شیر صنعتی

شیر یا وَلْو یا والْو (به انگلیسی: valve) وسیله‌ای است که برای قطع و وصل، تنظیم میزان جریان یا منحرف‌کردن مسیر جریان سیال‌ها (گازها، مایعات و حتی خمیر و…) به وسیلهٔ بستن، بازکردن، نیمه‌بازکردن یا منحرف‌کردن یک مسیر به‌کار می‌رود. شیرها در اصل، خود نوعی فیتینگ یا وصاله هستند، ولی به دلیل گستردگی و اهمیت به صورت مجزا بررسی می‌شوند.
یکی از ساده‌ترین و قدیمی‌ترین انواع شیرها، دریچه یا صفحهٔ مسدودکننده‌ای است که کشاورزان درون کانال‌های آب کار می‌گذارند و برای بازکردن یا بستن مسیر آب به زمین‌های کشاورزی استفاده می‌کنند.
شیرها کاربردهای مختلفی دارند؛ ازجمله کنترل جریان آب در کشاورزی و آبیاری تا فرایندهای پیچیدهٔ کنترل فرایند در پالایشگاه‌ها و کارخانجات فرایندی، بازوبست‌کردن آب در ماشین‌های لباس‌شویی و ظرف‌شویی تا شیرهای برداشت آب خانگی.

طبقه‌بندی شیرآلات

شیرها بر اساس مکانیزم و نوع و کاربرد، انواع بسیار گوناگونی دارند. اندازه شیرها بسیار گسترده‌است. از سایزهای بسیار کوچک برای نصب بر روی لوله‌هایی به قطر ۰٫۱ میلی‌متر تا ۶۰ سانتی‌متر. شیرهایی وجود دارند که قطر دهانه آنها به ۵ متر نیز می‌رسد. قیمت آنها نیز از شیرهای ارزان قیمت قابل بازیافت تا شیرهایی که هزارها دلار قیمت هر اینچ آنهاست متغیر است. برخی از انواع طبقه‌بندی شیرها به شرح زیر است:

بدنه (Body)

بدنه شیر یک محفظه تو خالی برای عبور سیال است که باید بتواند فشار سیال را تحمل کند و به خط لوله نصب شود و شامل اجزای درونی یا تریم شیر می‌باشد. جنس بدنه شیر معمولاً فلزی یا پلاستیکی است. استفاده از برنز، برنج، چدن، فولاد و فولاد زنگ‌نزن در ساخت بدنه شیرها بسیار متداول است. اکثر شیرهای مورد استفاده در صنعت نفت و گاز از جنس فولاد با گرید WCB می‌باشد. در خطوط اسیدسولفوریک که بسیار خورنده است معمولاً از آلیاژ Alloy 20 استفاده می‌شود. از شیرهای با جنس Hastelloy معمولاً در کاربردهای دما-بالا و نیروگاه‌های هسته ای و از شیرهای با جنس Inconel معمولاً در خطوط هیدروژن استفاده می‌شود. از شیرهای با جنس پلاستیک معمولاً در کاربردهای فشار پایین استفاده می‌شود.

کلاهک، درپوش، بانت (Bonnet)

بانِت قطعه مکمل مجموعه بدنه است که معمولاً به صورت اتصال رزوه‌ای (در شیرهای کوچک) یا فلنجی به بدنه متصل می‌شود. در اکثر موارد ساقه (stem) از میان این قطعه عبور می‌نماید. معمولاً پس از قرار دادن اجزای درونی شیر برای بستن محفظه و نگه‌داشتن همه چیز درون آن از بانت استفاده می‌شود. بسیاری از شیرها منجمله شیرهای سماوری یا توپی فاقد بانت هستند چرا که مکانیزم سرهم‌بندی اجزای آن به گونهٔ دیگری است.

