شکی نیست از زمانهای دور که انواع اولیه شیرهای دروازه در آبیاری باغات بکار برده میشدند تا امروزه که شیرها از اجزای لاینفک پالایشگاهها پتروشیمی ها و خطوط لوله نفت و گاز به شمار میروند همواره استفاده از این تجهیزات در خطوط انتقال سیال صورت پذیرفته است. با گذشت زمان و در پی نیاز و صنعتی شدن بشر توانست انواع مختلفی از شیرهای ساده و پیچیده را برای رفع احتیاجات خود ابداع کند. امروزه در صنایع نفت گاز و پتروشیمی انواع شیرها به تعداد زیاد مورد استفاده قرار میگیرند و طبعاً به واسطه وظیفه ای که در این خطوط دارند شناخت، انتخاب، طراحی آنها از اهمیت بالایی برخوردار میباشد.

همچنین آماری از میزان مصرف شیر آلات مختلف و همچینین هزینه های هنگفت تامین این تجهیزات در صنعت گاز کشور ارائه شده است که خود گویای اهمیت بالا و لزوم توجه بیشتر به انتخاب و بهره برداری صحیح از تجهیز می باشد.
طراحی انتخاب و ساخت یک شیر صنعتی مطلوب باید به نحوی باشد که تنشهای ناشی از تغییرات دما و فشار در . سیستم لوله کشی متصل به آن باعث تاب برداشتن قاب دریچه آن و تغییرات ناخواسته دیگر نشده و آب بندی شیر طی یک دوره کاری پایدار بماند.

در نهایت در زمینه شیرآلات از مواردی که موثر در تاسیسات صنعتی و صنایع نفت و گاز هستند میتوان اشاره کرده به :

1. از اصلی ترین ابزار کنترل جریان سیال در تاسیسات صنعتی
2. تاثیر مستقیم در عمر و امنیت سیستم لوله کشی
3.  تاثیر مستقیم در کیفیت محصول و کارکرد تاسیسات مربوطه
4.  تاثیر مستقیم در قیمت و زمان تمام شده پروژه های صنعتی 
5. کنترل فشار در سیستمهای لوله کشی و تجهیزات تحت فشار

تعاریف، شناخت اولیه و کاربردها

شیرها تجهیزاتی هستند که بر یک یا چند خاصیت سیال تاثیر میگذارند تا در نهایت به یکی از وظایف زیر منتهی گردد ؛

 قطع و وصل جریان – On/Off :

همانگونه که از اسم آن پیداست برای بازکردن یا بستن کامل مسیر عبور جریان بکار میرود و برای تنظیم جریان و یا کم و زیاد کردن دبی جریان عبوری قابل بکار نیستند زیرا عملکرد و عمر بهره برداری آنها شدیدا دچار مشکل میشود.  شیرهای دروازه ای Gate، سماوری Plug –  و شیر توپی ball از این دسته اند.

پیشنهاد مطالعه: مقایسه دو برند شیر برقی گاز کروم و دانگز

تنظیم جریان – Controlling Flow :

شیرهایی هستند که برای تنظیم میزان جریان عبوری قابل بکار گیری هستند و میتوان آنها را بصورت نیمه باز نیز استفاده نمود. این شیرها برای تنظیم دبی دما (کاهش) و فشار (کاهش) قابل بکارگیری هستند و شیرهای کنترلی – Control Valve از این دسته از شیرها هستند که امروزه استفاده از آنها در پالایشگاهها ، پتروشیمی ها، نیروگاهها ، واحدهای تولیدی و سایر بخشهای مرتبط با صنایع نفت و گاز و پتروشیمی یک امر ضروری است. شیری از این دست که بیشتر مورد استفاده است شیر بشقابی – Globe Valve است ولی شیر پروانه ای نیز در این دسته قرار می گیرد.

 انحراف جریان – Diverting flow :

برخی از انواع دیگر شیرها نه برای باز و بست و نه برای کنترل جریان بکار میروند بلکه تنها برای انحراف جهت عبور جریان از مسیری به مسیر دیگر بکار میروند. به عنوان مثال یک شیر سه راهه را در نظر بگیرید که دارای یک ورودی و دو خروجی باشد. با چرخاندن مجرابند این شیر می توانیم سیال عبوری را در مسیر مختلف عبور دهیم تا هر کدام وارد سیستم جداگانه ای گردد شیرهای توپی، سماوری و بشقابی بیشتر برای این شیرها قابل بکار گیری هستند.

