اهداف

1. اهداف • اصطلاحات فني(Terminology) شير کنترل • خطا ـ ايمن (Fail Safe) • انواع شير • شيرهاي با محور چرخان(Rotary Shaft) • مشخصات جريان عبوري از شير کنترل • اکچويتورها يا محرک ها (Actuators) • پوزيشنرهاي شير (Positioner) • متعلقات شير کنترل

2. مقدمه • رايجترين عنصر کنترل نهايي، شير کنترل است • شير کنترل، همانند يک مقاومت متغير عمل مي کند و افت فشاري در خط لوله ايجاد مي کند که به آن گلوگاه يا کنترل دريچه(Throttling) گفته مي شود. • شير کنترل از دو جزء عمده تشکيل مي شود: • بدنه شير(Valve Body) • اکچويتور(Actuator)

3. نمونه اي از شيرهاي کنترل

4. عملکرد شير کنترل • اعمال فشار هوا به بالاي ديافراگم قابل ارتجاع، نيرويي در جهت پايين ايجاد مي کند. • اين نيرو، ميله(Stem) شير را به طرف پايين، خلاف جهت عمل فنر مهارکننده حرکت مي دهد. • اين حرکت تا آنجا ادامه مييابد که پلاگ(Plug) به جايگاه(Seat) برسد يا نيروي در جهت بالاي فنر (و فشار سيال عبوري، اگر شير در سرويس است) با نيروي در جهت پايين اکچويتور(Actuator) برابر شود. • در اين نقطه، جايگاه شير حرکت را متوقف مي کند.

5. اصطلاحات فني(Terminology) شير کنترل • بدنه(Body) • درپوش(Bonnet) • مجموعه جعبه بسته بندي(Packing Box Assembly) • تريم(Trim) • يــوغ(Yoke) • اکچويتور(Actuator)يا محرک

6. اکچويتور(Actuator) درپوش(Bonnet) يــوغ(Yoke) بدنه(Body) مجموعه جعبه بسته بندي (Packing Box Assembly) تريم(Trim)

7. از درون آن سيال عبور مي کند • بايد همانند لوله عبور سيال، در مقابل دماها و فشارها و ... مقاوم باشد • اتصال شيرهاي کوچک به لوله از طريق پيچ هاي رزوه اي(Screwed threads) • اتصال شيرهاي بزرگ به لوله از طريق فلنج ها(Flanges) و اتصالات انتهايي جوشي(Welded end) • اتصال بايد بدون نشت باشد • شير طوري قرار گيرد که هنگام تعميرات، دسترسي به آن آسان باشد بدنه(Body)

8. مجموعه درپوش يا کلاهک شير، يک پوشش فلزي است که به بالاي بدنه شير رزوه يا پيچ شده است • ميله پلاگ را هدايت مي کند • قسمت درزبند ميله را در خود جاي مي دهد • مجموعه اکچويتور را نگه مي دارد • استفاده از کلاهک هاي بزرگتر در سرويسهاي با دماي زياد به منظور جلوگيري از آسيب به مواد درزبندي • در سرويس هاي با دماي زياد، شيرها پره هاي سردکننده اي دارند که به کلاهک شير متصل مي شوند. درپوش(Bonnet)

9. قسمتي از مجموعه کلاهک شير است • براي کمک به جلوگيري از نشتي اطراف ميله پلاگ بکار مي رود و به ميله شير اجازه مي دهد با حداقل نشتي جريان پروسه، بالا و پايين برود • حلقه هاي بسته بندي درون جعبه بسته بندي، سيال پروسه را درزبندي مي کنند و به ميله شير اجازه مي دهند با حداقل اصطکاک حرکت کند • حلقه هاي بسته بندي، معمولاً از يک ماده نرم و قابل فشرده شدن نظير پنبه نسوز، تفلون و غيره ساخته مي شوند • عمل بسته بندي، گلند فشارييا فلنج و فشردن حلقه هاي بسته بندي بطور محکم اطراف ميله شير، جهت ايجاد يک درزبندي ضدنشتي است • با تعميرات منظم، پيچ هاي بسته بندي بايد جهت تصحيح فشار آنقدر محکم شوند که نشتي را حداقل کنند نه آنقدر که سبب خم شدن ميله شير گردند مجموعه جعبه بسته بندي (Packing Box Assembly)

