شیر توپی

بال ولو چیست؟

شیر توپی یا بال ولو (Ball Valve) یکی از انواع شیرآلات صنعتی و پایپینگ میباشد که برای کنترل و قطع و وصل جریان سیالات در صنایع مورد استفاده قرار میگیرد. شیر توپی به دلیل عملکرد ساده و قابل اطمینان و همچنین تعمیرات و نگهداری ساده و مقرون بصرفه یکی از انواع رایج و بسیار پرمصرف شیرآلات در صنایع محسوب میشود.

در این صفحه به تشریح عملکرد یک شیر توپی و همچنین معرفی انواع مختلف این شیر از نظر متریال بدنه، اتصال، توپی، عملگر میپردازیم و کاربردها و مزایای این شیر را معرفی میکنیم:

اجزای شیر توپی

همانطور که در شکل پایین مشخص میباشد، شیر توپی متشکل از بدنه (Body)، استم (Stem)، توپی (Ball)، دو سیت یا نشیمنگاه (Seat) و پکینگ (Packing) میباشد.

تریم شیر توپی (بال، سیت) در داخل بدنه قرار دارند. توپی شیر توسط نیرویی که از جانب عملگر به آن اعمال میشود بین دو سیت فلزی یا غیر فلزی میچرخد و مسیر عبور سیال باز یا بسته خواهد شد.

قیمت شیر توپی

تجهیز صنعت یکی از بزرگترین تامین کنندگان انواع تجهیزات ابزار دقیق و شیرآلات صنعتی شامل شیر های قطع و وصل، انواع شیرتوپی، شیر پروانه ای، و سایر تجهیزات پایپینگ میباشد.

بال ولو یکی از انواع بسیار رایج و متداول شیرآلات در صنایع بخصوص برای سرویس های قطع و وصل میباشد. قیمت این شیر صنعتی متاثر از پارامترهای زیادی مانند سایز شیر، نوع عملگر شیر، متریال بدنه و سیت شیر، نوع اتصال و بسیاری موارد دیگر میباشد.

شیرتوپی با متریال های فولادی، استیل و پلیمری در سایز های مختلف در انبار شرکت تجهیز صنعت موجود میباشد. برای استعلام قیمت و مشاوره فنی با کارشناسان فروش ما تماس بگیرید.

عملکرد شیر توپی

مطابق تصویر زیر این شیر دارای یک مجرابند کروی شکل (توپی) میباشد که در داخل آن یک سوراخ وجود دارد. در زمانی که شیر باز میباشد این سوراخ در مسیر عبوری جریان سیال قرار میگیرد و هنگامی که شیر بسته میشود، سوراخ توپی عمود بر مسیر جریان خواهد بود و مسیر جریان سیال را میبندد.

به عبارتی دیگر این شیر با حرکت ربع گرد (90 درجه ای) توپی باعث باز و بسته شدن مسیر جریان سیال خواهد شد.

انواع شیر توپی

شیر توپی در انواع متریال ها، اتصالات و مکانیزم های آب بنذی متناسب با سایز خط لوله و شرایط فرآیندی و همچنین در انواع مختلفی از عملگر های دستی و اتوماتیک در صنایع مورد استفاده قرار میگیرد.

• شیر توپی فلوتینگ Floating
• شیر توپی ترونیون Trunnion
•  دنده ای
•  فلنجی
•  استیل
•  فولادی
•  برنجی
•  پلیمری
•  اهرم دار
•  فلنج دار

شیر توپی فولادی

انتخاب متریال مناسب در طراحی بدنه و توپی و همچنین سیت شیر توپی یکی از مهمترین ملاحظاتی میباشد که باید در نظر گرفته شود زیرا انتخاب متریال نامناسب در بال ولو باعث خوردگی و ایجاد نشتی، شکنندگی و آسیب دیدن بدنه شیر خواهد شد. 

شیرتوپی فولادی یکی از رایج ترین انواع شیر های صنعتی در صنایعی مانند صنایع نفت و گاز و صنایع پتروشیمی میباشد. متریال فولاد بواسطه قابلیت تحمل دما و فشار های بالا و مقاومت نسبتآ بالایی که در مقابل خوردگی دارند یکی از متریال های مناسب در این صنایع محسوب میشود.

انواع آلیاژ های فولاد کربنی یا WCB، WCC، LCB و سایر متریال های با مقاومت های بالا در برابر خوردگی و متناسب با استاندارد های NACE و … همگی از رایج ترین انواع متریال های مورد ساخت بال ولو ها محسوب میشوند.

