صمامات العزل - الحركة الدوائية

تُستخدم صمامات العزل لتحويل وسائط العملية، وتسهيل الصيانة، وإزالة المعدات والإيقاف. يُغطى في هذا الدرس تشغيل وتطبيق وبناء صمامات الحركة الدوائية (ربع دورة)، بما في ذلك صمامات الكرة والفراشة.

صمامات الحركة الدوائية، تُسمى غالبًا صمامات الربع دورة، تشمل صمامات الكرة والفراشة. بغض النظر عن نوع صمام الحركة الدوائية، يدور المسدِّد حول محور عمودي على اتجاه التدفق. قد يتدفق السائل عبر المسدِّد، كما في حالة صمامات الكرة، أو حوله، كما في صمامات الفراشة. تميل صمامات الحركة الدوائية إلى وجود آلية تشغيل بسيطة ولذلك سهلة الأتمتة والصيانة.

صمامات الكرة

طُوِّرت صمامات الكرة خلال الحرب العالمية الثانية وكانت مُخصصة في الأصل للاستخدام في أنظمة وقود الطائرات، حيث يكون الوزن والمساحة على قدر كبير من الأهمية. تتكون من جسم يحتوي كرة دوارة بها فوهة أو تجويف مُكشوط مباشرة عبرها. توضع الكرة في الجسم بواسطة حلقتين إحكام. تدوير الكرة بـ 90° يفتح ويغلق الصمام ويسمح للسائل بالتدفق مباشرة عبر الفوهة. في الوضع المغلق، تحجب الجوانب الصلبة للكرة المدخل والمخرج مانعة أي تدفق. هناك تصميمان أساسيان لصمامات الكرة - تصميم الكرة العائمة، الذي يعتمد على مقاعد الصمام لدعم الكرة، والكرة المُثبَّتة على نتوء دعم، التي تستخدم نتوء دعم لدعم الكرة. يُستخدم التثبيت على نتوء الدعم في الصمامات الأكبر، حيث يمكن أن يُقلل عزم التشغيل إلى حوالي ثلثي ذلك المُقدم من الكرة العائمة. تقليديًا، المقبض المُثبَّت على الكرة يكون على نفس محور الأنبوب عندما يكون الصمام مفتوحًا؛ بالعكس، إذا كان بزاوية قائمة مع محور الأنبوب، يُشير هذا إلى أن الصمام مغلق.

تتوفر صمامات الكرة بتجويف مُنقَّص أو تجويف كامل. الصمامات ذات التجويف الكامل لها فوهة بنفس حجم قطر الأنبوب، بينما في الصمامات ذات التجويف المُنقَّص، يكون قطر الفوهة أقل من قطر الأنبوب. الصمامات ذات التجويف الكامل أغلى من الصمامات ذات التجويف المُنقَّص، ويجب استخدامها حيث يكون انخفاض الضغط عبر الصمام حرجًا أو حيث تُستخدم صمامات الكرة قبل عوامات التدفق.

يمكن استخدام الصمامات ذات التجويف الكامل في تطبيقات عوامات التدفق لتقليل اضطراب السائل قبل جهاز القياس. لإدخال الكرة في الجسم، توجد ثلاثة أنواع مختلفة من التجميع. النوع يؤثر ليس فقط على سهولة التجميع، بل أيضًا على قابلية صيانة الصمام.

• صمامات قطعتين وثلاث قطع - يُقسم جسم الصمام في مكان واحد أو اثنان في نفس مستوى فلانج الصمام، وتُربط هذه القطع معًا. هذا يُبسط الصيانة في الخط.
• صمامات الإدخال العلوي - تُدخل الكرة عبر غطاء في أعلى الصمام. هذا يُسهّل الصيانة في الخط.
• صمامات قطعة واحدة - الكرة مُحتجزة في الجسم بإدراج مُثبَّت على محور الصمام. هذا يُزيل إمكانية تسرب وصلة الجسم وأي فرصة للانفصال أثناء الخدمة، لكن عند الحاجة للصيانة، يجب إزالة الصمام بالكامل من خط الأنابيب.

اختيار مادة الجلوس يُحدد الظروف التي يكون فيها صمام كرة معين مناسبًا بشكل خاص. على الرغم من تطوير مواد جلوس جديدة باستمرار، يُدرج الجدول 12.2.1 بعض المواد الأكثر شيوعًا المُستخدمة حاليًا.