هندل/هندویل یا عملگر (Handle/Hand-Wheel or Actuator)

هندل، اهرم یا دسته ای است که به وسیله آن می‌توان شیر را از بیرون باز یا بسته کرد. هندویل دسته ای به شکل چرخ یا فرمان است که با چرخاندن آن توسط دست، شیر باز و بسته می‌شود. شیرهای اتوماتیک معمولاً فاقد هندل یا هندویل هستند، هر چند برخی گونه‌ها ممکن است برای مواقع اضطراری شامل اهرمی دستی نیز باشند. عملگر، یک مکانیزم یا دستگاه است که به کمک آن می‌توان شیر را از بیرون و از راه دور یا نزدیک، باز یا بسته کرد. بعضی از شیرها مانند شیرهای یک طرفه فاقد هرگونه هندویل یا عملگری هستند چرا که مکانیزم عملکرد آنها به صورت داخلی و خودکار است.

مهره هندویل (Hand-Wheel Nut)

مهره‌ای است که هندویل توسط آن به استم سفت می‌شود و جنس آن از فولاد ساده کربنی در نظر گرفته می‌شود.

نشان دهنده موقعیت (Position indicator)

قطعه‌ای است که موقعیت عضو کنترل جریان را از بیرون شیر نشان می‌دهد.

عضو مسدودکننده جریان (Obturator)

قسمتی از یک شیر که وظیفه قطع و وصل، تنظیم یا انحراف جریان را بر عهده دارد. این قطعه در شیر توپی کروی شکل، در شیر سماوری معمولاً مخروطی شکل در شیر دروازه‌ای گوه‌ای شکل یا صفحه‌ای سوراخ دار-که این گونه معمولا شیر دروازه ای through-Conduit نامیده می‌شود-، در شیر بشقابی و شیر یکطرفه به شکل دیسک و… می‌باشد.

نشیمنگاه (Seat)

سطوح داخلی بدنه شیر که در اثر تماس عضو مسدودکننده جریان با آن، شیر عمل آب‌بندی را انجام می‌دهد، نشیمنگاه یا سیت نامیده می‌شود. باید در نظر داشت در حالتی که شیر بسته‌است، مجرابند با سیت‌ها در تماس است. سطوح سیت که در آب‌بندی ایفای نقش دارند جزء تریم محسوب می‌شوند.

ساقه (Stem)

ساقه، شفت، استم یا میله به قطعه‌ای گفته می‌شود که وظیفه انتقال نیرو از طرف اپراتور به عضو مسدودکننده جریان را بر عهده دارد. این قطعه می‌تواند شامل یک یا چند جزء باشد.
حداقل قطر استم در شیرهای دروازه ای در جداول استاندارد API-600 آورده شده‌است. رزوه‌های استم از نوع دنده ذوزنقه‌ای که مختص انتقال قدرت هستند، بوده و دنده‌ها به صورت چپ گرد می‌باشند تا هنگام چرخش هندویل در جهت عقربه‌های ساعت شیر بسته شود. طراحی انتهای پایینی استم باید به نحوی باشد که هنگامی که شیر در سرویس است، دیسک در جای خود نچرخد و استم از دیسک جدا نشود.

پکینگ (Packing)

پکینگ‌ها وظیفه آب‌بندی دور استم را بر عهده دارند. این عمل با فشرده شدن آن‌ها توسط گلند صورت می‌پذیرد. محل قرارگیری آن‌ها STUFFING BOX می‌باشد. حداقل تعداد آن‌ها نباید کمتر از ۵ حلقه باشد. سایز پکینگ‌ها و میزان لقی آن‌ها در استاندارد API-600 مشخص شده‌است.

واشرها (Gaskets)

در شیرهایی که بدنه و کلاهک، درپوش، کپ، کلوژر و… با اتصال فلنجی متصل می‌شوند، بین فلنجها از گسکت‌ها برای آب‌بندی استفاده می‌شود. گسکت‌ها باید متناسب با محدوده دمایی شیر انتخاب شوند و همچنین بتوانند تحمل فشار طراحی شیر را داشته باشند.
برخی از انواع گسکت: Flat - Spiral - O Ring- C Ring- U Ring

گلند (Gland)

بوش دو پله‌ای است که برای فشرده سازی پکینگ‌ها در بالای آن‌ها قرار می‌گیرد.

فنر (Spring)

بسیاری از شیرها از فنر استفاده می‌کنند. در شیرهای اطمینان برای ایجاد یک پیش بار از فنر استفاده می‌شود. در شیرهای توپی و دروازه ای بزرگ
معمولاً در پشت سیت‌رینگ‌های شیر از فنر برای ایجاد پیش‌بار برای افزایش کارایی مکانیزم آب‌بندی استفاده می‌شود.

