شیر توپی یا بال ولو؛ آشنایی با انواع و کاربردهای آن

شیر توپی گزینه‌ای ایده‌آل برای کنترل جریان سیالات

 

شیر توپی یا بال ولو نوعی شیر ربع گرد است که از یک توپ کروی به عنوان عضو مسدود کننده جریان استفاده می‌کند. این توپ سوراخی در امتداد محور خود دارد که با چرخش 90 درجه‌ای آن حول محور عمودی، می‌توان جریان سیال را تنظیم یا مسدود کرد. در این مقاله از به طور کامل با شیر توپی، انواع، کاربردها و مزایا و معایب آن آشنا می‌شوید.

خطوط اصلی آب خانگی، فرهای فست‌فود و فرآیندهای شیمیایی همگی یک وجه مشترک دارند: شیر توپی! این شیرهای کوچک و قدرتمند، نقش اساسی در بسیاری از فرآیندهای ضروری ایفا می‌کنند. با مطالعه‌ی این متن، با شیر توپی و همچنین مرور کلی بر قطعات و انواع مختلف آن آشنا خواهید شد.

 

شیرهای توپی در طیف گسترده‌ای از ابعاد، مواد و اتصالات موجود است

 

شیر توپی چیست؟

شیر توپی یک وسیله‌ی قطع و وصل جریان با عملکرد چرخش یک‌چهارم است. یک گوی چرخان در مرکز شیر، جریان مایع یا گاز را کنترل می‌کند. این گوی چرخان که به آن توپی دوار نیز گفته می‌شود، دارای یک سوراخ (بُر) در مرکز خود است. میله‌ای در بالای توپی قرار دارد که با چرخاندن آن، شیر باز یا بسته می‌شود. این میله می‌تواند به صورت دستی با اهرم یا به صورت خودکار چرخانده شود. شیرهای توپی معمولا از مواد مختلفی مانند فولاد، آهن، برنج، برنز یا PVC ساخته می‌شوند.

 

شیر توپی چگونه کار می‌کند؟

شیرهای توپی می‌توانند دارای چندین پورت (درگاه) باشند که همان ورودی و خروجی‌های شیر هستند. شیرهای توپی دو طرفه دارای دو پورت بوده و برای کنترل سنتی قطع و وصل جریان به کار می‌روند. شیرهای چند پورت (سه طرفه، چهار طرفه و غیره) در کاربردهایی استفاده می‌شوند که نیاز به بیش از یک منبع سیال دارند یا باید سیال را در جهت‌های مختلف هدایت کنند.

 

پورت‌های یک شیر توپی را می‌توان به صورت دستی یا با استفاده از عملگر باز یا بسته کرد تا کنترل جریان سیال صورت گیرد. گزینه دستی به اهرم یا دستگیره و یک اپراتور برای کنترل شیر نیاز دارد. عملگرهای برقی، هیدرولیکی و پنوماتیکی نیازی به اپراتور برای کنترل شیر ندارند. عملگر برای سیستم‌های کنترل پیچیده یا مناطقی که اپراتور به راحتی نمی‌تواند به آن‌ها دسترسی پیدا کند، ایده‌آل است.

 

طراحی ساده‌ی شیرهای توپی، نصب و تعمیر آن‌ها را آسان می‌کند

 

مزایای شیرهای توپی

شیرهای توپی در مقایسه با سایر انواع شیرها، چندین مزیت قابل توجه ارائه می دهند:

• طراحی فشرده و اقتصادی: شیرهای توپی به دلیل طراحی ساده و اجزای کم، معمولا نسبت به سایر شیرها ابعاد کوچک‌تری دارند و از نظر اقتصادی نیز به صرفه‌تر هستند.

• سرعت قطع و وصل جریان بالا: شیرهای توپی به دلیل مکانیزم چرخش سریع، می‌توانند جریان را در زمان کوتاهی قطع و وصل کنند.

• دوام بالا در کاربردهای فشار قوی، حجم زیاد و دمای بالا: شیرهای توپی در برابر فشار، حجم و دمای بالا مقاومت خوبی دارند و در چنین کاربردهایی می‌توان با اطمینان از آن‌ها استفاده کرد.

• مقاومت بیشتر در برابر خوردگی یا آسیب: بدنه و اجزای داخلی شیرهای توپی معمولا از مواد مقاوم به خوردگی ساخته می‌شوند و در برابر آسیب‌های احتمالی نیز استحکام بالایی دارند.