 شیرهای کنترل فشار – Pressure controlling :

مخازن تحت فشار تحت تاثیر عوامل جوی ممکن است با افزایش فشارهای زیادی مواجه گردند که موجب آسیب رساندن به سیستم و حادث شدن خسارات بسیاری به مجموعه گردد. از اینرو در چنین مواردی باید شیرهایی که به این منظور ساخته شده اند استفاده نمود مانند Safety Valve و یا Relief Valve که هر کدام دارای کاربردهای مختلفی هستند. البته المانهای آب بند کننده این شیر یکی از انواع دسته بندی شماره ۱ یا ۲ باشد ولی به لحاظ وظیفه ای که در سیستم انجام میدهد قابل تفکیک میباشند.

 شیرهای یکطرفه – Valve :

این شیرها معمولا برای یکسو نمودن جریان و یا به عبارت دیگر برای جلوگیری از عبور جریان برگشتی بکار میرود معمولا برای شبکه هایی که دارای اختلاف ارتفاع زیادی است از این شیرها استفاده میشود. در برخی موارد نیز برای محافظت از توربو ماشینها استفاده از این شیرها اجتناب ناپذیر است. انتخاب نوع و طریقه نصب آن خود نیاز به تخصص و تجربه زیادی دارد و مستلزم صرف وقت و هزینه بسیاری است.

کلاس فشاری چیست و انواع آن کدامند؟

شیرها در فشارهای متفاوتی قابل بکارگیری هستند و از سالهای بسیار دور طبقه بندیهای متفاوتی برای فشارهای کاری آنها ارائه گردیده است که مستقل از سایز شیرها می.باشد با گذشت زمان این طبقه بندیها کاملتر شد و با جزئیات بیشتری ارایه شد و امروزه به کلاس فشاری معروف است .

از قدیمی ترین این کلاس بندی فشار میتوان به WSP و WOG اشاره نمود و بعدها PN ارائه گردید که بسیار دقیق تر و کامل تر از دو کلاس قبلی بود و در نهایت کلاس فشاری طبق استاندارد ASME ارایه شد که امروزه در تمام شرکتهای تولید تجهیزات حامل فشار از آنها استفاده می گردد. البته هنوز در برخی از تجهیزات فشار فشار پایین از PN استفاده میگردد. کلاسهای فشاری را میتوان بصورت کامل از استاندارد ASME B16.34 استخراج نمود که شامل کلاس ۱۵۰، ۳۰۰ ، ۶۰۰ ، … ۲۵۰۰ بوده و پارامتری است وابسته به جنس شیر و نیز دمای کاری.

برای صنایع بالادستی نیز از استاندارد API 6A برای کلاس فشاری استفاده میگردد که شامل کلاس ۲۰۰۰، ۳۰۰۰،… ۲۰۰۰۰ می باشد.

پیشنهاد مطالعه: |آشنایی با انواع سلونوئید ولو (شیربرقی) صنعتی و کاربرد آنها -قسمت اول |

تفاوت فلنجها و شیر آلات سری A,B

برای فلنج ها سه استاندارد مشخص وجود دارد که براساس سایز فلنج کاربرد دارند:

•  استاندارد ASME B16.5 برای فلنجهای سایز ۲/۱ تا ۲۴
• استاندارد ASME B16.47 برای فلنجهای سایز ۲۶ تا ۶۰
• استاندارد AWWA C206 برای فلنج های بزرگتر از ۶۰

در استاندارد ASME B16.47 که Large Diameter Steel Flanges نیز گفته میشود فلنج ها به دو دسته تقسیم میشوند که شامل فلنجهای سری A و سری B هستند.

البته در این استاندارد فلنج ها تنها تا کلاس ۹۰۰ موجود میباشند و همچنین کلاس ۷۵ نیز برای آن تعریف شده است.این دو سری دارای تفاوتهایی نسبت به یکدیگر میباشند که در زیر به آنها اشاره می کنیم:

تفاوت ها 

در فلنج های سری A تعداد پولت ها کمتر و قطر آنها بزرگتر میباشد در صورتی که در فلنجهای سر B تعداد بولتها بیشتر و قطر آنها کوچکتر میباشد.

