همه چیز در مورد شیرهای فولادی و انواع و کاربردهای آن

شیر فولادی مثل تمام شیرآلات دیگر، ابزاری است که به منظور تنظیم یا انحراف جریان سیالات (مایعات، گاز و…) و قطع و وصل کردن آنها استفاده می‌شود. شیرآلات فولادی کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند و در انواع، مدل‌ها و اندازه‌های گوناگون طراحی و تولید می‌شوند. در این مقاله قرار است بعد از آشنایی اولیه با شیرآلات فولادی، سایزها و انواع استاندارد آن، مزایا و کاربردهای متنوع این شیرها را بررسی کنیم و با تولید کننده‌های داخلی و خارجی این قطعات نیز آشنا شویم.

شیر فولادی چیست؟

شیرآلات به طور کلی قسمت‌های مهمی از سیستم لوله کشی‌های پایپینگ صنعتی هستند و وظیفۀ قطع و وصل، انتقال و همچنین تنظیم جریان سیالات گوناگون را بر عهده دارند. در یک سیستم پایپینگ در اغلب مواقع ترکیبی از چندین شیر به کار می‌رود که هرکدام از آنها وظیفه‌ای خاص بر عهده دارند و یکی از پرکاربردترین شیرهای صنعتی استفاده شده در سیستم‌های پایپینگ، شیرآلات فولادی هستند.

برای تولید شیرآلات فولادی که نام علمی آنها شیرآلات کربن استیل Carbon Steel Valve است، از متریال‌های دارای قابلیت سخت کاری استفاده می‌شود. این ویژگی موجب مقاوم شدن انواع شیر فولادی در برابر خوردگی، شکست در دما و فشارهای بالای کاری خواهد شد.

از شیرهای فولادی در بخش‌های زیادی از صنایع مختلف و از جمله صنایع پتروشیمی و نفت و گاز استفاده می‌شود.

شیر فولادی چه کاربردهایی در صنعت دارد؟

شیرآلات فولادی با توجه به انواع کاربردهایی که می‌توانند داشته باشند به شکل‌ها و دسته‌های گوناگونی تقسیم بندی می‌شوند. هر کدام از این شیرها نیز وظیفه و کاربرد ویژه‌ و جداگانه‌ای در سیستم‌های لوله کشی به عهده دارند.

از بیشتر انواع شیر فولادی در داخل خطوط لوله دارای فشار یا دمای بالا و با هدف عبور دادن میعانات، گازهای با حساسیت بالا وسیالات استفاده می‌کنند. اما استفاده از شیرآلات فولادی به این زمینه محدود نمی‌شود. در ادامه به تعدادی از صنایع مختلف که این شیرآلات نقش پررنگ و تعیین کننده‌ای در آنها دارند اشاره شده است:

• صنایع غذایی و دارویی
• صنایع پتروشیمی و پالایشگاه‌ها
• صنعت‌های نفت و گاز
• انواع مبدل‌های حرارتی
• نیروگاه‌های مختلف
• تجهیزات دریایی
• کندانسورها

خواص مکانیکی شیر فولادی

همان طور که اشاره شد، متریال اصلی تشکیل دهنده شیرآلات فولادی، کربن استیل است. مهم‌ترین خواص و ویژگی‌های مکانیکی این شیرآلات عبارتند از:

• داشتن استحکام کششی
• دارا بودن میزان سختی زیاد
• مقاوم بودن در برابر خوردگی
• استفادۀ آسان

شیر فولادی چه انواعی دارد؟

شیرهای فولادی در انواع و اندازه‌های مختلفی طراحی و تولید می‌شوند و هر کدام از این انواع کاربرد ویژه‌ و منحصر به فردی در صنایع مختلف دارند. در ادامه به معرفی پرکاربردترین انواع شیر فولادی و کاربرد هر کدام از آنها در صنایع خواهیم پرداخت.

شیرهای بال ولو فولادی

این شیرها جزو پرکاربردترین شیرآلات فولادی هستند که در آنها فرایند قطع و وصل جریان با حرکت سریع دستۀ شیر و در زاویۀ ۹۰ درجه انجام می‌شود. در این شیرآلات از توپی در مرکز شیرها و برای کنترل، قطع کردن یا وصل جریان استفاده می‌کنند.

مزایا:

– باز و بسته شدن سریع شیرآلات که طی یک حرکت ربع گرد، شیر به‌سرعت باز یا بسته می‌شود.