• عمر مفید طولانی: شیرهای توپی به دلیل کیفیت ساخت بالا و مقاومتشان در برابر سایش و خوردگی، طول عمر زیادی دارند.

• کاربری متنوع و ایده‌آل برای طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی: با توجه به مزایای ذکر شده، شیرهای توپی برای مصارف مختلف صنعتی گزینه‌ی مناسبی به شمار می‌روند.

 

کاربردهای شیرهای توپی

دامنه‌ی کاربرد شیرهای توپی بسیار گسترده است و از خانه‌های مسکونی تا صنایع تخصصی از آن‌ها استفاده می‌شود. در اینجا چند نمونه از کاربردهای شیرهای توپی آورده شده است:

 

مصارف خانگی:

• ماشین لباسشویی

• شلنگ‌های فضای باز

• ماشین ظرفشویی

 

صنایع تخصصی:

• نفت و گاز

• تجهیزات مواد غذایی و آشامیدنی

• خودروسازی

• سیستم‌های شستشوی خودرو

• پردازش نیرو

• داروسازی

• افزودنی‌ها و تصفیه‌ی مواد شیمیایی

• تجهیزات آبیاری و تصفیه آب

• تاسیسات تولیدی

 

شیرهای توپی نقشی حیاتی در عملکرد روان سیستم‌ لوله‌کشی در صنایع مختلف دارد

 

اجزای تشکیل دهنده‌ی شیر توپی

شیرهای توپی از چندین جزء اصلی ساخته شده‌اند:

• بدنه‌ی شیر (Valve Body): بدنه‌ی اصلی شیر است که تمام اجزای کنترل قطع و وصل را در خود جای می‌دهد.

• گوی چرخان (Rotary Ball): گوی توپی دارای یک سوراخ (بُر) در مرکز خود است که سیال از آن عبور می‌کند. جهت‌گیری گوی با چرخاندن میله‌ی شیر کنترل می‌شود.

• میله (Stem): میله‌ی شیر، گوی را به مکانیزم کنترل خارجی متصل می‌کند. برای مثال، در یک شیر توپی دستی، میله به یک دستگیره یا اهرم متصل می‌شود.

• seat (نشستگاه): این قطعات صفحه‌مانندی هستند که بین بدنه و گوی قرار می‌گیرند. وظیفه‌ی آن‌ها ایجاد آب‌بندی بین بدنه و گوی و همچنین نگه‌داشتن گوی است.

• منبع نیرو (Power Source): میله‌ی شیر توپی با استفاده از نیروی محرکه‌ی دستی یا خودکار چرخانده می‌شود. نیروی محرکه‌ی دستی شامل اهرم‌ها و دستگیره‌هایی است که توسط اپراتور کنترل می‌شود. همچنین از منابع نیروی محرکه‌ی خودکار مانند برقی، پنوماتیکی و هیدرولیکی نیز می‌توان استفاده کرد.

• پکینگ (Packing): پکینگ یک درزگیر حول میله‌ی شیر است که از خروج سیال جلوگیری می‌کند.

• کلاهک (Bonnet): کلاهک بخشی از بدنه‌ی شیر است که میله و پکینگ را در خود جای می‌دهد.

 

ساختار بدنه‌ی شیر توپی

بدنه‌ی شیر توپی انواع مختلفی دارد که در ادامه به توضیح آن‌ها می‌پردازیم:

 

براساس تعداد قطعات:

• شیر توپی یک‌ تکه (1-Piece Ball Valves): این نوع شیر توپی از یک بدنه‌ی ریخته‌گری شده‌ی یک تکه و محکم ساخته شده است. از آنجایی که شیرهای توپی یک ‌تکه برای تعمیر آسان طراحی نشده‌اند، اغلب به عنوان شیرهای "یکبار مصرف" در نظر گرفته می‌شوند.

 

• شیر توپی دو تکه (2-Piece Ball Valves): این نوع شیر توپی از بدنه‌ی اصلی و یک اتصال انتهایی تشکیل شده است. شیرهای توپی دو تکه در صورت خارج شدن از مدار قابل تعمیر هستند. با این حال، تعمیرات می‌تواند دشوار باشد زیرا در هنگام جداسازی درپوش انتهایی از بدنه‌ی شیر، ممکن است رزوه‌ها دچار خوردگی شوند.