الجدول 12.2.1 مواد جلوس صمامات الكرة الشائعة

خيارات صمامات الكرة

يمكن إنتاج صمامات الكرة بعدد من الخيارات لتلبية متطلبات مجموعة واسعة من التطبيقات:

• المحركات- صمامات الكرة، وفعليًا جميع الصمامات الدوائية، مناسبة للأتمتة. يتم هذا عادة باستخدام محرك كهربائي أو هوائي. يُوصَّل المحرك بالصمام عبر مجموعة وصلات. على الرغم من أنها ليست ضرورية، تُمكّن لوحة تثبيت معيار ISO مجموعة الوصلات من التثبيت دون تفكيك الصمام، مما يحافظ على سلامة الصمام. راجع الوحدة 6.6 لمزيد من المعلومات حول المحركات.
• مقاومة الحريق- بما أن صمامات الكرة تُستخدم عادة في خطوط أنابيب الغاز والنفط، من الضروري أن تكون الصمامات المُستخدمة في هذه التطبيقات مقاومة للحريق. يُعتبر الصمام مقاومًا للحريق إذا، عند تعريضه لظروف حريق، سيستمر في توفير حد أدنى من التسرب عبر المقعد والساق، ويوفر إغلاقًا فعالًا أثناء أو بعد حريق أو تعرض لدرجات حرارة مفرطة. المعايير المتعلقة بالسلامة من الحرائق موضحة في BS 6755 و API RP 6FA. المخاوف الرئيسية هي أن درجات حرارة الحرق ستدمر المقاعد الطريقة والأختام؛ طُوِّرت عدة طرق للتغلب على هذا. إحدى الطرق هي تضمين أسطح إحكام معدنية ثانوية خلف المقاعد البوليمرية كجزء أساسي من الجسم. عند التعرض لدرجات حرارة الحرق، يبدأ المقعد بالتشويه وضغط وسائط العملية يُزيح الكرة بحيث تُخرج المقعد البوليمرية (الشكل 12.2.3(ب)). عندما يُدمر المقعد بالكامل، ستجلس الكرة ضد سطح الإحكام المعدني للجسم، مُوفِّرة إغلاقًا محكمًا (الشكل 12.2.3(ج)).

بالإضافة إلى الأمان المتأصل في آلية الجلوس، يجب أن يكون إحكام الساق قادرًا أيضًا على منع التسرب إلى الغلاف الجوي في ظروف ‘الحريق’. يمكن تحقيق هذا باستخدام أختام عالية الحرارة مصنوعة من الغرافيت المرن أو Grafoil(R)؛ بديلًا، يمكن استخدام ترتيب طرد مرن مُحكَّم (انظر الشكل 12.2.4).

• صمامات البخار النظيف - توجد عدد من التطبيقات التي تتطلب أن يكون الصمام بتصميم ‘نظيف’؛ تشمل تطبيقات البخار حيث يوجد حقن مباشر للبخار في المنتج وخطوط سوائل العمليات في صناعات التكنولوجيا الحيوية والأغذية والإلكترونيات. المنطقة الرئيسية للقلق في هذه التطبيقات هي الفراغ بين الجسم والكرة؛ قد تتراكم سوائل العمليات في هذه الفراغات مُؤدية إلى التلوث والصدأ. يمكن التغلب على هذا بإدراج مُلءات التجويف في هذه الفراغات. مُلءة التجويف قد تكون جزءًا أساسيًا من المقعد أو مكونًا منفصلًا في مجموعة الصمام. furthermore، يجب أن تكون صمامات الكرة المُستخدمة في تطبيقات البخار النظيف مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدا مع سطح جيد (تُوصى بأقل من 81 ميكرومتر Ra).
• تطبيقات الخنق- عندما تُستخدم صمامات الكرة في تطبيقات الخنق، يمكن أن يصطدم التدفق عالي السرعة بمنطقة مُحلَّية من الكرة والأختام، مُسببًا تدهورًا مبكرًا لمادة الجلوس. تتطلب تعديلات على التصميم القياسي لاستخدام صمامات الكرة للخنق؛ تشمل استخدام مقاعد معدنية وطلاءات صلبة وأحيانًا تعديلات على الكرة، لإعطاء نمط تدفق مُوصَّف.

صمامات الفراشة

على الرغم من وجود العديد من التصاميم المختلفة لصمامات الفراشة، فإنها جميعًا تتكون من قرص يدور على عمود بزاوية قائمة مع تدفق السائل. عندما يكون مفتوحًا، يكون القرص حافة-إلى-التدفق ويمر السائل حوله، مُقدمًا مقاومة محدودة. في الوضع المغلق، يُدار القرص כנגד مقعد في جسم الصمام. صمامات الفراشة عادة لا تشغل مساحة أكبر من زوج من فلانجات الأنابيب، ولذلك هي بديل جذاب لصمام الكرة حيث تكون المساحة محدودة. في الواقع، بعض صمامات الفراشة مُصمَّمة خصيصًا للإدراج بين فلانجات الأنابيب، تُعرف بصمامات الفراشة الرقيقة.

