شیر توپی

«شیر» یا Valve وسیله‌ای است که جریان سیال را با بازکردن، بستن یا انسداد جزئی مسیر، هدایت یا کنترل می‌کند. «شیر توپی» یا ball valve نوعی شیر است که از یک دیسک توپی‌شکل برای کنترل جریان مایع یا گاز استفاده می‌کند. عملکرد اصلی آن ارائه یک انسداد محکم در برابر جریان است که می‌تواند فشار و دمای بالا را تحمل کند.

در این‌ جا اطلاعات کاملی درباره شیرهای توپی ارائه می‌دهیم. به نحوی که میتوانید با مطالعه آن، شیر مناسب برای کاربرد سیستم مدنظر رو انتخاب کنید. کارشناسان کنترل با ما، جهت دادن مشاوره و کمک به خرید شیر توپی مناسب در دسترش شما هستند.

شیر توپی چیست و از چه اجزایی ساخته شده است؟

شیر توپی نوعی شیر است که از یک توپ کروی‌شکل با سوراخی در مرکز برای کنترل جریان سیال استفاده می‌کند. این شیر به دلیل دوام، قابلیت اطمینان و سهولت کار، یکی از پرکاربردترین شیرها در صنایع مختلف می‌باشد.

یک شیر توپی شامل چندین جزء است که با همکاری هم کار کرده تا جریان سیال را کنترل کنند. این اجزا عبارتند از:

• بدنه (Body): بدنه شیر توپی، پوشش بیرونی است که تمام اجزای داخلی را در خود جای داده است. بسته به کاربرد و سیال تحت کنترل، بدنه معمولاً از موادی مانند برنج، استیل ، PVC یا چدن ساخته می‌شود.
• توپ (Ball): توپ جزء مرکزی شیر است؛ یک کره توخالی که در مرکز آن یک سوراخ وجود دارد. توپ معمولاً از موادی مانند استیل یا برنج ساخته می‌شود و به‌گونه‌ای طراحی می‌گردد که در برابر خوردگی و سایش بسیار مقاوم باشد.
• نشیمنگاه (Seat): نشیمنگاه یا سیت آب‌بندی شده‌ای است که در هنگام بسته‌شدن شیر، آب‌بندی کامل را تضمین می‌کند. این بخش معمولاً از موادی مانند PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن) یا سایر مواد ارتجاعی که می‌توانند دما و فشارهای بالا را تحمل کنند ساخته می‌شود.
• ساقه (Stem): ساقه، دسته (handle) یا اکچویتور (actuator) را به توپ متصل می‌کند. هنگامی که دسته یا اکچویتور چرخانده می‌شود، ساقه را چرخانده که به نوبه خود، توپ را برای کنترل جریان سیال می‌چرخاند.
• دسته یا محرک (Handle or Actuator): برای کارکرد شیر از دسته یا محرک استفاده می‌شود. در شیرهای توپی دستی، بیشتر دسته برای باز یا بستن شیر کاربرد دارد. در انواع خودکار شیرهای توپی، از یک محرک مانند اکچویتور برقی یا پنوماتیک برای کنترل شیر استفاده می‌شود.

مکانیزم عملکرد شیر توپی

مکانیسم کار یک شیر توپی نسبتاً ساده و در عین حال کارامد است. هنگامی که شیر باز است، توپ با چرخاندن دسته یا محرک چرخانده می‌شود، سوراخ را با مسیر جریان هم‌تراز کرده و اجازه عبور سیال را می‌دهد.

هنگامی که دریچه بسته می‌شود، توپ به موقعیتی می‌چرخد که سوراخ عمود بر مسیر جریان قرار می‌گیرد و جریان سیال مسدود می‌شود.

شیرهای توپی میتوانند تعداد راههای مختلفی داشته باشند، که مرسوم ترین آنها شیر توپی دو راهه و شیر توپی سه راهه است. شیر توپی سه راهه خود دو نوع شیر توپی  سه راه L و شیر توپی سه راه T است که نحوه راه تغییر جهت دادن سیال در آنها با گردش دسته ولو، با هم متفاوت است، که این کنترل جهت را در شکل زیر مشاهده میکنید.