 

• شیر توپی سه تکه (3-Piece Ball Valves): شیر توپی سه تکه دارای یک بدنه‌ی اصلی و دو اتصال لوله‌ای است که به صورت رزوه‌ای یا جوشکاری به لوله متصل می‌شوند. بدنه‌ی اصلی را می‌توان بدون نیاز به جدا کردن اتصال‌های لوله‌ای، به راحتی برای تمیز کردن یا تعمیر جدا کرد.

 

براساس شکل بدنه:

طبق تعریف راهنمای لوله‌کشی (Piping Guide) سه نوع مختلف از سبک‌های بدنه‌ی شیر توپی وجود دارد:

 

• شیر توپی شکاف‌دار (Split-Body Ball Valve): این طرح دارای یک بدنه‌ی دو تکه است که توسط یک اتصال فلنجی به هم متصل می‌شود. یک قسمت بدنه از قسمت دیگر کوچکتر است و توپی در قسمت بزرگتر قرار می‌گیرد.

 

• شیر توپی با ورودی از بالا (Top-Entry Ball Valve): این طرح به شما امکان می‌دهد برای مونتاژ، جداکردن، تعمیر و نگهداری به قسمت بالایی شیر دسترسی پیدا کنید.

 

• شیر توپی با ورودی از انتها (End-Entry Ball Valves): این نوع شیر توپی دارای یک بدنه‌ی اصلی است و توپی از طریق یک انتها وارد می‌شود.

 

براساس طراحی توپی:

دو نوع اصلی طراحی توپی وجود دارد: شناور (Floating) و یاتاقانی (Trunnion). شناور رایج‌ترین طراحی است، در حالی که توپ‌های یاتاقانی اغلب گران‌تر هستند.

 

• توپی شناور: توپ‌های شناور توسط نشیمنگاه‌های گود برای ایجاد یک آب‌بندی محکم بین بدنه و توپی پشتیبانی می‌شوند.

 

• توپی یاتاقانی: توپ‌های یاتاقانی به طور مشابه با توپ‌های شناور کار می‌کنند، با این تفاوت که نشیمنگاه‌ها فنری هستند و توپ فقط روی محور خود می‌چرخد. گشتاور عملیاتی برای شیرهای یاتاقانی عموماً کمتر است.

 

شیر توپی یا بال ولو نوعی شیر ربع گرد است

 

طراحی سوراخ توپی در شیر توپی

سوراخ داخل توپی شیر توپی را می‌توان با سه شکل مختلف طراحی کرد:

 

تمام‌مسیر (Full Bore)یا تمام‌پورت (Full Port) 

قطر سوراخ این نوع طراحی دقیقا به اندازه‌ی قطر لوله است. این امر باعث کاهش افت فشار ناشی از اصطکاک و سهولت تمیزکاری شیر می‌شود.

 

کاهش‌یافته (Reduced Bore):

این نوع طراحی رایج‌ترین نوع سوراخ در شیرهای توپی است. قطر سوراخ در این نوع طراحی از قطر لوله کمتر بوده و ممکن است باعث ایجاد افت کمی در فشار ناشی از اصطکاک شود.

 

V شکل (V-Shaped):

سوراخ داخل توپی یا نشیمنگاه شیر می‌تواند به شکل V نیز باشد. سوراخ‌های V شکل هنگام چرخاندن توپی، امکان کنترل دقیق‌تر سرعت جریان را فراهم می‌کنند.

 

تهویه ‌دار (Vented):

شیر توپی تهویه‌دار دارای یک سوراخ کوچک است که در قسمت بالادست (سمت ورودی سیال) حفر شده است. این سوراخ فشار ناخواسته‌ی داخل شیر را از بین می‌برد.

 

اتصالات انتهایی شیر توپی

دو روش رایج برای اتصال شیر توپی به سیستم لوله‌کشی وجود دارد:

 

رزوه‌ای (Threaded): اتصالات انتهایی رزوه‌ای می‌توانند مادگی یا نری باشند. اتصال انتهایی رزوه‌ای مادگی روی شیر توپی با لوله رزوه‌ای نری و بالعکس سازگار است. همچنین شیرهای توپی وجود دارند که با یک اتصال انتهایی مادگی و یک اتصال انتهایی نری عرضه می‌شوند.

