شیرهای پروانه ای (Butterfly Valves) برای قطع یا تعدیل جریان سیال (جداسازی و تنظیم) استفاده می شود. شیر پروانه ای مرکزی PI609 (سیت نرم) برای کاربردهای کم فشار و غیربحرانی به شیر دروازه ای و شیر توپی ترجیح داده می شوند زیرا ارزان تر و سبک تر بوده و نصب آن ها آسان تر است. شیر پروانه‌ای غیر متمرکز (شیرهای دو افست و سه افست) با سیت های فلزی محبوبیت زیادی یافته اند و در برخی از کاربردها با شیر کروی و توپی رقابت می کنند.
شیر پروانه ای چیست؟
شیر پروانه ای یک ابزار تنظیم کننده و قطع کننده است که می تواند در برخی کاربردها جایگزین شیرهای کروی و توپی باشد. این نوع شیر را می توان بر اساس پارامترهای متعدد طبقه بندی کرد:
- طراحی: مرکزی، غیرمتمرکز دوگانه، غیرمتمرکز سه گانه
- نوع اتصال انتهایی: ویفر، آویزه (نیمه، کامل)، فلنجی و دو فلنجی
- جنس سیت: نرم (مانند تفلون، بونا، لاستیک و غیره) یا فلز به فلز (SS304, SS316)
- مواد بدنه و دیسک (از چدن تا آلیاژهای دارای نیکل زیاد)
- عملگر: دستی (دسته، دنده، دنده مارپیچی) و خودکار (الکتریکی، پنوماتیک، هیدرولیک و انواع گاز روی روغن)
شیرهای پروانه ای را می توان برای دامنه وسیعی از کاربردها مانند تامین آب، تصفیه فاضلاب، حفاظت در مقابل آتش، صنایع نفت و شیمیایی، سیستم های انتقال سوخت و همچنین صنعت تولید برق استفاده کرد. با عرضۀ طرح های غیرمتمرکز دوگانه و سه گانه، شیرهای پروانه ای بیشتر و بیشتر در صنعت نفت و گاز مورد استفاده قرار گرفتند و با شیرهای سنتی تر مانند شیرهای توپی و کروی به رقابت پرداخته اند.
اصول کارکرد شیرهای پروانه ای
جزء اصلی شیرهای پروانه ای دیسک است. دیسک یک رینگ فلزی است که در خط وسط لوله نصب شده و از طریق یک میله به یک عملگر بیرونی (دستگیره یا عملگر) وصل می شود. در مقایسه با شیر توپی، دیسک شیر پروانه ای همواره در تماس با سیالی است که از درون خط لوله عبور می کند و بنابراین باعث افت فشار می شود. در حالت بسته، دیسک مجرای شیر را مسدود می کند و در حالت باز، دیسک اجازه عبور جریان را می دهد. یک ربع گردش لازم است تا شیر از حالت کاملا باز به حالت کاملا بسته درآید (و این حرکت را می توان به همان سرعت شیرهای توپی انجام داد).
نماد شیر پروانه ای در نمودارهای P&ID در تصویر زیر نشان داده شده است.
مشخصات شیرهای پروانه ای
استانداردهای API 609, ASME B16.34 (Pressure And Temperature Rating), API 598 (Testing), ASME B16.5 and ASME B16.47 (Flanged Ends) and ASME B16.25 ابعاد و تلورانس های شیرهای توپی را برای صنعت پتروشیمی و کاربردهای لوله کشی توضیح می دهند.
طراحی شیرهای پروانه ای
یکی از طبقه بندی های کلیدی مربوط به شیرپروانه ای هم مرکز و غیرمتمرکز است:
- شیرپروانه ای هم مرکز: استم در مرکز دیسک قرار دارد و دیسک در مرکز مجرا جاگرفته است.
- شیر پروانه ای غیرمتمرکز (افست دوگانه و سه گانه): دارای یک یا چند استاب شفت (استم) است که در یک موقعیت افست نسبت به مرکز شیر قرار گرفته اند. شیرهای پروانه ای غیرمتمرکز به عنوان دو افست و سه افست نیز تعریف می شوند.
شیر پروانه ای هم مرکز (چپ)، شیر پروانه ای دوافست (وسط)، شیر پروانه ای سه افست (راست)
شیر پروانه ای هم مرکز (مرکزی)
شیرهای پروانه ای هم مرکز در ایستگاه های تسویه آب و فاضلاب، سیستم های حفاظتی و انتقال گاز استفاده می شوند.