ساختار فوقانی شیرهای توپی به دو نوع است. شیر توپی موتور خور، شیر توپی معمولی.

شیر توپی موتور خور دارای یک پلیت بر روی ساقه شیر است. این صفحه سوراخدار قابلیت بستن اکچویتورهای برقی و پنوماتیک را بر روی شیر فراهم میکند.

کاربردهای شیر توپی

کاربردهای شیر توپی بسیار متنوع است. این نوع شیر را می‌توان در صنایع مختلف یافت. برخی از صنایعی که به‌شکل رایجی از این شیر توپی استفاده می‌کنند به‌شرح زیر هستند:

1. نفت و گاز: شیرهای توپی معمولاً به‌دلیل توانایی آنها در تحمل فشار و دماهای بالا، در خطوط لوله نفت و گاز استفاده می‌شود. آنها برای کنترل جریان نفت خام، گاز طبیعی و سایر سیالات در فرآیندهای استخراج، پالایش و حمل‌و‌نقل کاربرد دارند.
2. تصفیه آب و فاضلاب: شیرهای توپی به‌طور گسترده در تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب برای کنترل جریان آب، مواد شیمیایی و لجن استفاده می‌شوند. آنها به دلیل توانایی که در مدیریت مایعات خورنده و سهولت نگهداری آنها دارند، ترجیح داده می‌شوند.
3. صنایع شیمیایی: شیرهای توپی به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، برای جابجایی طیف وسیعی از مواد شیمیایی مناسب هستند. آنها در کارخانه‌های فرآوری شیمیایی، برای کنترل جریان مایعات و گازهای مختلف استفاده می‌شوند.
4. سیستم‌های تهویه مطبوع HVAC: شیرهای توپی معمولاً در سیستم‌های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) برای کنترل جریان آب یا مبرد استفاده می‌شوند. آنها به دلیل قابلیت آب‌بندی محکم و افت فشار کم، یک انتخاب محبوب برای این سیستم‌ها محسوب می‌گردند.
5. صنعت داروسازی: از شیرهای توپی در فرآیندهای تولید دارو برای کنترل جریان مایعات و گازها استفاده می‌شود. آنها اغلب از موادی ساخته می‌شوند که الزامات بهداشتی دقیق را برآورده می‌سازند.

مزایا استفاده از شیر توپی

مانند سایر تجهیزات مورد استفاده در خطوط انتقال سیالات، شیر توپی هم دارای مزایا و معایبی است.

مزایای استفاده از شیر توپی به‌شرح زیر است:

• دوام: شیرهای توپی به‌دلیل دوام و عمر طولانی شناخته شده‌اند. مواد به‌کاررفته در ساخت آنها، از جمله استیل یا برنج، در برابر خوردگی و سایش مقاوم هستند.
• آب‌بندی قابل اعتماد: نشیمنگاه یک شیر توپی در هنگام بسته‌شدن شیر، آب بندی محکمی را ایجاد کرده و از هرگونه نشت یا از‌دست‌رفتن مایع جلوگیری می‌نماید. این قابلیت آب‌بندی، شیرهای توپی را برای کاربردهایی که در آنها عملکرد بدون نشتی حیاتی است، مناسب می‌کند.
• کاربرد آسان: هم شیرهای توپی دستی و هم انواع خودکار، به‌راحتی استفاده می‌شوند. دسته یا محرک، امکان کنترل سریع و دقیق شیر را فراهم می‌کند. این امر باعث می‌شود اپراتورها بتوانند جریان سیال را در صورت نیاز تنظیم کنند.
• باز و بسته‌شدن سریع: شیرهای توپی عملکرد یک‌چهارم چرخشی دارند؛ به این معنی که تنها با چرخش 90 درجه دسته یا محرک می‌توان آنها را به‌طور کامل باز یا بسته کرد. این قابلیت باز و بسته‌شدن سریع، شیرهای توپی را برای کاربردهایی که نیاز به تغییرات سریع دارند، ایده‌آل می‌کند.
• افت کم فشار: اکثر شیرهای توپی دارای طراحی تمام سوراخ(Full Bore) هستند؛ به این معنی که قطر سوراخ توپ با خط لوله برابر است و در نتیجه حداقل افت فشار در شیر رخ می‌دهد. این ویژگی نرخ جریان کارآمد را تضمین کرده و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.البته انواعی از بال ولو نیز هستند که مقداری لبه دارند و تمام سوراخ نیستند.
• تحمل فشار و دمای بالا: برخی از انواع بال ولوها میتوانند فشار های بالا تا حدود 150bar را تحمل کنند که به آنها شیر توپی فشار قوی گفته میشود و نیز با توجه به نوع آب بند آنها تحمل دمایی تا حدود ˚C 250 را دارا باشند.
• قابلیت اتوماتیک سازی آسان: با استفاده از اکچویتورهای برقی و اکچویتورهای پنوماتیک، ولوهای توپی به راحتی تبدیل به شیرهایی با عملکرد اتومات میشوند.
• هزینه نسبتا مناسب

محدودیت های استفاده از شیر توپی

محدودیت‌های استفاده از شیر توپی به‌شرح زیر است:

• کنترل محدود جریان: اگرچه شیرهای توپی با سرعت زیادی باز و بسته می‌شوند، اما ممکن است برای کاربردهایی که نیاز به کنترل دقیق جریان دارند مناسب نباشند. این نوع شیر ممکن است منجر به تلاطم و نوسانات جریان شود.
• مناسب نبودن برای سیالات چسبناک: شیرهای توپی ممکن است زمان عبور سیالات بسیار چسبناک دچار گرفتگی شوند. در چنین مواردی، انواع دیگر شیرها، مانند شیرهای دروازه‌ای یا شیرهای پروانه‌ای، مناسب‌تر هستند.
• نیاز به گشتاور بالا: در شیرهای توپی با اندازه بزرگ‌تر یا آنهایی که دارای درجه‌بندی فشار بالا هستند، گشتاور مورد نیاز برای عملکرد شیر ممکن است قابل توجه باشد.

اتصالات شیرهای توپی

جهت استفاده در کاربردهای مختلف و محیط‌های نصب متفاوت، شیرهای توپی به انواع مختلفی از اتصالات انتهایی برای اتصال صحیح به لوله‌ها یا اجزای فرآیند نیاز دارند. اگرچه انواع اتصالات اساساً یک کار را انجام می دهند، برای اتصال شیر توپی به لوله یا قطعه در هر دو انتها، برخی از انواع اتصالات برای کاربردهای مختلف سودمندتر هستند. رایج ترین انواع اتصالات شیر توپی: اتصال فلنجی، اتصال جوشی، اتصال چسبی، اتصال کلمپی و اتصال رزوه ای همانطور که در شکل مشاهده می شود.

اتصالات فلنجی:  معمولاً برای اندازه‌های شیر بزرگتر از 4 اینچ استفاده می‌شوند. نصب آن‌ها بسیار آسان است و می‌توان آن‌ها را برای تمیزکاری و نگهداری بدون تأثیر بر سایر قسمت‌های شبکه لوله‌کشی به راحتی جدا کرد. این نوع اتصالات در کاربردهای صنعتی بسیار متداول است.

اتصال جوشی: اتصالات جوشی در جاهایی استفاده می‌شوند که عدم نشتی برای سیستم حائز اهمیت است. این معمولاً در سیستم‌های لوله‌کشی با دما و فشار بالا اتفاق می‌افتد. همچنین معمول است که از اتصالات جوشی در موارد مرتبط با مواد شیمیایی خطرناک استفاده شود. اتصالات جوشی باید توسط افراد حرفه‌ای آموزش‌دیده انجام شود. این اتصالات یک نوع اتصال دائمی هستند.