العيب الرئيسي لصمامات الفراشة هو أن الإغلاق ليس محكمًا كما تُحققه أنواع الصمامات الأخرى. يمكن تخفيف هذا إلى حد ما بإزاحة محور دوران القرص واستخدام مقاعد مُعانة بالضغط. باستخدام محور دوران مُزاح، تُنشأ حركة ‘أكمش’، مما يعني أن القرص يُنشئ إحكامًا محكمًا مع المقعد خلال الدرجات القليلة الأخيرة من الإغلاق. صمامات الفراشة عالية الأداء أو نوع الخلاف لديها قدرات إغلاق مُحسَّنة وتصميمها يُمكّنها من استخدامها للخنق.

لتطبيقات البخار، استُبدلت صمامات الفراشة במידה كبيرة بصمامات الكرة. تُستخدم صمامات الفراشة بشكل أكثر شيوعًا في أنظمة السوائل أو حيث تكون المساحة محدودة. مُدمجية صمامات الفراشة تعني مواد أقل مطلوبة ولذلك فهي مثالية حيث يُحدد التطبيق استخدام مواد مكلفة، على سبيل المثال، في تطبيقات مياه البحر حيث يُحدد النيكل.

اختيار وتحجيم صمامات العزل

يجب احتواء سائل العمليات بالكامل في نظام أنابيب مُصمَّم بشكل صحيح لتجنب تعريض الأفراد والبيئة للخطر، وتلوث السائل نفسه. يمكن لنظام الأنابيب أن يكون لديه العديد من مسارات التسرب المحتملة، مثل وصلات الأنابيب والوصلات والاتصالات بالمعدات والأهم من ذلك الصمامات. يمكن أن تكون الصمامات من أكبر المساهمين في مشاكل المعدات إذا اُختيرت بشكل خاطئ أو كانت مُصمَّمة أو مُصنَّعة بشكل رديء. furthermore، الصمام، عند اختياره بشكل صحيح للتطبيق يجب أن يدوم على الأقل حياة المعدات، إذا صُيِّن بشكل صحيح. عند اختيار صمام عزل لتطبيق محدد، يجب مراعاة عدة عوامل؛ هذه موضحة في الجدول 12.2.2، مع معلمة اختيار الصمام المتأثرة.

الجدول 12.2.2 العوامل المؤثرة على اختيار صمام العزل

يُلخص الجدول 12.2.3 السمات الرئيسية لأنواع صمامات العزل المختلفة.

الجدول 12.2.3 الأحجام النمطية ونطاقات التشغيل لصمامات العزل

1 ملاحظة: قيم نمطية لصمام بتجويف DN150 يمر بخار مشبع عند 24 بار، بتدفق 40 م/ث. يُلخص الجدول 12.2.4 تطبيقات أنواع صمامات العزل الأكثر شيوعًا المُستخدمة حاليًا.

الجدول 12.2.4 تطبيقات أنواع صمامات العزل

الجدول 12.2.5 هو دليل مُعمَّم لاختيار صمامات العزل لتطبيقات البخار والمكثفات المحددة. يجب ملاحظة أن اختيار صمام العزل ذاتي وصناعات مختلفة وتلك الموجودة في مناطق جغرافية مختلفة لديها تفضيلاتها الفريدة.

الجدول 12.2.5 اختيار الصمامات لأغراض عزل البخار/المكثفات ملاحظة: في هذا الجدول، يُشير الطرد المرن إلى صمام كروي بطرد مرن مُحكَّم والكروي يُشير إلى صمام كروي قياسي بحشوة غدية.

بمجرد اختيار النوع الأكثر ملاءمة من الصمام، يلزم اختيار الحجم الصحيح. تُحجَّم الصمامات عادة وفقًا لحجم خط الأنابيب. however يُستحسن التحقق من أن انخفاض الضغط عبر الصمام (عندما يكون مفتوحًا بالكامل) ضمن الحدود المقبولة. انخفاض الضغط هو دالة معامل تدفق الصمام (أو قيمة Kvs) ومعدل التدفق وضغط المدخل. أوراق المواصفات عادة تحتوي بيانات حول قيمة Kvs عندما يكون الصمام مفتوحًا بالكامل.

بمعرفة ضغط التشغيل النمطي ومعدل التدفق الكتلي، يمكن تحديد انخفاض الضغط عبر صمام مُختار. بديلًا، إذا كان أقصى انخفاض ضغط مقبول معروفًا، يمكن اختيار حجم صمام مناسب. على الرغم من وجود العديد من الصيغ والمخططات المتاحة للتنبؤ بالعلاقة بين التدفق وانخفاض الضغط، تُنتج المعادلة التجريبية المُبسطة التالية (المعادلة 3.21.1) نتائج موثوقة للبخار وتُستخدم therefore عادة:

تُشكِّل هذه الصيغة أساس المخطط الموضح في الشكل 12.2.7، الذي قُدِّم لأول مرة في الكتلة 3، الوحدة 21.

إذا كان صمام العزل سيُستخدم في نظام سائل، يُحدد انخفاض الضغط عبر الصمام باستخدام المعادلة التالية: