معیارهای طراحی و گزینش شیرهای یک‌طرفه

ترجمه و تنظیم:سید محمد رضا ناجیان

مقاله از شرکت :

 

 

دیپاچه

راهنمای مذکور یعنی”معیارهای طراحی و گزینش شیرهای یک‌طرفه” برای یاری مهندسان طراح در راستای آگاهی از اصول و کارآیی انواع گوناکون شیرهای یک‌طرفه سامانه‌های لوله‌کشی تهیه شده است. معیارهای مذکور در واقع کل داده‌های الزامی برای گزینش شیرها را ارائه نمی‌دهند ولی پارامترهای مهندسی الزامی برای گزینش و کاربرد شیرهای یک‌طرفه را تشریح می‌کنند. طراحی صحیح سامانه لوله‌کشی مستلزم بررسی مجموعه‌ای از ویژگی‌های پمپ، شیرهای یک‌طرفه، شیرهایی هوایی و تجهیزهای ضربه‌گیر می‌باشد.

از طریق دانش مذکور، مهندس طراح قادر به گزینش بهتر شیرهای یک‌طرفه و فهم جامع‌تری از مشکل‌های ناشی از گزینش شیرها می‌باشد. هنگام گزینش شیرها، ویژگی‌های جریان شیرها بسیار قابل‌اهمیت می‌باشند؛ ولی جنبه‌های طراحی دیگری نظیر تلفات هد، قابلیت‌اطمینان و هزینه‌ها نیز جزء عواملی هستند که باید در گزینش نهایی شیرها در نظر گرفته شوند.

اطلاعات آزمایشی نیز داده‌های ارزشمندی را برای پیش‌بینی کارآیی شیرها ارائه می‌دهند. داده‌های مذکور از طریق اجرای آزمایش‌های مستقلی در “آزمایشگاه پژوهشی یوتا[۱]” و در راستای کنترل ویژگی‌های کیفی محصول‌های “شرکت تولیدی شیرهای Val-Matic [۲]” ارائه می‌شوند.

 

مقدمه

یک عنصر کلیدی در طراحی سامانه‌های لوله‌کشی آب/فاضلاب، گزینش صحیح شیرهای یک‌طرفه تخلیه پمپ‌ها می‌باشد؛ هدف از کاربرد شیرهای مذکور در واقع بازگشایی خودکار، برای عبور جریان و بازگشت خودکار به وضع انسدادی برای جلوگیری از عبور جریان معکوس در زمان عدم‌کارکرد پمپ می‌باشد. وظیفه دیگر شیرهای مذکور (که غالباً مورد توجه قرار نمی‌گیرد)، توانایی شیرهای یک‌طرفه برای کمینه‌سازی انرژی مصرفی می‌باشد. برآورد “پاتون[۳]” نشان‌گر انرژی سالانه مصرفی ۷۵ میلیارد کیلووات/ساعتی تأسیسات آبی/ فاضلابی ایالات متحده امریکا می‌باشد؛ ۸۰ درصد از انرژی مذکور شامل هزینه‌های سرویس‌های لوله‌کشی برای غلبه بر هد استاتیک و اتلاف‌های اصطکاکی می‌باشد. موضوع مهم دیگر، کاربرد شیرهای مذکور برای حفاظت از سامانه لوله‌کشی و لوله‌ها در برابر ضربه‌های فشاری ناشی از انسداد ناگهانی شیرها می‌باشد. عموماً طراحان ایستگاه‌های پمپاژ همواره شاهد ضربه‌زنی شیرهای یک‌طرفه می‌باشند؛ دلیل ضربه‌زنی مذکور از توقف ناگهانی جریان معکوس عبوری از شیر مسدود یک‌طرفه ناشی می‌گردد. برای جلوگیری از ضربه‌زنی، شیرهای یک‌طرفه خودکار باید سریعاً بسته شوند و یا شیرهای کنترل پمپ به آهستگی مسدود گردند؛ در موارد بسیاری ضربه‌زنی منجر به خرابی گسترده‌ای در اجزاء میانی سامانه لوله‌کشی می‌گردد.