10. نمونه اي از جعبه بسته بندي

11. نمونه اي از جعبه بسته بندي فاقد روغن کاري

12. تريم شير به تنظيم سيت پلاگ برمي گردد • بطور کلي، تريم به همه قسمتهاي داخلي شير که با سيال پروسه در تماس است، مربوط مي شود که عبارتند از: • ميله شير • پلاگ شير • حلقه درزبندي • گايدهاي شير • بوش ها • اما شامل بدنه شير و مجموعه bonnet نمي شود • سازندگان شير، اغلب مجموعه تريم هاي مختلفي را فراهم مي کنند بطوريکه مي توانند در يک بدنه شير مشخص جاي گيرند. بر اين اساس، ميتوان بدون تغيير کل شير، مشخصات شير را تغيير داد تريم(Trim)

13. يــوغ(Yoke) • ساختار بالايي شير است که مجموعه قاب اکچويتور را حمايت مي کند. • معمولاً توسط يک مهره قفل بزرگ به بونت شير محکم مي شود. • با بازکردن فريم آن، دسترسي به تنظيم کننده کشش فنر، ميله شير و اتصال دهنده ميله امکان پذير است. • يوغ بايد آنقدر قوي باشد که در برابر هر نيرويي که توسط اکچويتور، هنگاميکه سعي مي کند ميله شير را در جاي مناسب قرار دهد، به اندازه کافي مقاومت کند. • در ساحل دريا، آب نمک باعث خوردگي آن مي شود بطوريکه تحت فشار کار عادي، خم شده يا مي شکند.

14. اکچويتور(Actuator) • نوع اکچويتور استفاده شده، به فاکتورهاي مختلفي بستگي دارد که عبارتند از:‌ • پروسه اي که بايد کنترل شود • عملي که بايد انجام شود • سرعتي که عمل بايد رخ دهد • هر چند امروزه اکچويتورهاي هيدروليکي و الکتريکي وجود دارند اما از ديرباز اکچويتورهاي فنري و ديافراگمي بعنوان شايع ترين نوع اکچويتور در سيستمهاي کنترل اتوماتيک استفاده شده اند • اکچويتورهاي نيوماتيکي از هوا يا گاز براي توليد حرکت مکانيکي استفاده مي کنند • حرکت ايجاد شده توسط اکچويتور، در صورتيکه در محدوده حرکت(Limits of Travel) اکچويتور باشد، براي قراردادن عنصر کنترلي در هر مکان موردنظر، استفاده مي شود

15. خطا ـ ايمن (FailSafe) • اولين مهم در هر کارخانه اي، ايمني است • اغلب شيرهاي کنترل نيوماتيکي و شيرهاي توقف(Shut down) اتوماتيک، اکچويتورهاي با فنر بارشده(Spring Loaded) دارند. هرگاه فشار بار رها شود، فنر، عنصر کنترل نهايي (شير) را به يکي از موقعيت هاي منتهي اليه کاملاً باز يا کاملاً بسته حرکت مي دهد • موقعيت انتهايي، براساس ساختار شير کنترل تعيين مي شود • شير نرمال بسته، يک شير خطا بسته(Fail Close)يا هوا به بازشدن(Air to Open) است • يک شير نرمال باز، يک شير خطا باز(Fail Open)يا هوا به بسته شدن(Air to Close) است • معيار انتخاب موقعيت انتهايي، به اين بستگي دارد که کدام عمل باعث مي شود پروسه ايمن باشد • اگر شرايطي نظير افت هواي تغذيه، آسيب به اکچويتور مانند پارگي ديافراگم و غيره رخ دهد، شير بايد به موقعيت نرمال يا خطا ايمن کاملاً باز يا کاملاً بسته برگردد • شير کنترل ”نرمال بسته(Normally Close) “، وقتي بسته است که فشار ديافراگم به فشار اتمسفر کاهش يابد • شير کنترل ”نرمال ـ باز(Normally Open)“، وقتي باز است که فشار ديافراگم به فشار اتمسفر کاهش يابد

16. شير کنترل نرمال ـ بسته

17. شير کنترل نرمال ـ باز

18. انواع شير • شيرهاي تک مسيره(Single ported) • براي عبور سيال از درون شير، يک مسير وجود دارد • شيرهاي دو مسيره(Double- Ported) • براي عبور سيال از درون شير، دو مسير وجود دارد • شير با پلاگ متعادل شده و بدنه هاي قفسه اي شکل