شیر توپی استیل

این شیر یکی از شیرهای مناسب در صنایع بهداشتی (صنایع غذایی و دارویی) میباشد. متریال استیل به دلیل عدم جذب میکروب و باکتری و قابلیت استریل شدن یکی از متریال های مناسب در این نوع صنایع محسوب میشود.

همچنین انواع آلیاژ های استیل 304، 316، 316L و سایر آلیاژ های استیل به دلیل مقاومت بسیار خوب به خوردگی و همچنین قابلیت تحمل دما و فشار های بالا یکی از متریال های مناسب در صنایع نفت و گاز، صنایع معدنی و فولاد نیز میباشند.

شیر توپی پلیمری

صنایع فرآیندی همچون صنایع شیمیایی به دلیل وجود سیالاتی که خورندگی بسیار بالایی دارند در بسیاری از موارد مجاز به استفاده از متریال های فلزی نبوده و باید از متریال های فیر فلزی مانند پلیمرها استفاده کنند.

بال ولو پلیمری، PVC، UPVC و سایر شیرهایی که از این دست متریال ها تولید شده اند مقاومت بسیار بالایی به سیالاتی مانند اسید ها دارند.

شیر توپی فلنج دار

برای شیرهای توپی در سایز های بزرگ تر از “2 معمولآ از اتصال فلنجی استفاده میشود. این نوع اتصال در متریال های فلنج مطابق با دما و فشار خط لوله ای که بال ولو در آن نصب میشود تولید میشوند.

شیر توپی دنده ای

بال ولو در سایز های کوچک معمولآ “1/2 تا “2 در انواع اتصالات دنده ای مورد استفاده قرار میگیرد. این شیر ها قابلیت آب بندی بسیار خوبی دارند و برای نصب آنها به خط لوله نیاز به تجهیزات خاصی نمیباشد.

شیر توپی فلوتینگ

در شیر توپی شناوری (Floating) ، توپ با توسط دو سیت تفلونی در دور آن قرار دارد و استم شیر توسط زائدگی به شکافی در بالای توپ متصل است که به توپ اجازه می دهد یک چهارم دور یا 90 درجه بچرخد. به عبارتی توپ آزاد است تا در داخل بدنه شیر شناور بوده و به راحتی بچرخد.

در این نوع شیر، فشار سیال باعث فشردگی سیت دوم در قسمت پایین دست یا down stream میشود. به عبارتی دیگر مکانیزم آب بندی در این نوع شیر توپی توسط سیت دوم صورت میگیرد.

بال ولو های از نوع توپ شناوری معمولآ در سایز های کوچکتر و کمتر از 8 اینچ و کلاس فشاری 150 تولید میشوند. دلیل این موضوع این میباشد که همانطور که بالاتر نیز اشاره شد قسمت آب بندی در آن، سیت دوم در قسمت پایین دست میباشد.

اگر فشار سیال بسیار بالا باشد سیت تفلونی دوم دچار لهیدگی و تغییر شکل دائمی میگردد و سیت از حالت الاستیک به حالت پلاستیک تغییر و شیر عملآ آب بندی خود را از دست میدهد و دچار نشتی میگردد.

همچنین در این نوع از توپ هنگامی که فشار بالا دست زیاد باشد، عملکرد شیر بسیار سخت می شود و عملآ نیروی بسیار بالایی باید وارد شود تا شیر باز یا بسته گردد. به همین جهت نوع دیگری از بال ولو وجود دارد که این مشکل را به راحتی حل میکند. 

بال ولو ترنیون

مکانیزم آب بندی شیرتوپی ترونیون (Trunnion Mounted) به این صورت میباشد که در قسمت پشت سیت تعدادی فنر وجود دارد که سیت تفلونی توسط این فنرها به بدنه توپی فشرده میشود. این فشردگی سیت تفلونی به توپی باعث ایجاد یک آب بندی ایمن میشود و در فرآیند های با فشار بالا این فشردگی بیشتر نیز میشود.

به عبارت دیگر هنگامیکه فشار خط بالا میباشد، اتفاقآ این فشار باعث ایجاد آب بندی بهتر در شیر میگردد.

همچنین در این نوع یک شفت کوتاه که به آن ترونیون ساپورت نیز گفته میشود، مانند یک اکستنشن در قسمت پایین وجود دارد. طراحی به گونه ای میباشد که به گشتاور عملیاتی کمتری نیاز دارد. همین موضوع باعث کاهش نیروی لازم به عملگر و بطور کلی هزینه های نصب و نگهداری شیر را تا حد بسیار زیادی کاهش میدهد.