شکل ۱: سامانه متداول لوله‌کشی با شیرهای یک‌طرفه لولایی

۳ گروه متداول از شیرهای یک‌طرفه به‌طور تفصیلی تشریح می‌گردند:

اولین گروه: “شیرهای یک‌طرفه پیستونی” نظیر “شیرهای یک‌طرفه نازلی و بی‌صدای انسدادی-سریعی” با دیسک‌های فنری؛ دیسک‌های مذکور در راستای محور لوله و در طول فاصله کوتاهی برای انسداد خودکار (در طول کسری از ثانیه) تغییرمکان می‌یابند. به‌دلیل انسداد سریع آن‌ها، شیرهای یک طرفه مذکور به‌ندرت دچار ضربه‌زنی می‌گردند و بنابراین از عنوان “بی‌صدا” برای آن‌ها استفاده می‌گردد.

دومین گروه: “شیرهای یک‌طرفه لولایی” نظیر شیرهای یک طرفه لولایی سنتی؛ با دیسک مسطحی که بر روی یک پین لولایی نوسان می‌کند. هم اکنون شیرهای یک‌طرفه لولایی سنتی جزء متداول‌ترین شیرهای یک‌طرفه می‌باشند؛ شیرهای مذکور می‌توانند مجهز به “اهرم” و “وزنه” گردند؛ ولی متأسفانه احتمال ضربه‌زنی شیرهای یک‌طرفه لولایی بسیار بالا می‌باشد.

سومین گروه: “شیرهای کنترلی پمپ” که شامل شیرهای توپی یا سماوری الکتریکی می‌باشند؛ و برای هم‌زما‌ن‌سازی کارکردی به مدار الکتریکی کنترل پمپ سیم‌کشی می‌گردند؛ از این طریق کنترل هم‌زمان تغییرهای سرعت سیال داخلی لوله در طول یک دوره زمانی طولانی (یعنی ۶۰ تا ۳۰۰ ثانیه) امکان جلوگیری از بروز ضربه‌های فشاری داخلی سامانه‌های توزیع میسر می‌گردد.

۳ گروه فوق یعنی دیسکی، لولایی و کنترل پمپی دارای ویژگی‌های طراحی یگانه‌ای برای کاربری‌های ویژه می‌باشند؛ هر کدام از شیرهای مذکور به‌طور متفاوتی بر بر واکنش و هزینه‌های سامانه تأثیرگذار می‌باشند. بنابراین برای کل کاربری‌ها، هیچ شیر یک‌طرفه “عمومی” دردسترس نمی‌باشد.

حتی در شرایط آگاهی کامل از گروه‌ها و انواع گوناکون شیرهای یک‌طرفه نیز اتخاذ تصمیمی منطقی برای کاربرد بهترین نوع شیر یک‌طرفه برای هر کاربرد معینی دشوار می‌باشد. خریداری یک شیر یک‌طرفه مشابه با خریداری یک خودرو می‌باشد؛ گزینه‌های مختلفی وجود دارند ولی هر مدلی از خودروها برای تطابق با نیازهای متفاوتی طراحی شده است؛ بهترین خودرو لزوماً سریع‌ترین خودرو نمی‌باشد؛ در مواردی، کوچکی، کارآیی بالا، هزینه پایین و یا ویژگی‌های پیشرفته برای شما از اهمیت بیشتری برخوردار هستند؛ بهترین خودرو، خودرویی می‌باشد که نیازهای شما را برآورده سازد؛ دقیقاً مشابه با شیرهای یک‌طرفه، بهترین شیر یک‌طرفه شیری می‌باشد که کاملاً منطبق با نیازهای شما باشد. بنابراین مقاله پیش‌رو انواع گوناگونی از شیرهای یک‌طرفه را تشریح می‌کند و از طریق بررسی معیارهای گزینش متداولی نظیر هزینه و اطمینان‌پذیری، گستره گزینش شیرهای مذکور را کاهش می‌دهد. در انتها شیرهای یک‌طرفه برطبق معیارهای گوناگونی رتبه‌بندی می‌گردند؛ به‌طوری‌که فرایند تصمیم‌گیری روش‌مندی برای شناسایی بهترین شیر منطبق با هر کاربری معینی استفاده گردد.

شیرهای یک‌طرفه پیستونی

شیرهای یک‌طرفه پیستونی، شیرهای ساده، خودکار و هزینه‌کارا می‌باشند؛ ولی می‌توانند منجر به هزینه‌های انرژی بالایی در طولانی‌مدت گردند. مثال‌هایی از شیرهای پیستونی مذکور شامل شیرهای نازلی، بی‌صدا و توپی می‌باشند. شیرهای مذکور دارای قطعه‌های متحرک خارجی نیستند؛ و می‌توانند به‌طور اقتصادی تولید گردند و دارای کارکرد قابل‌اطمینانی نیز می‌باشند. متأسفانه شیرهای مذکور فاقد نشان‌گری برای شناسایی انسداد/ بازشدگی شیر می‌باشند؛ مورد مذکور ویژگی مهمی در سامانه‌های پمپاژ می‌باشد.

“شیرهای یک‌طرفه بی‌صدا“، به‌دلیل انسداد آرام، شیرهای متداولی در کاربری‌های ساختمان‌های بلند‌مرتبه و هد- بالا می‌باشند. شیرهای مذکور شامل یک بدنه رزوه‌ای، ویفری یا فلنجی؛ یک نشیمن‌گاه ضدخوردگی؛ و یک دیسک با ساقه (میله) یکپارچه هستند. هنگام آغاز عبور جریان، دیسک شیر برای عبور جریان روبه‌جلو، در جهت چپ تغییرمکان می‌یابد. و در هنگام توقف پمپ، فنر فشرده داخلی، شیر را پیش از بروز جریان معکوس می‌بندد و به‌دین گونه انسداد آرام شیر رخ می‌دهد. شیرهای مذکور به‌دلیل تغییرمکان (کورس) خطی کوتاه‌شان (برابر یک‌چهارم قطر شیر) با سرعت زیادی بسته می‌شوند (در حدود یک‌دهم ثانیه). نکته قابل‌توجه آن است که حتی با وجود تغییرمکان (کورس) کوتاه D/4 دیسک شیرهای مذکور، فضای استوانه‌ای میان دیسک باز و نشیمن‌گاه (π·D·D/4) برابر با مساحت کامل دهانه (π·D2/4) می‌باشد؛ D در روابط مذکور برابر با قطر دهانه شیر می‌باشد. ضمناً به‌دلیل ابقاء دیسک شیر در مسیر جریان، شیرهای یک‌طرفه بی‌صدا دارای تلفات هد بالای می‌باشند و در اکثر موارد برای کاربری‌های آب تمیزی با هد بالا به‌کار می‌روند.

“شیرهای یک‌طرفه نازلی“ دارای عملکرد مشابه‌ای به مانند شیرهای یک‌طرفه بی‌صدا می‌باشند؛ ولی شیرهای نازلی دارای مسیر جریان ونتوری‌شکل هموار و دیسک حلقوی می‌باشند و دارای تلفات هد پایین‌تری در قیاس یا شیرهای یک‌طرفه بی‌صدا هستند؛ شیرهای نازلی دارای طول جای‌گذاری بلندتری در مدار لوله‌کشی می‌باشند. مشابه شیرهای یک‌طرفه بی‌صدا، شیرهای یک‌طرفه نازلی نیز دارای فنر کمکی، تغییرمکان (کورس) خطی کوتاه می‌باشند، به طوری‌که بهترین ویژگی غیرضربه‌زنی شیرهای یک‌طرفه را تأمین می‌کنند. عموماً شیرهای یک‌طرفه نازلی از فولادهایی با کلاس‌های فشاری بالا برای تطابق با الزام‌های سخت‌گیرانه کاربری‌های نیروگاهای و صنعتی ساخته می‌شوند.