19. شيرهاي تک مسيره(Single ported) • براي عبور سيال از درون شير، يک مسير وجود دارد • بطور کلي شيرهاي تک ورودي در مقايسه با شيرهاي دو ورودي، از نظر قيمت، ارزانتر و به علت ناحيه تک پلاگ و درزبند، در مقابل نشتي (هنگاميکه نوع کاملاً بسته موردنياز باشد) مقاومت بيشتري دارند • اشکال عمده شيرهاي تک ورودي در زماني است که با فشارهاي بالاي سيال سر و کار داشته باشند. در اين حالت، نيروهاي نامتعادل(Unbalanced Forces) در عرض پلاگ، موقعي ايجاد مي شوند که شير در موقعيت بسته شدن است. براي غلبه بر اين نيروها، از اکچويتورهاي بزرگتر استفاده مي گردد. • شيرهاي تک ورودي، معمولاً طوري نصب مي شوند که فشار سيال تمايل دارد نيرويي به پلاگ وارد کند و آنرا از درزبند دور نمايد. اين نتايج، موجب يک عملکرد آرام شير و کاهش تمايل پلاگ به بسته شدن محکم و با صدا (Slam Shut) در مقابل درزبند مي شود.

20. عملکرد شير • عملکرد مستقيم(Direct acting) • شيري که حرکت رو به پايين براي بسته شدن دارد • عملکرد معکوس (Reverse acting) • شيري که حرکت رو به پايين براي بازشدن دارد

21. شير تک مسيره با عملکرد مستقيم

22. شير تک مسيره با عملکرد معکوس

23. شيرهاي دو مسيره(Double Ported) • به اين منظور توسعه يافته اند که شيري با نيروي کمتر، براي قراردادن پلاگ در هر موقعيتي بين کاملاً باز و کاملاً بسته، نسبت به آنچه در طرح تک مسيره موردنياز بود، ايجاد کنند • نيروهاي ديناميکي، تمايل زيادي به ايجاد تعادل دارند، زيرا جريان عبوري از شير دو مسيره، يک مسير را باز مي کند و مسير ديگر را مي بندد. اين خاصيت باعث مي شود نيروهاي ديناميکي کاهش داده شده، اجازه کنترل بهتري به شير دهند • اکچويتور کوچکتري نسبت به آنچه در شير تک مسيره با همان ظرفيت وجود دارد، انتخاب گردد. • خيلي از شيرهاي دو مسيره، معکوس پذيرند (مانند حرکت رو به پايين پلاگ براي بستن يا حرکت رو به پايين پلاگ براي بازکردن) • اشکال عمده: نمي تواند همانند شير تک مسيره، کاملاً ببندد. علت اين اشکال تنظيم يکسان و فرسودگي دو مجموعه پلاگ ها و درزبندها است.

24. شير دو مسيرهنيمه متعادل

25. شير با پلاگ متعادل شده و بدنه قفسه اي شکل • يک شير تک مسيره است که در آن تنها از يک حلقه درزبندي استفاده شده اما مزاياي مربوط به شيرهاي دو مسيره را فراهم مي کند. • تريم نوع قفسه اي به اين دليل استفاده مي شود که راهنمايي براي پلاگ شير باشد و حلقه درزبندي را در جايش نگه دارد و بتواند مشخصه جريان سيال را فراهم کند • توسعه مهم ديگر، اضافه نمودن درزبند نوع حلقه پيستوني لغزشي بين بخش بالايي پلاگ شير و ديواره سيلندر قفسه اي شکل است. اين درزبند، امکان نشتي را کاهش مي دهد. • پلاگ به واسطه اينکه فشار پايين دستي اجازه مي دهد که بر هر دو طرف بالا و پايين پلاگ، نيرو اعمال شود متعال مي گردد • نيروي نامتعادل استاتيکي را کاهش داده، اجازه مي دهد که اکچويتور کوچکتري نسبت به آنچه در شير تک مسيره عادي موردنياز است، انتخاب شود • جهت استاندارد جريان سيال از داخل منافذ cage و سپس از درون حلقه درزبند(seat ring) است. • منافذ cageيا وروديها، مي توانند طوري شکل داده شوند که مشخصات معين شير، نظير خطي(Linear)، بازنمودن سريع(Quick Opening)، درصد مساوي(Equal Percentage) و غيره را ايجاد نمايند. • بدنه بعضي از شيرها، مي تواند معکوس گردد تا اجازه دهد عملکرد شير از جهت پايين براي بسته شدن، به جهت پايين براي بازشدن اصلاح گردد.