اتصال چسبی : معمولاً در شیرها و لوله‌کشی‌های PVC استفاده می‌شوند و قطر خارجی لوله با قطر داخلی اتصال همخوانی دارد. برای جلوگیری از نشتی، یک حلال (چسب) استفاده می‌شود. این اتصالات امکان اتصال و جدا کردن چندین باره شیرهای توپ از لوله را برای نگهداری یا تعویض فراهم می‌کنند. اجزاء PVC اغلب در محیط‌های خورنده مانند آب دریا، اسیدها و بازها، و حلال‌های آلی استفاده می‌شوند.

اتصال کلمپی:  نوع خاصی از اتصالات فلنجی است که در آن انتهای فلنج شیر و لوله با یک کلمپ مشبک که یک گسکت دارد، به هم گره می‌شوند. تنظیم کلمپ باعث فشردن لوله و انتهای شیر می‌شود و اطمینان از اتصال محکم حاصل میشود.

اتصال رزوه ای : اتصال رزوه ای یک راه آسان برای اتصال شیرهای کوچک به لوله ها است. آنها معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که دارای شیرهای توپی کوچک با قطر کمتر از 101 میلی‌متر (4 اینچ) هستند، زیرا قطرهای بزرگ‌تر به سختی آب‌بندی می‌شوند و مستعد نشتی از طریق رزوه‌ها هستند. این نوع شیر، ارزان و با نصب آسان هستند. به طور معمول، شیر دارای انتهای رزوه‌ای مادگی است که به یک جزء رزوه‌دار نر متصل می‌شود.

اتوماسیون با شیرهای توپی

شیرهای توپی‌می‌توانند با یک اکچویتور بادی  یا یک اکچویتور برقی  جهت اتوماسیون و/یا کنترل از راه دور ترکیب شوند. بسته به کاربرد، اتوماسیون با یک محرک پنوماتیک نسبت به یک عملگر برقی ممکن است مزیت بیشتری داشته باشد و یا بالعکس.

جدول مقایسه برای شیرهای توپی با اکچویتور پنوماتیک و اکچویتور برقی  

این جدول مقایسه عمومی بین شیرهای توپی پنوماتیک و برقی با اندازه یکسان است. ویژگی‌های دیگری نیز می‌توانند به عنوان معیارهای انتخاب استفاده شوند

Top of Form

جنس شیرهای توپی

انتخاب مواد مناسب برای شیر توپی یک گام حیاتی در فرآیند انتخاب این شیرها است. بر اساس سیال و محیط، قطعات این ولوها ممکن است از مواد مختلفی ساخته شوند که هر کدام کاربرد خاص خود را دارند. موادی مانند استیل ضدزنگ، برنج و PVC (پلی‌وینیل کلراید) اغلب به عنوان مواد بدنه در شیرهای توپی استفاده می‌شوند. شیرتوپی معمولاً از فولاد با پوشش کروم، برنج با پوشش کروم، PVC یا استیل ضدزنگ ساخته می‌شود. سیت های شیر معمولاً از تفلون ساخته می‌شوند، اما ممکن است از فلزات یا مواد سنتی دیگر نیز ساخته شوند

شیر توپی(UPVC) PVC:

PVC (پلی‌وینیل کلراید) مقاوم به اکثر اسیدها، بازها، محلول‌های نمکی و حلال‌های آلی است. PVC قیمت پایینی دارد ،این ماده به طور گسترده در تأمین آب، آبیاری و زهکشی با سیالات خورنده استفاده می‌شود. PVC برای دماهای بالاتر از 60 درجه سانتیگراد مناسب نیست و در برابر هیدروکربن‌های آروماتیک و کلردار مقاوم نیست. شیرهای توپی PVC عمر خدمات طولانی دارند و مقاومت بهتری در برابر خوردگی و ضربه دارند. با این حال، این شیرها به اندازه برنج یا استیل قوی نیستند و برای فرایندهای با فشار و دمای بالا مناسب نیستند. شیرهای توپی PVC به طور معمول برای کنترل جریان هوا، آب و مواد شیمیایی خورنده استفاده می‌شوند.