- تسویه آب
- توزیع آب
- تاسیسات پمپاژ
- انتقال آب
- HVAC
- سیستم های هوادهی
- تسویه فاضلاب
- تاسیسات فیلتراسیون
- تاسیسات پمپاژ
- تاسیسات غشایی
- حفاظت در برابر آتش (داخل/بیرون ساختمان)
- گاز طبیعی و گاز فلر
شیر پروانه ای غیرمتمرکز دوگانه
شیرهای پروانه ای غیرمتمرکز دوگانه درسیستم های انتقال آب زیرزمینی کاربردهای فراوانی دارند و با شیرهای دروازه ای (به خصوص در شیرهایی با اندازه مجرای زیاد) رقابت می کنند زیرا سبکتر و ارزان تر بوده و کار حفاری را به حداقل می رسانند.
شیرهای پروانه ای غیرمتمرکز سه گانه
شیرهای پروانه ای سه افست با مواد گرید بالا مانند فولاد ضدزنگ و فولاد دوپلکس و سوپردوپلکس ساخته می شوند و در کاربردهای شرایط بحرانی (با میزان خوردگی قابل ملاحظه و دما/فشار بالا) با شیرهای توپی رقابت می کنند. شیرهای پروانه ای سه افست پیچیده ترین نوع شیرهای پروانه ای هستند و در سال های اخیر سهم بازار خود را یافته اند.
مقایسه شیرهای پروانه ای غیرمتمرکز دوگانه و سه گانه
تصویر بالا تفاوت طراحی شیر پروانه ای غیرمتمرکز دوگانه و سه گانه را (به ترتیب در سمت چپ و راست نمودار) نشان می دهد.
جنس شیرهای پروانه ای
بدنه شیر
شیرهای پروانه ای مانند هر نوع شیر دیگر از مواد مختلف و ترکیب هایی از مواد مختلف (بدنه، سیت، دیسک) ساخته می شوند. انتخاب مواد سازنده به سیالی که قرار است توسط این شیر مسدود شود و به فشار و دمای کاربرد بستگی دارد. در اینجا فهرستی از مواد اصلی سازنده شیرهای پروانه ای (که عموما گریدهایی از چدن هستند) ارائه می شود.
فولاد کربنی
فولاد کربنی یک آلیاژ آهن و کربن است (هیچ عنصر آلیاژی دیگری برای کنترل ویژگی های مواد به فولاد کربنی اضافه نمی شود). برای ساخت بدنه و دیسک شیر پروانه ای اغلب اوقات از فولاد کربنی و فرایند ریخته گری ماسه ای استفاده می شود.
متدوال ترین گرید مورد استفاده برای بدنه و دیسک شیر پروانه ای، فولادهای ASTM A216 WCB و LCC (کم کربن) هستند (که فولاد ریخته گری هستند). این فولادها به ترتیب برای سرویس دمای بالا و دمای پایین استفاده می شوند.
مهم ترین مزیت شیرهای پروانه ای فولاد کربنی قیمت نسبتاً پایین و عملکرد قابل قبول آن هاست (به خصوص برای کاربردهای فشار پایین). ضعف شیرهای فولاد کربنی مقاومت کم نسبت به خوردگی است (که می توان با افزودن رنگ های بیرونی یا مواد آستری داخلی مانند تفلون این ضعف را بهبود داد).
فولاد ضد زنگ
فولادهای ضدزنگ آلیاژهای آهن، نیکل و کروم (حداقل مقدار کروم 10.5 درصد است) هستند. افزودن کروم باعث ایجاد یک لایه اکسید خودالتیام بر روی سطح ماده می شود و آن را از زنگ زدگی محافظت می کند. وقتی سطح قطعه ای که از فولاد ضد زنگ ساخته شده خراشیده می شود، کروم با اکسیژن واکنش می دهد و مانع از واکنش آهن و اکسیژن و زنگ زدگی آن می شود. انواع بسیار متفاوتی از فولادهای ضدزنگ وجود دارند که عموما سری 300 و 400 نامیده می شوند.
فولادهای ضدزنگ را می توان در دسته های فریتی، آستینیتی، مارتزیتی، دوپلکس و پیرسَخت (Ph 14) طبقه بندی کرد. این طبقه بندی براساس ریزساختار مواد با تغییر در ترکیب عناصر مخلوط می باشد. متداول ترین انواع فولادهای ضدزنگ مورد استفاده برای ساخت شیرها، گریدهای آستینیتی و دوپلکس هستند.