26. شير تک مسيره با پيستونCage-trim

27. شيرهاي با محور چرخان(Rotary Shaft) • شير پروانه اي(Butterfly Valve) • شير توپي(Ball Valve) • شيرهاي با پلاگ مرکزي چرخان(Rotary Eccentric Plug)

28. شير پروانه اي(Butterfly Valve) • يک ديسک فلزي دايره اي است که در يک لوله بدون فلنج کوتاه نصب مي شود • ديسک با محوري که بعنوان يک اکچويتور به آن متصل شده، چرخانده مي شود. • شيرهاي پروانه اي، به حداقل فضاي لازم براي نصب نياز دارند و حداکثر ظرفيت را با افت فشار کم ايجاد مي نمايند • اغلب چون گشتاور کاري آنها زياد است، به اکچويتورهاي با ديافراگم بزرگتر نياز دارند • استفاده از مواد درزبند نرم نظير تفلون (T.F.E)يا Nitrile، سرويس بسته شدن خوبي را براي شير فراهم مي کند • ديسک هاي عادي، کنترل گلوگاهي(Throttling) را تا °60 چرخش فراهم مي کنند و مشخصه درصد مساوي را براي جريان سيال نشان مي دهند.

29. شير پروانه اي در اتصال بدون فلنج

30. شير توپي(Ball Valve) • شير توپي، يک کره يا توپ را نگه مي دارد و شامل يک ورودي دايره اي است که معمولاً از نظر اندازه با سوراخ(Bore) لوله پروسس يکسان است. • توپ مي تواند °90 از موقعيت کاملاً باز تا موقعيت کاملاً بسته توسط محور درايو متصل شده به يک اکچويتور بچرخد. توپ، براي تأمين حالت کاملاً بسته، بطور پيوسته در تماس با يک حلقه درزبندي است. • شيرهاي توپي بطور رايج بعنوان شيرهاي مسدودکننده(Shut down) بکار مي روند و کاملاً باز يا کاملاً بسته هستند. اما يک شير توپي اصلاح شده با برش Vee شکل به داخل ورودي دايره اي، مشخصه جريان سيال درصد مساوي را فراهم مي کند و براي کنترل جريان سيالات چسبنده که شامل ذرات جامد يا فيبرها و ... مي باشند ايده ال است. • جريان سيال، تمايل دارد که توپ را به موقعيت بسته بچرخاند، بنابراين اکچويتور بايد در جهت کاهش(Counteract) اين اثر عمل کند.

31. شير توپي و ساختار اکچويتور ديافراگمي

32. شير توپي

33. شيرهاي با پلاگ مرکزي چرخان(Rotary Eccentric Plug) • عملکرد اين شير براساس چرخش مرکزي پلاگ کروي درون بدنه شير است. پلاگ به محور درايو، طوري متصل شده که تا °50 توسط يک اهرم متصل به اکچويتور، چرخانده مي شود. • هنگام عبور از موقعيت باز به موقعيت بسته، لبه پيشين پلاگ با فاصله خيلي نزديک به درزبند عبور مي کند. با ادامه چرخش، لبه خزنده با درزبند تماس پيدا مي کند. در اين نقطه، لبه پيشين تقريباً در تماس با درزبند است اما نه بطور کامل. چرخش بيشتر و عملکرد گشتاور ميله توسط اکچويتور باعث مي شود بازوهاي پلاگ، لبه پيشرونده ديسک را خم کنند و براي تماس با درزبند، به آن نيرو وارد کنند. • عبور جريان سيال از شير مي تواند در هر جهتي باشد اما بايد توجه شود که با توجه به جهت جريان سيال، نيروهاي ديناميکي تمايل به بازکردن يا بستن شير خواهند داشت. بنابراين، جهت عبور جريان سيال از شير با توجه به نيازهاي خطا ـ ايمن آن تعيين مي شود مثلاً اگر مناسب است که خطا ـ باز باشد، جريان سيال در جهتي است که تمايل دارد شير باز شود.

34. شير با پلاگ چرخشي خارج از مرکز

35. شير با پلاگ چرخشي خارج از مرکز و اکچويتور

36. مشخصات جريان عبوري از شير کنترل • مشخصه جريان عبوري از يک شير به ارتباط بين جريان سيال عبوري از شير و جابجاييPlug Stem شير مربوط مي شود. • پلاگ شيرها مي توانند طوري طراحي شوند که همه اشکال مشخصات جريان سيال را ايجاد نمايند که انتخاب هر نوع، به پروسه اي که بايد کنترل شود بستگي دارد.