– سیالات جاری در سیستم با کمترین میزان افت فشار و به صورت خطی در داخل آنها حرکت می‌کنند.

– آب بندی قوی با کمترین میزان نشتی

– قابلیت استفاده در خط‌های انتقال میعانات، گازها و سیالات

– قیمت مناسب شیر فولادی توپی در مقایسه با دیگر انواع شیرآلات فولادی

معایب:

• سیت به کار رفته در ساختار این شیرها را می‌توان یکی از مهم‌ترین نقاط ضعف آنها دانست. سیت به دمای بالا حساس است و در مواجهه با سیالاتی مثل گازوئیل، بنزین یا مواد خورندۀ دیگر بسیار آسیب پذیر است.

شیرآلات فولادی کشویی فلنج دار

این شیرها دروازه‌ای فولادی دارند که دارای سیت‌های فلزی است. اگر در قسمتی از صنعتی بخواهند کار آب بندیرا انجام داده و جلوی نشتی را بگیرند، از این شیرها با سیت ارتجاعی استفاده می‌شود.

مزایا:

– امکان عملیاتی شدن در فشارها و دماهای بالا

– داشتن کمترین میزان مقاومت در مقابل جریان‌ها

 – اعمال کمترین میزان افت فشار به سیال جاری در سیستم

معایب:

• باز و بسته کردن این شیرها به کندی انجام می‌شود و درنتیجه کار را برای اپراتور سخت خواهد کرد.
• در مقایسه با دیگر انواع شیر فولادی، سنگین‌تر و حجیم‌تر هستند.
• این شیرها در حالت نیمه‌باز یا نیمه‌بسته آسیب پذیر هستند. به این معنا که در این حالت‌ها دیسک و سیت شیرآلات کشویی آسیب خواهند دید.

شیرهای پروانه‌ای فولادی

زمانی که دیسک شیرهای فولادی پروانه‌ای به اندازۀ یک چهارم گردش کند، شیر یا کاملاً باز و یا کاملاً بسته خواهد شد. درواقع مکانیزم شیرهای پروانه‌ای از یک دیسک ساخته شده از آلیاژهای مختلف تشکیل شده است که حول محور شفت‌ها حرکت چرخشی ربع گرد می‌کند.

مزایا:

• این شیرها سرعت عمل زیادی دارند؛ به گونه‌ای که با یک چرخش ربع گرد، باز یا بسته می‌شوند. به همین دلیل هم هست که کار اپراتور آنها بسیار راحت است.
• قیمت شیرهای پروانه‌ای فولادی هم به نسبت سایر شیرها مناسب‌تر است.

معایب:

• با توجه به این که دیسک شیرهای فولادی پروانه‌ای در حالت باز خود در مسیر جریان سیالات قرار دارند، موجب ایجاد اختلال در جریان عبوری از داخل خود خواهند شد.

شیر فولادی فلکه سوزنی

از این شیرها برای قطع و وصل کردن یا تنظیم جریان‌های عبوری از خطوط لوله با فشار یا دمای نسبتاً بالا استفاده می‌کنند. جریان‌های در حال عبور از این شیرها در در مسیر خود تغییر جهت 90 درجه‌ای می‌دهند. به همین دلیل هم این شیرها مکانیزم دقیق‌تری را برای تعدیل یا تنظیم نرخ جریان‌های عبوری فراهم می‌کنند.

مزایا:

• شیرهای فلکه سوزنی در مقایسه با شیرهای کشویی، سریع‌تر و بهتر باز و بسته می‌شوند.
• این شیرها آب بندی مناسبی دارند و در حالت بسته به ندرت نشتی خواهند داشت.
• شیر فولادی فلکه سوزنی به دلیل ساختار ویژه‌ای که برای آن طراحی شده، فرایند تنظیم جریان عبوری را بدون هیچ گونه فرسودگی و آسیب انجام می‌دهد.

معایب:

• این شیرها در مقابل فشار بیش از حد در زمان بسته شدن آسیب‌پذیر هستند. البته به دلیل داشتن ساختار سیت، این شیرها یکی از بهترین گزینه‌ها برای قطع جریان هستند که آب بندی مناسبی هم دارند، اما باید توجه داشته باشید که در زمان بستن، نباید فلکۀ آن را زیاد چرخاند و به آن فشار اضافی وارد کرد. این کار می‌تواند به مرور زمان شیر را از آب بندی خارج کرده و دچار نشتی کند. همچنین این فشار بیش از حد به فلکه باعث ایجاد سر و صدا و لرزش اضافی و در نتیجه آسیب به شیرها و سیستم‌های لوله کشی نیز خواهد شد.

