شیر توپی (Ball Valve) چیست؟
شیر توپی یک شیر با حرکت چرخشی است که از یک دیسک توپی شکل برای قطع و وصل کردن و تنظیم جریان استفاده میکند. این دیسک توپی شکل در حقیقت جسمی کروی است که یک سوراخ در آن ایجاد شده است و در حالت باز بودن شیر جریان از این سوراخ عبور میکند. این شیرها به طور گسترده در صنایع نفت وگاز و مصارف خانگی و سیستمهای آب و فاضلاب کاربرد دارند.
زمانی که شیر میخواهد در حالت باز قرار گیرد، توپی میچرخد و در حالتی قرار میگیرد که سوراخ درون توپی با مسیر ورودی شیر و خروجی جریان از شیر در یک خط قرار گیرد و سیال از آن عبور کند. همچنین زمانی که شیر میخواهد بسته شود، توپی چرخیده و سوراخ آن در جهت عمود بر جریان سیال قرار میگیرد و مسیر جریان قطع میشود.
بیشتر عملگرهای (اکچویتورها) شیرهای توپی از نوع سریع العمل هستند و با یک چرخش 90˚ در اهرم شیر، شیر از حالت کاملاً بسته به حالت کاملاً باز تغییر میکند. در شیرهای توپی با سایز بزرگ که نیاز به گشتاور بالایی برای باز و بسته کردن شیر دارند عملگر به یک چرخنده خورشیدی متصل میشود. در شیرهای توپی با اهرم دستی زمانی که اهرم با محور شیر همجهت میشود شیر باز است و زمانی که اهرم در جهت عمود بر محور شیر قرار میگیرد شیر بسته میباشد. اجزای شیر را میتوانیددر مقاله شیر و اجزای سازنده آن مطالعه نمایید.
مزایا و معایب شیر توپی (Ball Valve)
مزایای شیر توپی نسبت به سایر شیرها
- هزینه‌ی ساخت و تعمیر ونگهداری شیر توپی کم است.
- عملکرد این شیر سریع است و با یک حرکت 90˚ در اهرم و با گشتاوری نسبتاً کم، شیر کاملاً باز و بسته میشود.
- ساختار متراکم و محکمی دارد و آب بندی آن خوب است.
- نیاز به روانکاری ندارد.
معایب شیر توپی
- اکثر شیرهای توپی اگر در حالت نیمه باز باشند جریان مغشوش به وجود آمده و اگر برای مدت طولانی در این حالت قرار گیرند نشیمنگاه و توپی درون آنها آسیب می‌بیند.
- هنگام بسته شدن شیر مقدار کمی از سیال در محفظه‌ی درون سوراخ آن باقی می‌ماند که میتواند باعث خوردگی و فرسایش توپی شود.
- دوغاب ها و سیالات حاوی ذرات جامد برای عبور از این شیر مناسب نیستند؛ زیرا درون دریچه‌ی توپی رسوب می‌کنند و عملکرد شیر دچار اختلال میشود.
جنس شیر توپی (Ball Valve)
توپی و بدنهی این شیرها معمولاً از جنس فلزاتی چون فولاد ضد زنگ یا کربن استیل میباشد. نشیمنگاه شیر توپی معمولاً از جنس الاستومر است و همچنین انواع پلاستیکی شیرهای توپی هم موجود میباشد. مواد پرکاربرد در ساخت نشیمنگاه ارتجاعی برای شیرهای توپی عبارتند از: تفلون (TFE) ، Buna-N ، Neoprene و یا ترکیبی از این مواد. به دلیل استفاده از مواد الاستومر در نشیمنگاه، شیر توپی نمی‌تواند در دماهای بالا استفاده شود.
انواع شیر توپی (Ball Valve Types)
شیرهای توپی از لحاظ ساختار بدنه و نوع و جایگیری توپی به چند دسته‌ی مختلف تقسیم میشوند.
انواع شیرهای توپی از لحاظ ساختار بدنه
شیرهای توپی از لحاظ ساختار بدنه دارای انواع یک تکه، دو تکه و سه تکه هستند. مدل یک تکه ساختمان ساده‌تری دارد و ارزان تر است؛ اما به‌علت یک تکه بودن تعمیر آن دشوار بوده و نمی‌توان توپی را از آن خارج نمود و تعمیر یا تعویض کرد. شیرهای دو تکه و سه تکه دارای قسمتهای مختلفی هستند که با اتصال پیچ، جوش یا فلنج به هم متصل شده‌اند. شیرهای دو یا سه تکه نسبتاً گران تر بوده اما تعمیر و یا تعویض قطعات آنها راحت تر بوده و برای تعمیر بخشی از آن ها لازم نیست تا شیر کاملاً از خط لوله جدا شود.
انواع شیرهای توپی از لحاظ نوع و جایگیری توپی
- شیر توپی با توپی شناور (Floating Ball Valve) : در این نوع شیرها، توپی تقریباً به حالت شناور بوده و میتواند درجای خود کمی حرکت داشته باشد. حرکت توپی نمی‌تواند به سمت بالا باشد و توپی از بالا به وسیله‌ی یک شفت در جای خود ثابت شده است. به علت فشرده شدن توپی به نشیمنگاه، استفاده از این شیر در فشارهای بالا توصیه نمیگردد.