فلنج های سری A نسبت به سری B دارای قطر خارجی فلنجها بزرگتر بوده و بالطبع وزن فلنج نیز بیشتر می باشد که معمولا به فلنجهای سری B فلنجهای Compact نیز گفته می شود.

فلنج های سری A نسبت به سری B دارای بولتهای بزرگتری هستند.
البته در استادارد نیز قید شده که این دو سری قابل جایگزینی با یکدیگر نمی باشند و کاربر در زمان انتخاب سری این فلنج ها بایستی سازگاری این فلنجها را با فلنجهای مربوط به تجهیزات ولوهای فلنجی و سایر قطعات فلنجی که در مسیر خط موجود میباشند را مد نظر قرار دهد.

سایز در شیرها به چه صورتی تعریف می شود؟

شیرها تجهیزاتی هستند که بعلت نصب شدن در خط لوله از سایز لوله ها پیروی میکنند و در صورتیکه از یک دسته از استانداردها استفاده میکنیم، طوری اندازهها در نظر گرفته شده که بعد از نصب شیر در خط لوله هیچگونه مشکلی در بهره برداری و عملکرد آنها بوجود نخواهد آمد بعنوان مثال باید به شیرهای انتهای جوشی اشاره نمود که اندازه ها طوری در استانداردها ذکر شده که نه در هنگام نصب و نه بهره برداری مشکلی بوجود نخواهد آمد به شرطی که طراحی و ساخت قطعات مطابق استانداردها باشد و بدرستی استخراج شده باشند.
بیان کردن سایز روشهای گوناگونی دارد و معروفترین آن سایز بر اساس اینچ یا NPS و براساس میلیمتر یا DN می باشد که هیچ کدام از این اندازهها عدد دقیق قطر پورت شیر نمی باشند و تنها یک مقدار اسمی است و برای استخراج اندازه های دقیق باید به به جداول استاندارد مراجعه نمود. بعنوان مثال یک شیر با NPS4 یا ۴ اینچ معادل DN100 می باشد ولی در برخی کلاسهای فشاری ممکن است قطر دهانه داخلی ورودی یا خروجی شیر برابر با ۱۰۰ میلیمتر با ۴ اینچ نباشد. برای یافتن معادل NPS و DN جداولی وجود دارد که در استانداردهای مختلفی مانند API-6D میتوان آنها را پیدا کرد.

انواع انتهای شیرها و استانداردهای مربوطه

با توجه به موقعیت شیر در شبکه شرایط جغرافیایی، دمای محیط و ،سرویس فشار سیال در جریان سرعت عبور جریان میزان خورندگی ،سرویس ذرات جامد معلق در سرویس و برخی از دیگر پارامترها، روش اتصال شیر به خط لوله متفاوت خواهد بود. همین روشهای اتصال باعث بوجود آمدن انواع انتهای شیرها شده است و با توجه به ن گردند که در زیر انواع بررسی قرار می دهیم:

الف) انتهای فلنجی FE: Flange (End) :

این نوع انتها تشکیل شده از دو دیسک مقابل همی که دارای سوراخهای مانند هم بوده و با پیچ و مهرههای مخصوصی به یکدیگر متصل و آببند میگردند دارای انواع مختلفی است و معمولا برای شرایطی که تجهیزات روی زمین قرار دارند و امکان تعویض آنها وجود دارد بکار میروند ولی چون آب بندی آنها. توسط یک واشر که بین دو فلنج روبرو قرار می گیرد، حاصل میگردد نیاز به تعویض واشر دارد و برای اینکار باید خط را خالی از فشار نمود. با توجه به ساختار هندسی، در مقابل نوسانات دما و نیز لرزش رفتار مناسبی ندارند و دچار آسیب دیدگی خواهند شد.

ب) انتهای رزوه ای TE: Thread End:

این نوع انتها معمولا برای تجهیزات با سایزهای پایین بکار میروند و تولید آنها برای سایزهای بالاتر موجب بروز نشتی در مدت کوتاهی خواهد شد و همچنین برای ساخت این نوع انتها در سایزهای بالاتر محدودیت در تولید آنها با توجه به تلرانسهای داده شده وجود دارد به همین دلیل معمولا برای سایزهای کوچکتر از ۲ اینچ از آنها استفاده میگردد ولی در فشارهای پایین تر تا ۴ اینچ نیز از آنها استفاده می گردد مانند صنایع آب و فاضلاب باید توجه نمود در صورتیکه سیال در جریان خورنده ماده بکار رفته در انتهای تجهیزات باشد نباید از نوع انتهای رزوه ای استفاده نمود.