“شیرهای یک‌طرفه توپی“ از نوع شیرهای متراکم و ساده می‌باشند و عموماً بر روی پمپ‌های آب/ یا فاضلاب کوچک (در جایی با اهمیت هزینه‌های پایین) نصب می‌گردند. شیر یک‌طرفه توپی دارای بدنه رزوه‌ای یا فلنجی می‌باشد؛ بدنه شیرهای مذکور دارای اجزاء داخلی یکپاچه‌ای برای تغییرمکان کره روکش-لاستیکی داخلی به درون و برون نشیمن‌گاه شیر، برای عبور روبه‌جلو و عقب جریان سیال می‌باشند. کره مذکور در طول کارکرد شیر به دور خویش می‌گردد و دارای گرایشی به خودتمیزکاری می‌باشد. دهانه دسترسی فوقانی شیر منجر به سهولت نگهداری شیر، بدون لزومی به خارج‌سازی شیر از خط لوله می‌گردد. شیرهای مذکور برای هر دو کاربری‌های آبی/ فاضلابی به‌کار می‌روند؛ ولی در کاربری‌های هد- بالا و یا در هنگام کاربرد پمپ‌های موازی دارای گرایش بالایی به ضربه‌زنی می‌باشند؛ دلیل این امر ناشی از اینرسی بالای کره داخلی شیر و لزوم طی مسافت بالای آن می‌باشد. در سامانه‌های هد پایین و تک- پمپی، شیرهای یک‌طرفه توپی، کارآیی بسنده‌ای را به ‌همراه تلفات هد پایین تأمین می‌کنند.

شیرهای یک‌طرفه لولایی (یا نوسانی)

به‌طور تاریخی متداول‌ترین شیرهای یک‌طرفه سامانه‌های لوله‌کشی آب/ و فاضلاب از گروه شیرهای یک‌طرفه لولایی بوده‌اند. شیرهای مذکور دارای دسترسی آسان، هزینه پایین و دارای افت هد پایین در شراط کاملاً باز می‌باشند. شیرهای مذکور از نوع خودکار می‌باشند و بنابراین نیازی به توان خارجی یا سیگنال کنترلی ندارند و کاملاً مانع تغییر جهت جریان می‌گردند. با این حال انواع گوناکونی از شیرها در گروه شیرهای یک‌طرفه لولایی قرار می‌گیرند؛ و هر نوعی از شیرهای مذکور نیز دارای مزایای مجزایی می‌باشند؛ آگاهی از مزایای شیرهای مذکور نیز الزامی می‌باشد. اسم‌گذاری شیرهای یک‌طرفه لولایی نیز از طرح کلی آن‌ها ناشی می‌گردد؛ شیرهای مذکور شامل بدنه و عضو انسدادی یا دیسکی می‌باشند که در حول یک پین لولایی “نوسان” می‌کند.