شیر فولادی یک طرفه

شیرآلات فولادی یک طرفه که به آنها شیر دریچه‌ای نیز گفته می‌شود، از حرکت در خلاف جهت جریان سیال جلوگیری می‌کنند. درواقع این شیرها امکان عبور جریان در یک جهت را فراهم می‌سازند. شیرهای یک طرفه نیروی حرکتی خود را به طور اتوماتیک از جریان سیالات می‌گیرند.

شیر فولادی دیافراگمی

دیافراگم تعبیه شده در شیرآلات فولادی درواقع یک قطعۀ انعطاف پذیر است که با انتقال نیرو موجب باز یا بسته شدن و کنترل میزان جریان سیالات در پایپینگ خط‌های لوله می‌شود. این شیرها از خانوادۀ شیرهای پینچ ولو هستند، با این تفاوت که در ساختار طراحی شیرهای دیافراگمی به‌جای یک لاینر الاستومری در بدنه، از دیافراگم‌های الاستومری استفاده می‌شود.

مزایا:

• شیر فولادی دیافراگرمی آب بندی بسیار خوبی دارد و مکانیزم آن طوری طراحی شده که وظیفۀ کنترل جریان عبوری از خود را بدون هیچ فرسایش و آسیبی انجام می‌دهد.

معایب:

• دیافراگرام تعبیه شده در شیرآلات دیافراگمی فولادی در مواجهه با دماهای بالا آسیب پذیر هستند.

انواع شیر فولادی از نظر نحوۀ عملکرد

شیرآلات فولادی با توجه به نحوۀ عملکرد و ساختارشان به سه دستۀ کلی تقسیم می‌شوند:

• شیرآلات خطی (Linear)125222
• شیرآلات چرخشی (Rotary)
• شیرآلات با نحوۀ عملکرد خودران (Self-Actuated)

در صنایع مختلف انواع مختلف شیرهای فولادی با عملکردهای مختلف و متنوع وجود دارند. هر کدام از این شیرها نیز ویژگی‌ها و مزایای خاص خودشان را دارند.

کلاسه بندی و سایزهای شیر فولادی

شیرهای فولادی معمولاً در سه کلاس متداول طراحی و تولید می‌شوند که عبارتند از:

•  CL 150
• CL 300
• CL 600
• CL 800 برای شیرهای فورج

سایزهای پرکاربرد و پرمصرف این شیرآلات نیز سایزهای 1/2 تا 14 هستند.

نحوه اتصال شیرآلات فولادی به یکدیگر چگونه است؟

برای متصل کردن لوله‌ها و شیرآلات به یکدیگر در مراکز صنعتی و کارگاهی، روش‌های مختلفی وجود دارد و شما برای انتخاب یکی از این شیوه‌ها باید پارامترهای مختلفی را لحاظ کنید که مهم‌ترینشان عبارت است از:

• جنس لوله‌ها
• نوع سیالی که قرار است از سیستم عبور کند.
• میزان اهمیت آب بندی و جلوگیری از نشتی در پروژۀ مورد نظر
• ابعاد سیستم‌های لوله‌کشی
• تجهیزات و امکانات موجود
• بودجۀ تخصیص داده شده برای کار و سایر عوامل اقتصادی
• بررسی استانداردهای موجود در حوزه‌ای که سیستم برای آن طراحی خواهد شد.
• و…

انواع شیر فولادی معمولاً به شکل‌های زیر به یکدیگر متصل می‌شوند:

• جوشی یا بات ولد
• رزوه‌ای (پیچی) یا دنده‌ای
• فلنج دار
• ساکت ولد

در ادامه توضیحات تکمیلی دربارۀ هر کدام از شیوه‌های اتصال ذکر خواهد شد.