ج) انتهای جوشی:

این نوع انتها معمولا برای مواردی که سیال اشتعالزا و یا سمی باشد و نشت آن برای محیط اطراف خطر ساز باشد مورد استفاده قرار میگیرد ولی قابلیت جدا کردن تجهیزات از شبکه را از بین می برد و لی در مقابل نواسانات دما و فشار مقاومت بسیار خوبی دارد معمولا به ۲ صورت مورد استفاده قرار می گیرد؛

انتهای لبه جوشی (BW:Butt weld) :

معمولا در سایزهای بالاتر از این نوع انتهای جوشی استفاده میگردد. و انتهای تهیزات و لوله بصورت پخ خورده یا Bevel روبروی هم قرار میگیرند و شیار بوجود آمده مابین آنها با جوش پر می شود.

انتهای سوکتی (SW: Socket Weld) :

این نوع انتها بیشتر برای سایزهای کوچکتر بکار میرود و لوله و انتهای تجهیزات مانند سوکت به یکدیگر متصل میگردند.

ویفری (Wafer):

 تجهیزات با این نوع انتها معمولا دارای طول کمتری بوده و برای قرار گرفتن بین فلنجها ساخته میشوند و علاوه بر مقرون به صرفه بودن فضای کمتری را نیز اشغال میکنند ولی تنها برای برخی از انواع شیرها قابل بکار گیری بوده و برای فشارهای پایین میتوان از آن بهره برد.

دسته بندی شیرها از لحاظ طریقه باز و بست (Operation Type)

جهت باز و بسته نمودن شیرها از یکی از روشهای زیر استفاده می گردد:

1.   دستی یا آچاری (Wrench Operation)
2.  گیربکسی (Gear Operation)
3.  چرخ و زنجیر (Chain Wheel)
4.  عملگر اتوماتیک (Actuated)

 دستی با آجاری (Wrench Operation)

شیرهایی که دارای سایز کوچکتر هستند معمولا گشتاور پایین تری دارند و شفت متصل به مجرابند آنها با گشتاور پایین تری قابل چرخش و یا جابجایی هستند بنابراین بدون نیاز به تجهیزات خاص و با یک دسته یا آچار مناسب که توسط یک کوپلینگ به شفت (Stem) وصل شده شیر قابل بازیا بسته شدن است. طراح باید دقت نماید که حداکثر نیروی اعمالی از طرف اپراتور 360 نیوتن متر در نظر گرفته شود و و این را نیز باید در نظر بگیرد که طول این دسته نباید از 2 برابر طول شیر Face to Face or End to End) بیشتر باشد.
محاسبه گشتاور یک شیر کار پیچیده و دشواری نیست و یک مهندس مکانیک به راحتی این عمل را میتواند انجام دهد در نهایت اگر 2 عامل فوق در مورد شیر صادق باشد میتوان شیر را Wrench Operation استفاده نمود .لطفا توضیحات تکمیلی را از استاندارد API 6D بند 6.10 بخوانید.
معمولا سایزهای زیر بصورت آچاری مورد استفاده قرار میگیرند:

Class 150: NPS ≤ 8

Class 300: NPS ≤ 6
Class 600 : NPS≤ 4

تبصره: در شیرهای خطی مانند Gate Globe می توان تا سایزهای بزرگتر نیز از نوع محرک hand Wheel استفاده نمود ولی نوع رزوه ای که در شفت آنها بکار میرود باید دارای شرایط خاصی باشد.

پیشنهاد مطالعه: | با انواع شیربرقی صنعتی و کاربرد آنها بیشتر آشنا شویم -قسمت دوم |

گیربکسی (Gear Operation)