شیر توپی برنجی:

برنج نسبت به پلاستیک قوی‌تر است و به همین دلیل گران‌تر است. برنج مقاومت بیشتری در مقابل حرارت نسبت به پلاستیک دارد؛ بنابراین شیرهای توپی برنجی گزینه‌ای ایده‌آل در برنامه‌های لوله‌کشی خانگی هستند. برنج بسیار تغییرپذیر است و در مقایسه با استیل ضدزنگ به راحتی جوش داده می‌شود. گاهی اوقات سرب به برنج اضافه می‌شود (معمولاً کمتر از 2٪)؛ بنابراین در انتخاب نسخه بدون سرب برای مصارف مربوط به آب آشامیدنی توصیه می‌شود. برنج مقاومت خوردگی بهتری نسبت به برنز و چدن دارد. برنج ممکن است در معرض مقادیر بالای کلر شکسته شود.
شیرهای توپ برنجی به طور معمول برای مصارف مربوط به آب آشامیدنی، روغن، هوا و گاز استفاده می‌شوند. حلال‌های کلرید (مانند آب دریا) یا آب دمینرالیزه ممکن است منجر به دزین‌سایزیشن شود. دزین‌سایزیشن نوعی خوردگی است که در آن روی از آلیاژ جدا شده و به ساختار متخلخلی با استحکام مکانیکی به شدت کاهش یافته منجر می‌شود. محفظه برنجی باعث می‌شود شیرهای توپ اقتصادی باشند و در برابر فشار بالا، دمای بالا، و نرخ جریان بالا مقاومت نشان دهند. معیارهای اصلی دیگر برای انتخاب شیر توپی دستی دو طرفه برنجی با تأییدها شامل اندازه اتصال، جنس مهره، امتیاز فشار، و امتیاز دما هستند.

شیر توپی استیل:

استیل ضدزنگ، یک فلز بسیار مقاوم و توانمند برای فرایندهای با دما و فشار بالا استفاده می‌شود. استیل ضدزنگ در مقایسه با برنج، مقاومت بهتری در برابر خوردگی و نشتی دارد. استیل ضدزنگ 316 به شدت مقاوم در برابر کلریدها است؛ بنابراین شیرهای توپی استیل ساخته شده از این مواد می‌توانند در محیط‌های دریایی استفاده شوند. این شیرها اغلب در فرایندهایی مربوط به دماهای بالا و مواد شیمیایی مانند استخرها، آب دریا، و نصب‌های اسموز استفاده می‌شوند. استیل ضدزنگ 304 و 316 انواع رایج‌تر هستند؛ با این حال، نوع 316 مقاومت بهتری در برابر خوردگی دارد. شیرهای توپی استیل ضدزنگ نیاز به گشتاور کارکرد بالاتری نسبت به شیرهای توپ PVC یا برنجی دارند.  زمانی که یک شیر استیل ضدزنگ توسط یک اکچویتور پنوماتیک یا الکتریکی عمل می‌شود این عامل باید در نظر گرفته شود.

شیر توپی برنزی:

برنز آلیاژی از مس و قلع است؛ این ماده قوی و تغییرپذیر است (به سرعت ترک نمی‌خورد). برنز مزایای زیادی دارد مانند افت استحکام (مقاومت در برابر ترکیدگی)، هزینه کم (نسبت به برنج)، و مقاومت در برابر خوردگی. شیرهای توپ برنزی برای کنترل جهت جریان، قطع جریان، و شیرهای ایمنی استفاده می‌شوند. اما برنز دارای مقدار بیشتری از سرب نسبت به برنج است که باعث می‌شود شیرهای توپ برنزی برای مصارف آب آشامیدنی مناسب نباشند. شیرهای برنز بدون سرب می‌توانند برای آب آشامیدنی استفاده شوند اگر محدودیت‌های قانون آب پاک رعایت شود.