- شیر توپی ترونیون (Trunnion Ball Valve) : در شیر توپی ترونیون بر خلاف شیر توپی شناور، توپی از تمامی جهات ثابت شده و فقط دارای حرکت چرخشی میباشد. این شیرها برای مواقعی که فشار جریان بالا باشد مناسب می‌باشند. از مزایای شیر توپی ترونیون میتوان به گشتاور عملیاتی کمتر و آب بندی بسیار خوب در فشارهای بالا و پایین و اشاره کرد.
- شیر توپی سه راهه (Three Way Ball Valve) : شیر توپی سه راهه از لحاظ ساختار توپی با شیر دو راهه که قبلاً درباره‌ی آن بحث شد متفاوت است. توپی این شیر دارای سه سوراخ یا دریچه روی خود بوده و قادر است جریانی را که از یک طرف وارد میشود را به دو قسمت تقسیم کند. این شیرها بر خلاف شیرهای دوراهه به سه لوله متصل میشوند. این شیر همچنین میتواند دو جریان مختلف را با نسبت های دبی دلخواه باهم ترکیب کند و به عنوان یک شیر کنترلی مناسب در صنعت شناخته میشود.
- شیر توپی با ورودی بالایی (Top-Entry Ball Valve) : در این شیر دسترسی به توپی از قسمت بالای شیر است و نسبت به شیرهای با ورودی جانبی دسترسی راحت تری دارند. این شیرها برای مواقعی که فعالیت خط لوله بالا بوده و نیاز به تعمیرات و سرویس شیر زیاد است استفاده میشوند تا با باز کردن قسمت بالایی شیر تعمیرات را انجام دهند. این شیرها همچنین به علت ساختار یکپارچه و نیاز به عملیات ریخته‌گری در فرایند تولید از شیرهای با ورودی جانبی گرانتر هستند.
- شیر توپی با ورودی جانبی (Side-Entry Ball Valve) : در این شیرها دسترسی به توپی از قسمت جانبی یا پهلوی شیر بوده و برخلاف حالت Top-Entry ساختار این شیرها یکپارچه نیست. ساخت و مونتاژ لوازم این شیرها نسبتاً ساده‌تر است و قیمت پایین تری نسبت به شیرهای با ورودی بالا دارند.
جدول استانداردها شیر توپی
| ISO 17292, API 6D, MSS SP-61, ANSI B16.34, BS 5351 ضد حریق: BS 6755, API 6FA, API 607 | استانداردها |
| 40 – 400 mm | قطر شیر |
| 113 bar | فشار کاری |
| جوش سوکتی Socket-weld ends ASME B16.11 پیچی Screwed-end BSPT ISO 7-1 پیچی Screwed-end NPT ASME B1.20.1 فلنجی End flange ASME B16.5 RF/FF/RTJ Face-to-face Flanged ASME B16.10 | اتصال شیر |
| API 598, MSS SP-61, ANSI B 16.10, API 6D, API 6A, ISO 5208 | استاندارد بازرسی |
| ASTM A216 Gr. WCB, WCB, ASTM A216 Gr. WCB, ASTM A105, ASTM A351 Gr. CF8M, ASTM A182 Gr. F316 | بدنه شیر – body |
| ASTM A351 Gr. CF8M, ASTM A182Gr. F316, ASTM A182 Gr. F304 | توپی – ball |
| ASTM A479 TYPE 316 | استم – Stem |
| PTFE, RPTFE, S[ecial filled PTFE, PEEK, DEVLON, NXT-70, SS316+ST | نشیمنگاه – Seat |
| بدنه: PTFE/RPTFE, Special filled PTFE, Graphite استم: Carbon-filled PTFE, Graphite | آب بندی – packing |
جمع بندی شیر توپی
شیر توپی از جمله شیرهای بسیار پرکاربرد در مصارف خانگی و صنعتی میباشد. این شیرها به طور گسترده در صنایع فرایندی، نیروگاهی و آب و فاضلاب استفاده میشوند. از جمله برندهای معتبر در زمینه تولید و فروش این شیرها، میتوان به شرکت ISM در آمریکا، شرکتهای ASAHI AV و NVD و HISAKA در ژاپن، شرکت Samson Ringo Valves در اسپانیا و شرکت BFE در ایتالیا اشاره کرد.
برای انتخاب شیر توپی مناسب باید به یک سری نکات توجه کرد تا شیر انتخاب شده بتواند عملکرد مورد نیاز ما را انجام دهد. به عنوان مثال اگر هدف ما تنظیم جریان باشد در کل شیر توپی شیر خیلی مناسبی برای این کار نیست و بهتر است از شیرهای دیگر مانند شیر پروانه‌ای بهره گرفت. اما در صورت انتخاب شیر توپی اگر جریان پرفشار بود استفاده از شیر توپی ترونیون (Trunnion) توصیه میشود که میتواند در فشارهای بالا عملکرد بهتری داشته و توپی و نشیمنگاه آن آسیب کمتری ببیند. اما اگر جریان کم فشار باشد شیرهای با توپی شناور (Floating) انتخاب بهتری هستند چرا که قیمت نسبتاً ارزان تری دارند.
همچنین درصورتی که بخواهیم دو جریان مختلف را با نسبت‌های مشخص باهم ترکیب کرده یا یک جریان را به دو قسمت تقسیم کنیم استفاده از شیرهای توپی سه راهه توصیه میگردد که این وظیفه را به خوبی انجام می‌دهند. اما در نهایت برای مواردی که نیاز به تعمیرات و سرویس شیر در خط لوله زیاد باشد استفاده از شیرهای با ورودی بالا (Top-Entry Ball Valves) بهتر است زیرا دسترسی راحت تری به توپی شیر خواهیم داشت.
