شیر توپی محصولی است که برای باز و بسته کردن جریان سیال (مایع یا گاز) داخل سیستم لوله‌کشی استفاده می‌شود. این شیر ربع چرخشی است زیرا با چرخش ۹۰ درجه هندویل شیر می‌توان شیر را کاملاً باز یا بسته کرد. این حرکت ربع چرخشی و سریع در شیر توپی با چرخش ۳۶۰ درجه در شیرهای دیگر مانند شیر کشویی یا شیر کروی کاملاً متفاوت است.

در مکانیزم داخلی این شیر یک توپی وجود دارد که کار آن باز و بسته کردن جریان است. این شیر به دلیل دوام و طول عمری که دارد شناخته شده است. همچنین این محصول به دلیل سیلینگ (آب‌بندی) خوبی که دارد انتخاب خوبی به عنوان شیر قطع کن برای برخی کاربری‌ها می‌باشد. آن‌ها نسبت به شیرآلات دیگر قادر به مدیریت سیالات آلوده هستند.

در بیشتر موارد از این شیر برای تنظیم دقیق جریان استفاده نمی‌شود زیرا دیگر انواع شیرآلات مانند شیر سوزنی امکان اندازه‌گیری و کنترل دقیق جریان را ممکن می‌سازند. برخی از طرح‌های خاص وجود دارند که امکان تنظیم جریان را دارند.

پترو ایلیا در این مقاله اطلاعاتی را درباره شیر توپی، نحوه ساخت آن، انواع، کاربرد و مشخصات کلیدی آن ارائه می‌دهد.

نحوه ساخت شیر توپی

اجزای اصلی شیر توپی عبارتند از:

• بدنه شیر
• توپی
• نشیمنگاه
• اِستم
• پکینگ
• بونت
• اکچویتور

بدنه شیر توپی

بدنه شیر قسمتی است که به عنوان مخزن فشار برای عمل کرده و سایر اجزای شیر در داخل آن قرار می‌گیرند. بدنه شیر توپی می‌تواند از متریال‌های مختلفی نظیر فولاد، برنج، برنز، چدن، استنلس استیل، آلومینیوم، پی وی سی یا CPVC ساخته شود. بدنه شیر می‌تواند یک تکه یا دو تکه باشد که با استفاده از پیچ و مهره سرهم می‌شود.

طرح‌های چند تکه این شیر را می‌توان برای تعمیر از هم جدا کرد و این در حالیست که شیرهای یک تکه را نمی‌توان در خط تعمیر کرد و باید برای تعمیر آن‌ها را از خط جدا نموده و یا تعویضشان کرد.

کنترل جریان شیر توپی

مکانیزم کنترل جریان در شیر توپی توسط همان قطعه توپی صورت می‌گیرد که وسط آن یک حفره یا تونل وجود دارد که هنگامیکه با جهت جریان همتراز می‌شود، اجازه می‌دهد تا جریان از داخل آن عبور نماید. توپی به اِستم متصل است و با چرخش ۹۰ درجه باعث باز و بسته شدن شیر می‌گردد. توپی می‌تواند دارای طراحی شناور باشد، به این معنی که توپی در سیال شناور بوده و به صورت ساندویچی بین نشیمنگاه‌های شیر قرار می‌گیرد تا آن را در محل خود نگاه دارند.

توپی می‌تواند داخل حفره بدنه شیر و تحت فشار طبیعی سیال داخل شیر شناور باشد. این حرکت جزئی توپی باعث می‌شود تا بر خلاف نشیمنگاه پایین دست شیر فشار داده شده و آب‌بندی خوبی را ایجاد نماید. طراحی دیگری که شیر توپی ترونیون یا مونت ترونیون نامیده می‌شود، توپی را از بالا و پایین پشتیبانی می‌کند و بدینوسیله بار موجود بر روی نشیمنگاه‌های شیر را کاهش می‌دهد. شیر توپی ترونیون برای شیرآلات با قطر بزرگ یا در فشارهای بالا استفاده می‌شوند.

تونل یا حفره که در توپی این شیر وجود دارد می‌تواند چندین نوع باشد:

• حفره کامل (Full bore)
• حفره کاهشی یا تبدیلی (Reduced bore)
• حفره V پورت یا شکاف‌دار (V-port or slotted port)

در توپی Full bore، سایز حفره درست برابر با سایز لوله است. این طراحی اصطکاک را کاهش داده و تمیز کردن شیر (پیگینگ) را آسان‌تر می‌نماید. این مدل‌ها دارای محفظه‌های بزرگتری بوده و بنابراین از شیرهایی که دارای توپی تبدیلی هستند گران‌تر می‌باشند.

حفره کاهشی یا تبدیلی (Reduced bore) در اکثر شیرهای توپی متداول است و این شیرها معمولاً دارای بدنه یک تکه هستند. چون قطر حفره کمتر از قطر لوله است در اثر اصطکاک کمی اتلاف وجود خواهد داشت که البته کمتر از شیرآلات دیگر می‌باشد.