 

فلنجی (Flanged): شیرهای توپی فلنجی دارای سوراخ‌هایی برای پیچ روی اتصالات انتهایی هستند تا به فلنج‌های مشابه روی لوله متصل شوند.

 

انواع عملگر شیر توپی

شیرهای توپی با نیروی محرکه‌ی دستی یا خودکار کار می‌کنند.

 

شیر توپی دستی (Manual Ball Valves)

این نوع شیر توپی با دستگیره یا اهرم‌هایی طراحی شده‌اند که باید توسط اپراتور کنترل شوند. این گزینه برای کاربردهایی با تعداد چرخش بالا در نظر گرفته نشده است.

 

عملگر پنوماتیکی (Pneumatic Actuation)

شیرهای توپی پنوماتیکی برای تامین نیرو به هوای فشرده نیاز دارند. این گزینه برای کاربردهایی که نیاز به دوام بالا و سرعت چرخش بالا دارند، بهترین انتخاب است.

 

عملگر برقی (Electric Actuation)

کاربردهایی که به هوای فشرده دسترسی ندارند، از عملگرهای برقی که به شیرهای توپی موتوری نیز معروف هستند، استفاده می‌کنند. این گزینه برای سرعت‌های چرخش پایین مناسب‌تر است.

 

عملگر هیدرولیکی (Hydraulic Actuation)

عملگرهای هیدرولیکی مشابه نوع پنوماتیکی هستند، با این تفاوت که به جای هوا از سیال تحت فشار (آب یا روغن) استفاده می‌کنند. این گزینه نسبت به سایرین گشتاور خروجی بیشتری را ارائه می‌دهد.

 

شیرهای توپی با نیروی محرکه‌ی دستی یا خودکار کار می‌کنند

 

سوالات متداول درباره شیر توپی

1. چه زمانی شیر توپی باز است؟

زمانی که اهرم شیر توپی هم‌راستا با لوله باشد، شیر باز است و زمانی که اهرم بر عمود بر لوله قرار گیرد، شیر بسته است. چرخش شیر توپی تنها به 90 درجه نیاز دارد.

 

2. شیر توپی چیست؟

شیر توپی یک شیر قطع و وصل است که جریان مایعات یا گازها را با استفاده از یک گوی چرخان با سوراخی در مرکز خود کنترل می‌کند. این شیر می‌تواند با اهرم دستی یا به صورت خودکار با استفاده از عملگر الکتریکی یا پنوماتیکی کار کند.

 

3. چگونه یک شیر توپی نصب کنیم؟

ورودی و خروجی شیر توپی را با رزوه‌ی آن‌ها به اتصالات رزوه‌ای سیستم خود بپیچید. قبل از نصب، از نصب صحیح اهرم شیر (موازی بودن با لوله نشان‌دهنده باز بودن) اطمینان حاصل کنید.

 

4. آیا شیرهای توپی دچار خرابی می‌شوند؟

بله، شیرهای توپی نیز می‌توانند دچار خرابی شوند. خرابی‌های رایج شامل آسیب دیدن درزبندی (عدم آب‌بندی کامل شیر) یا ورود ذرات به داخل شیر (عدم حرکت شیر) است.

 

5. از شیر توپی برای چه مصارفی می‌توان استفاده کرد؟

از شیر توپی می‌توان هم به عنوان شیر قطع و وصل و هم به عنوان شیر کنترل برای هر دو مایعات و گازها استفاده کرد. در مورد شیر کنترل، معمولا سوراخ توپی به شکل V ساخته می‌شود.

 

سخن پایانی

شیرهای توپی به دلیل طراحی ساده، عملکرد قابل اعتماد و تنوع کاربردی، یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین انواع شیرها در صنایع مختلف هستند. آن‌ها در طیف گسترده‌ای از ابعاد، مواد و اتصالات موجود بوده و می‌توان از آن‌ها برای کنترل جریان انواع مایعات و گازها استفاده کرد.

مزایای متعددی از جمله سهولت نصب و تعمیر، عمر مفید طولانی و مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش، شیرهای توپی را به انتخابی ایده‌آل برای طیف وسیعی از کاربردها تبدیل کرده است. با در نظر گرفتن تنوع و مزایای این نوع شیر، می‌توان گفت که شیرهای توپی نقشی حیاتی در عملکرد روان و ایمن سیستم‌های لوله‌کشی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند.

 

گردآوری:بخش دانش کسب و کار