آب‌بندی داخلی

همه شیرها قابلیت یکسانی در آب‌بندی و عدم نشت ندارند و از نقطه نظر آب‌بندی معمولاً به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. این شیرها معمولاً به دو دسته اصلی متال-سیت (نشیمنگاه فلزی) و سافت-سیت (نشیمنگاه نرم) تقسیم می‌شوند.
آب‌بندی در شیرهای متال-سیت که معمولاً به صورت فلز بر روی فلز است دشوارتر بوده و نیاز به داشتن دو سطح کاملاً صیقلی از فلز است. در این نوع مکانیزم آب‌بندی معمولاً توسط استانداردها میزانی نشتی به عنوان نشتی مجاز در نظر گرفته می‌شود. از مزیت‌های این نوع آب‌بندی توان تحمل دما و فشارهای کاری بسیار بالا و همچنین عدم تخریب توسط مواد ساینده است.
در مکانیزم آب‌بندی سافت-سیت که معمولاً Resilient-Seat نیز خوانده می‌شود به معنای نشیمنگاه قابل ارتجاع و نرم، معمولاً از یک جنس قابل انعطاف و صیقلی مانند PTFE که تفلون نیز خوانده می‌شود بر روی یک سطح صیقلی و سختکاری شده استفاده می‌شود. این نوع آب‌بندی بسیار دقیق بوده و معمولاً توسط استانداردها هیچ مقداری از نشتی در این نوع شیرها مجاز نمی‌باشد. از مزایای آن دقت آب‌بندی و نداشتن نشتی به اندازه حتی یک قطره (که در اصطلاح Bubble-tight یا Leak-free نیز خوانده می‌شود) می‌باشد. از معایب آن اینست که توسط مواد ساینده از بین می‌رود و در خط‌هایی که آلودگی دارند چندان قابل استفاده نیست.

آب‌بندی خارجی

علاوه بر نشتی داخلی، شیرها اغلب از ناحیه کنار استم نیز دچار نشتی می‌گردند. برای آب‌بندی شیرها از ناحیه استم، معمولاً از نوعی الیاف از جنس پنبه نسوز و گرافیت که Packing خوانده می‌شود، استفاده می‌گردد. این پکینگ‌ها به صورت حلقه‌هایی برش داده می‌شود و در داخل شیاری در کنار استم قرار داده شده و توسط مجموعه گلند فشرده می‌گردد. سفت کردن بیش از حد مهره‌های گلند باعث بالا رفتن توان مورد نیاز برای باز و بسته کردن شیر شده و شل بودن آن نیز می‌تواند باعث نشتی از ناحیه ساقه یا استم گردد.
در بعضی از موارد که هیچ نوع نشتی از ناحیه استم مجاز نبوده و سیال داخلی بسیار خطرناک یا کشنده است از شیرهای خاصی به نام شیرهای دیافراگمی استفاده می‌گردد. در این نوع شیرها سیال توسط دیافراگم یا صفحه ای که معمولاً از جنس فلزی می‌باشد از قسمت بانت شیر جدا می‌شود و امکان نشتی در این شیرها بسیار پایین می‌باشد.

ویژگی Backseat (نشیمنگاه) در شیرها

در بعضی از شیرهای صنعتی که هندویل آنها Full-turn می‌باشد، به این معنا که برای باز یا بستن شیر باید هندویل را چندین دور چرخاند، انتهای میله استم دارای یک پخ می‌باشد. اگر شیر در حالت کاملاً باز قرار بگیرد این پخ به سیتی که بر روی بانت تعبیه شده‌است فشار آورده و این ناحیه را آب‌بند می‌کند. این ویژگی کمک می‌کند که شیری که از ناحیه کنار استم دچار نشتی شده‌است را در سرویس تعمیر کرد. به این صورت که ابتدا شیر را در حالت کاملاً باز قرار می‌دهیم تا Backseat در جای خود قرار بگیرید. سپس می‌توان اقدام به تعویض پکینگ‌های شیر کرد.