فولاد ضدزنگ آستینیتی
فولاد ضدزنگ آستینیتی علاوه بر کروم دارای نیکل نیز می باشد. کروم این خاصیت را دارد که ساختار آستینیتی مکعبی مرکز وجوه‌پر دمای بالا را در دماهایی که این فولاد به طور نرمال به ساختار فریتی مکعبی مرکز پر تغییر می کند، حفظ می کند.
این ساختار مکعبی مرکز وجوه پر به ماده چقرمگی و شکل پذیری بیشتری نسبت به گریدهای فریتی می دهد.
بسته به درصد نیکل موجود در آلیاژ، ساختار آستینیتی سخت را می توان حتی در دماهای بسیار پایین حفظ کرد و بنابراین، این ماده برای کاربرد در شرایط سرما هم مناسب است. افزودن مولیبدن باعث افزایش مقاومت شیر در برابر خوردگی حفره ای می شود.
فولاد دوپلکس
فولادهای ضدزنگ دوپلکس (UNS S32205 and UNS S31803) دارای یک ساختار متوازن از ساختار آستینیتی مکعبی مرکز وجوه‌پر و فریتی مکعبی مرکز پر آهن را دارند. این نوع ترکیب از طریق کنترل عناصر آلیاژی و عملیات حرارتی – که بر روی آلیاژ انجام می شود تا ساختاری تولید شود که از 50% آستینیت و 50% فریت تشکیل شده باشد، به دست می آید.
فولادهای ضدزنگ دوپلکس استحکام بیشتر ترکیب فریتی را با چقرمگی چشمگیر آستینیت ترکیب می کنند. نوع سوپر دوپلکس (UNS S32750 and UNS S32760) دارای مقدار کروم و مولیبدن بیشتری هستند تا مقاومت در برابر خوردگی را افزایش دهند.
فولاد آلیاژ نیکل
آلیاژهای نیکل برای شیرهایی استفاده می شوند که تحت شرایط سرویس بسیار سخت از لحاظ نوع سیال، دما و فشار قرار دارند. این آلیاژها به طور خاص برای کاربردهای بسیار خورنده مناسب هستند که می توانند لایه اکسیدی محافظ را در فولادهای گرید پایین‌تر (مانند فولاد ضد زنگ) تخریب کنند. پراستفاده ترین آلیاژهای نیکل در ساخت شیرها Inconel, Incoloy, Hastelloy هستند. مهم ترین عیب آلیاژهای نیکل وزن زیاد و قیمت گران (چند برابر شیرهای فولادی ضدزنگ) آن ها است.
تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم
آلیاژهای تیتانیوم استحکام بالا و وزن کم را با مقاومت عالی در برابر خوردگی ترکیب می کنند. آلیاژهای تیتانیوم بالاترین نسبت استحکام به وزن را نسبت به فلزات دیگر دارند. همانند فولادهای ضدزنگ، آلیاژهای تیتانیوم یک لایه اکسیدی محافظ بر روی سطح خود تشکیل می دهند که مانع از زنگ زدگی قطعه می شود.
تیتانیوم مقاومت زیادی نسبت به خوردگی به وسیله آب دریا دارد (به خصوص در محیط هایی که هیپوکلریت حضور دارد).
عیب اصلی آلیاژهای تیتانیوم قیمت بالای آن ها (چندبرابر فولاد ضدزنگ) و پیچیدگی فرایند تولید (به علت واکنش پذیری بالای فلز) است (راهکارهای ریخته گری خاصی لازم است تا از واکنش تیتانیوم با اکسیژن در هنگام ذوب و ریختن جلوگیری کند).
برنز آلومینیوم نیکل
این یک آلیاژ مس است که از تقریباً 10% آلومینیوم، 5% نیکل و 5% آهن تشکیل شده است
این آلیاژ دارای مقاومت بالا دربرابر خوردگی است (به خصوص در کاربردهای آب دریا) و در برابر تشکیل زیست لایه مقاومت می‌کند (که این از علت های معمول خوردگی در فولادهای ضدزنگ است). شیرهای پروانه ای API 609 می توانند سیت های نرم یا فلزی داشته باشند. شیرهای دارای سیت نرم را شیرهای پروانه ای “نرم سیت” یا “منعطف” نیز می نامند که از نوع مرکزی هستند. طرح های غیرمتمرکز (افست دوگانه یا سه گانه) عموما دارای سیت های فلزی هستند و می توانند مقاوم در برابر آتش باشند.