همانطور که گفته شد، طول دسته شیرها دارای محدودیت می باشد بنابر این برای شیرهایی که دارای گشتاور بالاتری میباشد هستند باید از محرکی استفاده نمود که گشتاور ورودی ما را افزایش داده و به آسانی و بدون صرف نیروی زیاد بتوان آن را باز یا بسته نمود.
میدانیم که گیربکسها علاوه بر تغییر جهت گشتاور مقدار آنرا نیز میتوانند تغییر دهند. بنابراین با بالا رفتن گشتاور شیر از گیربکسهایی با نسبت گشتاور بیشتر استفاده می نماییم، طراح گیربکس باید بدین صورت عمل کند که نیروی ورودی شفت آن را 360 نیوتن در نظر بگیرد و محاسبات را تا گشتاور خروجی انجام دهد. اگر این مقدار از گشتاور شیر بیشتر باشد ( با احتساب ضریب اطمینان ) گیربکس مذکور مناسب میباشد در غیر اینصورت قطر هندویل را تا مقدار حداکثر بصورت مرحله به مرحله بالا میبرد تا حداکثر گشتاور خروجی حاصل گردد و بعد عمل مقایسه با گشتاور شیر را انجام میدهد.

نوع گیربکسی که برای شیرهای ربع گرد (Quarter Turn) مورد استفاده قرار میگیرد معمولا worm و یا -Scotch Yoke و برای شیرهای Multi-Turn از گیربکسهای با دوچرخدنده مخروطی عمود بر هم و نیز نوع Worm استفاده می شود انواع دیگری از گیر بکسها نیز برای شیرها بکار میروند مانند راک و پینیون (Rack and Pinion)

محدوده شیرهای ربع گرد و گیربکسی معمولا به شرح زیر است:

Class 150 : NPS > 8
Class 300: NPS ≥ 6
Class 600: NPS ≥ 4

لازم است به این نکته اشاره نماییم که در صورت درخواست مشتری، برای هر سایز یا کلاس شیر باید بتوان گیربکس نصب نمود ولی با توجه به اینکه گیربکس یک دستگاه تقریبا بزرگ است و علاوی بر بزرگ و سنگین کردن شیر قیمت آنرا نیز افزایش میدهد، بنابراین در مواقعی نیاز به این قطعه وجود ندارد بهتر است از نصب آن خود داری نمایید. علت لحاظ نمودن ضریب اطمینان در گیربکسها اینست که گشتاور شیرها با گذشت زمان افزایش پیدا کرده و نیاز به گشتاور ورودی بزرگتری برای غلبه بر آن وجود خواهد داشت لذا در نظر گرفتن یک ضریب اطمینان برای چنین شرایط خاصی ضروری است.

چرخ و زنجیر (Chain Wheel)

بعضی وقتها یک شیر بالا سری قابل دسترس نمیباشد و امکان نصب عملگر برقی و هوایی نیز وجود ندارد در این حالت از چرخ و زنجیر استفاده میشود . همانطوری که زنجیر کشیده میشود؛ چرخ زنجیر میچرخد و چون چرخ زنجیر به ساقه وصل است باعث حرکت ساقه و نهایتا باز و بسته شدن شیر میگردد. گرچه چرخ و زنجیر باعث افزایش قدرت میگردد ولی کاربرد اصلی آن برای دسترسی در ارتفاع و مکانهای سخت مورد استفاده قرار میگیرد زمانی که یک شیر قابل دسترسی میباشد ولی نیروی زیادی برای باز و بسته کردن آن بدون موتور نیاز باشد از یک سیستم چرخدنده استفاده میشود این. گرداننده را گرداننده گیرباکس یا جعبه دنده ای میگویند.

عملگر اتوماتیک (Actuated)

نمونه های مختلفی از محرکها وجود دارند که در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. نوع محرک استفاده شده به فاکتورهای زیادی بستگی دارد که شامل فرایندی که میخواهد کنترل ،شود عملی که می بایستی انجام شود و سرعت انجام آن میشود. اگرچه محرکهای الکتریکی و متداول (spring and diaphragm actuator) هیدرولیکی وجود دارد اما محرک دیافراگم و فنری ترین نوع محرک هستند که در سیستمهای کنترل اتوماتیک مورد استفاده قرار میگیرند. محرکهای پنوماتیکی از هوا یا گاز برای تولید حرکت مکانیکی استفاده می کنند. از این حرکت ایجاد شده برای تعین موقعیت آلمان کنترل کننده استفاده میشود. عملگرهای برقی قابل تنظیم بخاطر ایمنی و سازگاری با محیط زیست از مولفههای کلیدی و قابل اطمینان و صرفه اقتصادی برای عبور مواد سیال در تاسیسات صنعتی برخوردار می باشند، در عین حال این عملگرها میتوانند در چرخه صنایع مختلف انرژی و مواد بصورت تجمعی و مستقل کار برد داشته باشند.