37. انواع مشخصات جريان عبوري از شير کنترل • بازکردن سريع(Quick Opening) • خطي(Linear) • خطي اصلاح شده(Modified Linear) • درصد مساوي(Equal Percentage) • سهمي اصلاح شده(Modified Parabolic)

38. مشخصات جريان عبوري براي شيرهاي کنترل

39. بازکردن سريع(Quick Opening) • با حرکت نسبتاً کوچک Stem تا حدود 36% کل جابجايي ممکن، حداکثر تغيير نرخ جريان سيال رخ مي دهد و بعد از آن با ادامه حرکت ميله شير تا موقعيت کاملاً باز، افزايش نرخ جريان سيال، کم مي شود. • کاربرد اين مشخصه : • شيرهاي قطع ـ وصل يا دو موقعيتي • شيرهاي خودتحريک(Self- Actuated) • شيرهاي تنظيم کننده(Regulators) • شيرهاي تخليه(relief valves)

40. پلاگ هاي مشخصه بازکردن سريع

41. خطي(Linear) • نرخ جريان عبوري، مستقيماً متناسب با ميزان جابجايي ميله شير در محدوده جابجايي آن است. • بطور مثال در 70% جابجايي، جريان عبوري تقريباً 70% ماکزيمم جريان عبوري از شير است. • اين مشخصه در شيرهاي کنترل سطح مايع و در سيستمهاي کنترلي که نياز به يک بهره ثابت دارند، استفاده مي شود. • بهره براييک خروجي کنترل کننده داده شده، بطور متناسب افزايش يا کاهش مييابد.

42. پلاگ هاي مشخصه خطي

43. خطي اصلاح شده(Modified Linear) • حد وسطي بين منحني هاي خطي واقعي و بازشدن سريع است • در ناحيه با جريان بالا و بخصوص در ناحيه با جريان کم، جابجايي زياد شير، تنها تغيير کوچکي در نرخ جريان ايجاد مي کند

44. پلاگ هاي خطي اصلاح شده يا گلوگاهي

45. درصد مساوي(Equal Percentage) • افزايش مساوي حرکت ميله شير، تغييرات با درصد يکسان در نرخ جريان سيال ايجاد مي کند • منحني نشان مي دهد موقعيکه شير تقريباً بسته است، تغيير در نرخ جريان نسبت به جابجايي شير، کوچک است اما وقتيکه شير تقريباً بطور کامل باز است، نسبتاً زياد است • شير در محدوده جابجايي کم، کنترل گلوگاهي دقيقي دارد و در محدوده کاملاً باز شير، ظرفيت به سرعت افزايش مييابد • براي هر درصدي از حرکت ميله شير، نرخ جريان عبوري از شير با افزايش درصد مشخصي، افزايش مييابد. براي مثال، براي هر 10% تغيير در موقعيت ميله شير، نرخ جريان عبوري از شير، 50% تغيير مي کند • مثال : اگر ميله شير در 31% جابجايي اش باشد، نرخ جريان عبوري، 90% حداکثر جريان شير خواهد شد. اگر جابجايي ميله 10% ديگر اضافه شود، نرخ جريان 50% افزايش مييابد. (در اين مثال، به 13% حداکثر جريان مي رسد). هرگاه ميله شير 10% ديگر تغيير کند، به نرخ ماکزيمم نرخ جريان، 50% اضافه خواهد شد.( اين دفعه نرخ جريان تقريباً 18% حداکثر جريان خواهد بود). به همين ترتيب، 10% تغيير در موقعيت ميله شير، منجر به تغيير در نرخ جريان با 50% بيشتر مي شود

46. پلاگ هاي درصد مساوي

47. سهمي اصلاح شده(Modified Parabolic) • بين منحني مشخصه هاي خطي و درصد مساوي قرار مي گيرد • يک مشخصه خطي براي مقادير بالاي جريان و جابجايي شير نشان مي دهد

48. پلاگ هايVeeيا سهمي اصلاح شده

49. شيرهاي با تنظيم قفسه(Cage Trim Valves) • مشخصه با شکل دادن به وروديهاي قفسه يا پنجره ها تعيين مي شود تا منحني هاي بازکردن سريع، خطييا درصد مساوي ايجاد نمايد. • براي هر شير انتخابي، مشخصه، با نصب يک قفسه متفاوت تغيير داده مي شود، بدون آنکه نيازي به تعويض پلاگ براي تغيير مشخصه جريان باشد

50. تنظيم قفسه(Cage Trim)