اتصالات جوشی یا بات ولد در شیر فولادی

از این نوع اتصال در شیرآلات صنعتی و به ویژه برای لوله‌های فرایندی پالایشگاه‌ها، جایگاه‌های سوخت، صنایع نفت و گاز و… استفاده می‌کنند. جوشکاری به طور کلی یکی از رایج‌ترین و کارآمدترین شیوه‌های اتصال لوله‌هایی است که قطر بزرگی دارند. در ادامه به مزایا و معایب شیوۀ جوشکاری برای اتصال شیرآلات به یکدیگر اشاره شده است:

مزایا:

• استحکام زیاد
• آب بندی مناسب و نداشتن نشتی
• سادگی فرایند اجرا
• پایین بودن نسبی هزینه‌های اجرا
• ظاهر صاف و نسبتاً براق لوله‌ها بعد از اتصال به یکدیگر
• بهترین شیوۀ اتصال برای سیستم‌های پیچیده که درجۀ آزادی کم و عدم قابلیت چرخش  دارند.

معایب:

• ممکن است بعضی از قسمت‌های جوش وارد مسیر سیالات بشوند و بر روی الگوی جریان‌ها تأثیر بگذارند.
• در این شیوه امکان جداسازی لوله‌ها و دیگر اتصالات بعد از جوشکاری وجود ندارد و در صورت لزوم با بریدن لوله‌ها می‌توان آنها را از هم جدا کرد.
• شیوۀ اتصال جوشی فقط برای لوله‌های فلزی امکان پذیر است و برای متصل کردن لوله‌های غیر فلزی مانند لوله‌های PVC  باید از روش‌های دیگر استفاده کرد.
• استفاده از این شیوه به دلیل ایجاد جرقه در زمان جوشکاری، برای محل‌هایی که به‌طور کلی مستعد انفجار هستند توصیه نمی‌شود.

اتصالات رزوه‌ای (پیچی) یا دنده‌ای در شیر فولادی

از این شیوۀ اتصال اغلب در خط‌های سرویس و پروسه‌های کوچک و محدود لوله‌کشی با ابعاد کم استفاده می‌شود. که به حالت نر و مادگی به یکدیگر متصل می‌کنند.

از لوله‌هایی که با شیوۀ رزوه‌ای/ دنده‌ای به یکدیگر وصل می‌شوند، در اغلب مواقع برای مصارف کوچک و کم هزینه مثل ساخت سیستم‌های لوله کشی خانگی آب و فاضلاب، سیستم‌های خنک کنندۀ صنعتی و سیستم‌های ضد حریق استفاده می‌کنند. در ادامه به مزایا و معایب استفاده از این روش اتصال در شیر فولادی اشاره شده است:

مزایا:

• در روش اتصال رزوه‌ای، برخلاف جوشکاری، مهارت زیادی مورد نیاز نیست و چرخاندن رزوه‌ها روی هم اتصال را برقرار خواهد کرد.
• این اتصال برای سیستم‌هایی که فشار و دما در آنها پایین است آب بندی مناسبی دارند و نشتی نخواهد داشت.
• اتصالات رزوه‌ای شیر فولادی برای محیط‌هایی که مستعد انفجار هستند مناسب است، زیرا در صورتی که در چنین مکان‌هایی از شیوۀ جوشکاری استفاده شود، خطرآفرین خواهد بود.
• لوله‌های غیر فلزی اعم از پلاستیکی و PVC را نیز می‌توان با این روش به یکدیگر متصل کرد.

معایب:

• تغییرات دمایی سریع در لوله‌ها که به علت تغییر دمای سیالات ایجاد می‌شود، موجب کرنش حرارتی لوله شده و موجب ایجاد نشتی در اتصال‌های رزوه‌ای می‌شود. بنابراین براساس استاندارد ASME B31.1 استفاده از این اتصال‌ها در فشار و دمای بالا توصیه نمی‌شود.
• به مرور زمان و در نتیجۀ ایجاد تنش خستگی در محل اتصال رزوه‌ها، میزان استقامت و استحکام اتصال اندکی کن می‌شود و لوله‌ها در جای متصل به هم مقداری شُل می‌‌شوند. این مسئله نیز موجب ایجاد لرزش‌هایی در خط لوله و همچنین بروز نشتی خواهد شد.
• همان طور که اشاره شد، برای اتصال‌های رزوه‌ای باید لوله‌ها در محل خودشان چرخانده شوند. در سیستم‌های پیچیده که امکان حرکت و یا چرخش لوله‌ها به هیچ وجه وجود ندارد و یا لوله در جای خود ثابت شده، نمی‌توان به‌آسانی و اصولی از اتصال رزوه‌ای بهره برد.

اتصالات فلنج دار (فلنجی) شیر فولادی

فلنج شیوه‌ای رایج برای اتصال لوله‌ها، پمپ‌ها، انواع شیرآلات و…به منظور تشکیل سیستم لوله‌کشی است. این اجزا امکان دسترسی راحت برای اصلاح، بازرسی و حتی تمیز کردن قطعات را در سیستم‌های لوله‌کشی فراهم می‌کنند. فلنج‌ها در اغلب مواقع یا به صورت پیچ و مهره و یا به صورت جوشی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اتصالات ساکت ولد در شیر فولادی

از این نوع اتصال‌ها معمولاً در خطوط انتقال فشار قوی و همچنین در سیستم‌های پایپینگ صنایع مختلف استفاده می‌کنند؛ چرا که در این محل‌ها لازم است اتصالات دقت و توانایی فشار بیشتری داشته باشند. رایج‌ترین کاربرد اتصالات ساکت ولد عبارت است از:

• صنایع پتروشیمی و نفت و گاز
• صنایع پزشکی
• صنایع نیروگاهی
• اتصالات سیستم‌های آتش‌نشانی

اتصال ساکت ولد خود به انواع مختلفی تقسیم می‌شود که پرکاربردترین آنها در زیر معرفی شده‌اند:

• زانویی
• کپ
• تبدیل
• سه راهی
• نیم بوشن
• بوشن کامل
• بوشن تبدیل
• مهره ماسوره

استاندارد ابعادی اتصال‌ها

•  ASME B16.9 اتصالات بات ولد جوشی  ½ NPS تا NPS 48
• ASME B16.28  زانوی جوشی نورد شده شعاع کوتاه  ½ NPS  تا NPS 24
• ASME B16.11  استاندارد اتصالات فولادی برای اتصال‌های فشارقوی دنده‌ای و ساکت ولد

بازرسی و تست‌های کنترل کیفی در شیر فولادی

برای حصول اطمینان از کیفیت شیرهای فولادی انواع تست‌ها و بازرسی‌ها وجود دارد که متداول‌ترین آنها عبارتند از:

• آلتراسونیک  (Ultrasonic test)
• فلرینگ  (Flaring test)
• رادیوگرافی (Radiography test)
• فلتنینگ  (Flattening test)
• سختی سنجی (Hardness test)
• بازرسی چشمی  (Visual analysis)
• بازرسی شخص سوم  (Third party inspection)

کدامیک از انواع شیر فولادی عملکرد بهتری در کنترل نرخ جریان دارند؟

یکی از عوامل اصلی و تعیین کننده در پایپینگ خطوط لوله کنترل نرخ جریان گاز یا سیال عبوری است. به منظور انتخاب مناسب‌ترین نوع شیر فولادی برای کنترل جریان در پایپینگ‌های صنعتی، باید معیارها و عوامل مختلفی اعم از  دما و فشار کاری، محیط و شرایط کاری شیرآلات و همچنین میزان حساسیت گاز یا سیال عبوری را در نظر گرفت.  اما برای کنترل نرخ جریان عبوری از خط لوله‌ها باید به وضعیت شیر بال ولو، شیرآلات سوزنی و کروی و همچنین شیرآلات دیافراگمی توجه کرد.

برندها و کمپانی‌های تولید کنندۀ شیرآلات فولادی

در زمان خریداری شیرآلات توجه به انتخاب قطعات باکیفیتی که ماندگاری طولانی و عملکرد عالی و بدون لفت کیفیت داشته باشند ضروری است. در ایران برندها و کارخانه‌های زیادی شیرآلات فولادی را با کیفیت‌های عالی تولید و روانۀ بازار می‌کنند که از میان آنها می‌توان به برندهای زیر اشاره کرد:

• شیرآلات فولادی  orion
• شیرآلات NBV
• شیرآلات فولادی کیتز
• کیز ایران
• نگین شیر
• عیوض تکنیک

از میان برندهای خارجی (اروپایی و چینی) موجود در بازار ایران نیز می‌توان به این موارد اشاره کرد:

• شیرآلات صنعتی  BEL
• شیرآلات  Cameron
• محصولات برند JC
• شیرهای صنعتی  Petrol
• شیرآلات صنعتی  Emerson
• شیرآلات صنعتی  Curtiss-Wright