در شیر توپی V-port، توپی که دارای سطح مقطع V می‌باشد، جایگزین توپی با سطح مقطع گرد می‌شود. این طرح شیر معمولاً با زوایای داخلی مختلف در دسترس بوده (از ۱۵ الی ۹۰ درجه) و در برخی طراحی‌ها توپی می‌تواند هم با سطح مقطع گرد و هم سطح مقطع V-port باشد.

در کاربری‌های با دبی جریان بالا، از توپی V-port بجای توپی با حفره گرد استفاده می‌شود، زیرا در این کاربری‌ها اُفت فشار باید به میزان حداقل بوده و آب‌بندی شیر باید محکم باشد. همچنین از آن‌ها برای کنترل سطح جریان بالاتر یا کنترل محدوده‌ای از سطح جریان استفاده می‌شود که می‌توانند به عنوان تابعی از موقعیت اکچویتور به مشخصات جریان خطی نزدیک شوند. این بر خلاف توپی‌های با حفره گرد است که کاملاً غیر خطی هستند. با تنظیم مجدد یک شیر قطع کن می‌توان از آن به عنوان شیر کنترل جریان نیز استفاده کرد.

نشیمنگاه شیر توپی

آب‌بندی نشیمنگاه شیر بر خلاف جهت توپی صورت می‌گیرد و باعث عملکرد بدون نشتی شیر می‌گردد. متریال نشیمنگاه شامل فلزات و فلوروپلیمرها می‌شود و انتخاب درست متریال نشیمنگاه بر اساس شرایط عملیاتی صورت می‌گیرد. (برای مثال: دما، فشار، طبیعت سیالی که از داخل شیر توپی عبور می‌کند، گشتاور عملیاتی شیر و …). برخی از گزینه‌های متداول برای انتخاب متریال نشیمنگاه شیر شامل موارد زیر می‌شود:

• PTFE (polytetrafluoroethylene)
• PTFE پر شده از فیبر کربن
• کربن
• فلزات
• سرامیک
• PEEK (Polyether ether ketone)
• استال (پلی اکسین متیلن – POM)
• UHMW (پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا)

شیرهای توپی می‌توانند دارای نشیمنگاه نرم و یا نشیمنگاه فلزی باشند. همچنین شیر توپی با نشیمنگاه از جنس گرافیت نیز وجود دارد.

اِستم، پکینگ و بونت

اِستم یک شفت است که به توپی متصل شده و از طریق بدنه شیر به بیرون امتداد می‌یابد، جایی که به مکانیزم اکچویتور متصل می‌شود. در اطراف اِستم شیر متریال پکینگ وجود دارد که اِستم شیر را آب‌بندی کرده و از نفوذ سیال از طریق دهانه به بدنه شیر جلوگیری می‌کند. از اورینگ‌ها برای آب‌بندی شیر و جلوگیری از نشتی استفاده می‌شود. در برخی طرح‌ها از سیستم آب‌بندی روغنی (لوبریکانت) استفاده می‌شود. بخشی از بدنه شیر که اِستم و پکینگ را در بر می‌گیرد را بونت نیز می‌گویند.

اکچویتور

اکچویتور شیر مکانیزمی است که موقعیت شیر را از باز تا بسته کنترل می‌کند. می‌توان شیر توپی را به صورت دستی و با استفاده از اهرم دستی باز یا بسته کرد، همچنین اکچویتور این شیر می‌تواند مکانیکی یا الکتریکی باشد. اکچویتور مکانیکی می‌تواند پنوماتیک یا هیدرولیک باشد. اکچویتور الکتریکی معمولاً شامل یک موتور و یک مکانیزم دنده‌ای تبدیلی می‌باشد که سرعت چرخش اکچویتور را کُندتر کرده و در نتیجه از اثر چکشی آب (water hammer) جلوگیری می‌شود.

انواع شیر توپی

روش‌های مختلفی برای مشخص کردن انواع شیر توپی وجود دارد. این شامل متریال ساخت آن‌ها (معمولاً متریال بدنه)، نوع ساخت بدنه، نوع پیکربندی بدنه و پارامترهای دیگر نظیر سیال مورد استفاده یا ویژگی‌های داخلی شیر است.

انواع شیر توپی بر اساس متریال بدنه

• شیر توپی برنجی
• استنلس استیل
• پلاستیکی (شامل PVC و دیگر پلیمرها مانند پلی پروپیلن)
• برنزی
• شیر توپی چدنی
• فولادی

انواع شیر توپی بر اساس ساخت بدنه

• شیر توپی با بدنه اسپلیت
• شیر توپی با ورودی از بالا
• شیر توپی با ورودی انتهایی
• با بدنه یک تکه
• با بدنه دو تکه
• با بدنه سه تکه