب‌بندی شود ناسازگار باشد آستر ساخته شده از PTFE توسط یک بالشتک الاستومر پشتیبانی می‌شود که حالت ارتجاعی را به نشیمنگاه منتقل می‌کند.

در طرح‌های اولیه از یک دیسک فلزی برای آب‌بندی نشیمنگاه فلزی استفاده می‌شد. اما این ساختار نمی‌توانست در محکم بسته شدن شیر و آب‌بندی کامل آن موثر باشد. اما همین مقدار هم برای برخی کاربری‌ها مانند خطوط توزیع آب موثر بوده است.

مزایای شیر پروانه ای

• باز و بسته کردن شیر پروانه ای سریع و آسان است.
• این شیر نسبتاً مقرون به صرفه است
• این شیر هنگام نصب نیاز به فضای کمتری دارد
• این شیر نسبت به شیرآلات دیگر نیاز به تعمیر و نگهداری کمتری دارد، زیرا حداقل قطعات متحرک را داشته و هیچ کیسه‌ای برای به دام انداختن سیالات در آن وجود ندارد.
• شیر پروانه ای برای استفاده در سیستم‌هایی که سیال آن‌ها حاوی جامدات معلق است مناسب می‌باشد.

معایب شیر پروانه ای

• دیسک شیر پروانه ای همیشه در جریان حضور دارد، بنابراین افت فشار همیشه صرفنظر از موقعیت شیر در جریان تاثیر می‌گذارد.
• زمانیکه شیر به طور کامل باز باشد، دیسک تلاطم یا مقاومت کمی در برابر جریان ایجاد می‌کند.
• فقط در اختلاف فشار پایین می‌توان شیر را در حالت نیمه باز یا بسته قرار داد.
• کاویتاسیون و خفه شدن جریان دو نگرانی مهم در استفاده از این شیر می‌باشند.
• حرکت دیسک غیر هدایت شده بوده و تحت تاثیر تلاطم جریان قرار می‌گیرد.