این تجهیز راه حلی بسیار خوب برای سرویس های با فشار عملیاتی بسیار بالا میباشند، که به هنگام باز و بست شدن شیر نیازمند گشتاور بسیار بالایی هستند.

شیر توپی اهرم دار

بال ولوها نیز مانند سایر شیرآلات صنعتی با انواع اکچویتور یا عملگرهای دستی یا اتوماتیک در صنایع مورد استفاده میباشد. هریک از این عملگرها با توجه به شرایط فرایندی و سایر عوامل خارجی طراحی و انتخاب میشوند.

عملگرهای دستی اهرمی و گیربگسی (در سایزهای بزرگ) از انواع مدل های رایج عملگرها محسوب میشوند. همچنین انواع اکچویتورهای پنوماتیکی یا برقی نیز برای شرایطی که نیاز به کنترل اتوماتیک شیر باشد در صنایع مورد استفاده قرار میگیرند.

انتخاب نوع اکچویتور بستگی به عوامل متعددی در فرآیند دارد. سایز شیر توپی و خط لوله، شرایط فرآیندی شامل دمای سیال، فشار فرآیند و سایر پارامترهای فیزیکی مانند مقدار گشتاور یا نیروی لازم برای باز و بسته شدن شیر از عواملی هستند که همگی در انتخاب اکچویتور و سایزینگ آن از اهمیت بالایی برخوردار میباشند و باید در نظر گرفته شوند.

شیرتوپی اهرمی یا lever type برای بال ولو ها با سایز های نه چندان بزرگ تا سایز “8 که فشار فرایندی آنچنان بالایی ندارند مناسب میباشد. اما برای شیر های با سایز های بزرگ تر از “8 باید از شیرتوپی گیربکسی برای افزایش گشتاور نیرو استفاده کرد چراکه تنها با کمک گیربکس میتوان گشتاور بالایی برای باز و بسته کردن شیر ایجاد کرد و بر فشار بالای خط لوله غلبه کرد.

شیر توپی پنوماتیک

در اینجا باید اشاره کنیم در مواقعی که نیاز به قطع و وصل بسیار سریع جریان عبوری از شیر میباشد یا امکان حضور نیروی انسانی و اپراتور میسر نمیباشد، باید از عملگرهای اتوماتیک استفاده کنیم. این عملگرها پنوماتیکی، هیدرولیکی و الکتریکی یا موتوری میباشند.

بال ولو پنوماتیکی معمولآ با اکچویتور های پنوماتیکی دورانی اسکاچ یوک (Scotch-yoke) یا رک اند پینیون (Rack and Pinion) نصب و کوپل میشوند. این نوع شیر ها که ON/OFF Valve یا XV نیز نام دارند برای سرویس هایی که فقط قطع و وصل سیال در آنها برای ما اهمیت دارد مورد استفاده قرار میگیرند و برای کاربرد هایی مانند کنترل و تنظیم جریان برای آنها مناسب نیستند.

استفاده از عملگرهای روتاری پنوماتیک به جهت اینکه بسیار سریع هستند، در سرویس های ON/OFF مورد استفاده قرار میگیرند زیرا در شیر های قطع و وصل مسیر عبوری سیال باید در سریع ترین زمان ممکن قطع شوند.

 

 

شیر توپی فول بر

شیرهای توپی در 3 مدل شیرهای full bore و reduced bore و V-bore تولید شده و در صنایع مورد استفاده قرار میگیرند که هریک از این انواع پورت ها دارای مشخصات و ویژگی های منحصر بفردی است که در ادامه به آنها اشاره میکنیم.

در نوع فول بور، ورودی شیر یا قطر سوراخ توپ شیر، دقیقآ برابر با قطر خط لوله میباشد و هنگامی که شیر باز می باشد هیچگونه افت فشاری در دو سر شیر و خط لوله ایجاد نخواهد شد.

این نوع شیرآلات مناسب سرویس هایی هستند که تمیز کاری دوره ای (پیگ رانی) روی خطوط لوله انجام میگیرد و باید میزان افت فشار خط بسیار کم باشد. تمامی بال ولو هایی که برای خطوط انتقال به کار میروند باید فول بور باشند و خاصیت پیگ رانی دارند.

شیر توپی Reduce Bore

از آنجایی که مهمترین قسمت این تجهیز، قسمت داخلی آن (توپی) میباشد و قسمت عمده از قیمت شیر توپی را تشکیل میدهد، در جایی که بتوانیم از سایز های کمتر برای شیر استفاده کنیم این نوع شیر مورد استفاده قرار میگیرد.