شیرهای توپی چدنی:

چدن دارای تحمل دمای بسیار بالا است؛ برخی از چدن‌ها می‌توانند دماهای بیش از 2100 درجه فارنهایت (1150 درجه سانتیگراد) را تحمل کنند. مقاومت فشار چدن به کلاس آن بستگی دارد. نوع‌های متداول شامل کلاس 125 و کلاس 250 هستند. در دماهای پایین، فلنج چدن کلاس 125 برای فشارهای 150 تا 200 پی‌اس‌آی ارتقاء یافته است. چدن کلاس 250 می‌تواند با امتیازهای فشار 300-500 پی‌اس‌آی کار کند و به همین دلیل مقاومت بیشتری دارد. این ارزش‌های فشاری ممکن است با انواع اتصالات متصله متغیر باشند.

انتخاب شیر توپی مناسب

برای انتخاب بهترین نوع اتصال برای شیر توپ شما، باید به چندین عامل توجه کرد. در زیر به برخی از این فاکتورها پرداخته خواهد شد:

• نوع عملیات : بال ولو می‌تواند به صورت دستی، الکتریکی یا با هوا عمل کند. هرکدام از روش‌های اجرای مختلف مزایا و معایب خود را دارند
• سایز لوله
• عملکرد مدار : شیرهای توپی ممکن است عملکرد مدار 2-طرفه یا 3-طرفه داشته باشند، که بر اساس تعداد پورت‌ها تعیین می‌شود که به آنها شیر توپی دو طرفه و شیرتوپی سه طرفه گفته میشود.
• جنس محفظه : جنس محفظه شیر باید با سیال مایع مورد استفاده در سیستم سازگار باشد. مواد معمول و ویژگی‌های آنها عبارتند : استیل، برنج، PVC
• سیل آب بندی : شیرهای توپی دارای دو سیل آب بند هستند. حلقه‌های نشیمن، که دور توپی در ورودی و خروجی قرار دارند، و یک اورینگ جهت آب بندی ساقه شیر. به طور معمول، حلقه‌های نشیمن از مواد PTFE ساخته می‌شوند. برای هر دو سیل، مواد باید با سیال مایع مورد استفاده در سیستم سازگار باشند. مواد رایج و ویژگی‌های آنها عبارتند : ل (مهر) شیرهای توپ دارای دو مهر هستند. حلقه‌های نشیمن، که دور توپ در ورودی و خروجی قرار دارند، و یک حلقه O جهت مهر کردن ستون. به طور معمول، حلقه‌های نشیمن از مواد PTFE ساخته می‌شوند. برای هر دو مهر، مواد مهر باید با رسانه مایع مورد استفاده در برنامه سازگار باشند. مواد رایج و ویژگی‌های آنها عبارتند : EPDM , Viton NBR ، PTFE
• نوع و اندازه اتصال : برای اتصال شیرهای توپی به یک سیستم، انواع و اندازه‌های مختلفی از اتصالات وجود دارد شامل : اتصال رزوه ای، فلنجی، کلمپی، جوشی
• ضریب جریان (Kv) : ضریب جریان یا مقدار Kv به عنوان نرخ جریان در m3/h آب در 20 درجه سانتیگراد با فشار کاهش یک بار بیان می‌شود
• فشار : اطمینان حاصل کنید که شیر توپی می‌تواند فشار حداقل و حداکثر در سیستم را تحمل کند. جنس محفظه به تعیین دامنه فشار یک شیر توپی کمک می‌کند. برای فشار حداکثر، عمدتاً استیل معمولاً تحمل فشار بیشتری دارد، پس از آن برنج و سپس محفظه‌های PVC قرار دارند.
• دما : اطمینان حاصل کنید که جنس شیر قادر به تحمل دمای حداکثر و حداقل مورد نیاز عملیات شما باشد. معمولاً محفظه و جنس سیل اب بند، دمایی را که یک شیر توپی می‌تواند تحمل کند را مشخص می‌کنند. محدوده‌های معمول عبارتند :

شیر توپ برنجی: 20- تا 60 درجه سانتیگراد

شیر توپی پی وی سی :  10- تا 60 درجه سانتیگراد

شیر توپی استیل:-40  تا 220 درجه سانتیگراد

برای تأیید نهایی ، صفحه کاتالوگ شیر توپی مد نظر را حتما مطالعه کنید.

سوالات و پاسخ‌های رایج در مورد شیرهای توپی