در این شیرها ورودی سیال یا به عبارت دیگر قطر داخلی توپ در این نوع شیر نسبت به قطر خط لوله یک یا دو سایز کمتر میباشد. 

 reduced-bore Ball valve دارای افت فشار بیشتر و قیمت پایین تری نسبت به بال ولو فول بور هستند و از متداول ترین نوع موجود در صنایع محسوب میشوند.

در شکل زیر شماتیک داخلی مدل full bore و reduced bore را مشاهده میکنید.

شیر توپی V-Bore

شیرتوپی V-Bore بیشتر برای سرویس های تنظیمی و کنترلی مورد استفاده قرار گرفته و به دلیل ساختار توپ و نشیمنگاه خاص خود، جریان سیال را بصورت خطی و کنترلی عبور میدهد.

سوراخ داخلی توپ در این نوع از شیر، به حالت گوه ای شکل (V) میباشد. زاویه V توپی مهمترین پارامتر در تنظیم و کنترل جریان در این مدل شیر میباشد، که بستگی به نوع سیال و میزان مشخصه فیزیکی آن دارد.

شکل زیر انواع پورت های مختلف برای شیر توپی را نمایش میدهد.

 

انواع سیت در بال ولو

آب بندی در شیر توپی توسط دو سیت فلزی یا غیر فلزی انجام میشود که در قسمت Pocket قرار میگیرند و توپی روی این قسمت ها میچرخد و آب بندی شیر را برقرار میکند.

توپی و سیت از مهمترین اجزای داخلی آن محسوب میشوند (تریم شیر) که در تماس مستقیم با سیال فرآیندی هستند.

به همین جهت در انتخاب متریال آنها باید حساسیت بسیار زیادی به خرج داد تا شیر از هرگونه آسیب دیدگی در امان باشد. عمومآ بال ولوها دارای سیت های تفلونی و توپی های از متریال استنلس استیل میباشند.

در شرایطی که دما یا فشار خط بسیار بالا باشد و امکان استفاده از سیت های غیرفلزی وجود نداشته باشد از شیرهای توپی با سیت فلزی یا metal seat استفاده خواهد شد.

همانطور که بالاتر نیز اشاره کردیم، یکی از مهمترین قسمت های بال ولو ها قسمت نشیمنگاه (SEAT) میباشد که به دلیل تماس و چرخش دائمی توپی روی آن و توجه به عدم نشتی شیر باید از متریال هایی انتخاب شود که مقاوم به خوردگی و ساییدگی باشند.

در شیر هایی که برای تنظیم یا کنترل جریان استفاده میشوند، و همچنین در سرویس هایی که فشار سیسستم بسیار بالا میباشد و استفاده از سیت های تفلونی امکان پذیر نمیباشد (امکان لهیدگی سیت)، از سیت های فلزی با متریال های سخت کاری مانند کاربید تنگستن یا کاربید روی استفاده میشود.

سیت نیز میتواند از نوع نرم (soft seat) و یا از نوع فلزی (Metal Seat) باشد که هر یک با توجه به شرایط فرایندی و نوع سیال کاربرد های مختلفی دارد که باید در طراحی و انتخاب شیر به آن توجه ویژه ای شود.

برخی انواع متریال های نشیمنگاه Seat و آب بندی این تجهیز عبارت اند از مواد الاستومری ELASTOMER، تفلون یا PTFE، گرافیت، ویتون VITON و ….

مزایای شیر توپی

• باز و بسته شدن سریع (شیرهای قطع و وصل)
• آب بندی قابل اطمینان و مناسب برای کاربردهای دما و فشار بالا
• اندازه و وزن کمتر شیر نسبت به شیر قطع و وصل در سایز مشابه
• تعمیرات و نگهداری ساده و مقرون بصرفه

معایب

1. وجود دوغاب یا سیالات با ناخالصی، ذرات معلق ته نشین می شوند و در حفره های بدنه شیر گیر می کنند که باعث سایش، نشت یا خرابی در شیر توپی می شوند.
2. به دلیل باز و بسته شدن سریع شیر، موج های پر فشار در سیال ایجاد می شود که می تواند به تجهیزات پایین دست آسیب برساند.
3. سیال فرآیندی در داخل دیسک در هنگام بسته شدن به دام افتاده و ممکن است مشکلاتی مانند خوردگی را ایجاد کند.