کم‌عرض‌ترین شیر یک‌طرفه لولایی، “شیر یک‌طرفه دودیسکی“ می‌باشد؛ شیر دودیسکی برطبق استاندارد C518 “موسسه فعالیت‌های آبی آمریکا (AWWA)[۴]” تعریف شده است. بدنه شیر دودیسکی دارای طرح ویفری (مابین دو فلنج لوله‌ای) و یک پین لولایی می‌باشد؛ دو دیسک Dشکل متقابل شیر مذکور به حول پین لولایی می‌گردند. شیرهای دودیسکی دارای پین دیگری به نام “پین توقفی[۵]” نیز می‌باشند که دیسک‌ها را در زمان بازگشایی کامل شیر در مسیر جریان سیال هم‌تراز‌ و هم‌مرکز می‌گرداند. شیر مذکور در زمان بهره‌برداری می‌تواند دچار ارتعاش و فرسایش گردد. به دلیل مذکور شیرهای دودیسکی دارای کره‌های پایاسازی در انتهای پین‌ها برای جلوگیری از ارتعاش پین‌ها می‌باشند. نشیمن‌گاه ارتجاعی شیرهای مذکور عموماً به بدنه و میله ریخته‌گری شده است؛ میله مذکور نیز در راستای بدنه امتداد می‌یابد. با وجود قرارگیری میله شیر در راستای مسیر جریان و توانایی جمع‌آوری واریزه‌ها، شیرهای یک‌طرفه دودیسکی برای فاضلاب‌های محتوی ذرات جامد به‌کار نمی‌روند. به‌دلیل آن‌که دهانه شیر در حدود ۸۰ درصد از اندازه لوله می‌باشد، افت هد باید در نظر گرفته شود. ویژگی انسدادی شیر از طریق یک فنر پیچشی (که در پیرامون پین لولایی پیچانده شده است) بهبود می‌یابد؛ فنر پیچشی نیروی فشاری معکوسی را بر سطح پشتی دیسک‌ها اعمال می‌نماید. مشابه “شیرهای یک‌طرفه پیستونی“، هیچ نشان‌گری برای بازگشایی/ انسداد شیرهای یک طرفه دودیسکی نیز وجود ندارد ولی به‌دلیل وجود فنر، شیرهای مذکور دارای ویژگی‌های غیرضربه‌زنی مطلوبی هستند.

برطبق تعریف شیر یک‌طرفه لولایی سنتی در استاندارد C508 “موسسه فعالیت‌های آبی آمریکا (AWWA)“، شیرهای مذکور دارای نشیمن‌گاه‌های ارتجاعی یا فلزی به‌همراه اجزاء نوسانی با کورس گردشی ۶۰ تا ۹۰ درجه‌ای هستند. به‌دلیل کورس طولانی نوسانی، اینرسی دیسک و اصطکاک “طناب‌های آب‌بند[۶]“، امکان ضربه‌زنی شیرهای مذکور در سامانه‌های لوله قائم و پمپ‌های چندتایی وجود دارد. بنابراین غالباً شیرهای مذکور به آرایش گسترده‌ای از لوازم کمکی مجهز می‌گردند که فراتر از گسترده استاندارد C508 می‌باشد. محتملاً متداول‌ترین لوازم کمکی مذکور، اهرم و وزنه می‌باشند. با وجود فرض عمومی مبنی بر تأثیر وزنه‌ها بر انسداد سریع‌تر شیرها، وزنه‌ها در واقع منجر به کاهش ضربه‌زنی از طریق محدودسازی کورس دیسک می‌گردند ولی در عوض منجر به افزایش قابل‌توجهی در تلفات هد نیز می‌شوند. با این حال معمولاً سازندگان شیرهای مذکور، ضرائب جریان را برای شیرهای کاملاً باز و نه شیرهایی با بازشدگی جزئی منتشر می‌کنند. انسداد شیر نیز از طریق اینرسی دیسک و وزنه و اصطکاک پکینگ ساقه شیر کاهش می‌یابد. برخی از شیرهای یک‌طرفه لولایی دارای نشیمن‌گاه‌های شیب‌داری (عموماً در حدود ۵ درجه‌ای) برای انسداد و آب‌بندی کافی در فشارهای پایین می‌باشند؛ ولی در شرایط قرارگیری مرکز ثقل دیسک و مجموعه بازوی شیر در بالادست سطح نشیمن‌گاه و پین، یک گشتاور انسدادی برای تأمین انسداد و آب‌بندی کافی در فشارهای پایین وجود دارد. ضمناً اهرم خارجی، معیار مناسبی از وضع بازشدگی/ انسداد شیر می‌باشد و شیر “دهانه کامل[۷]” نیز سرویس مطلوبی را برای هر دو کاربری آب/ فاضلابی تأمین می‌کند.

در کاربری‌های هد- بالای شدیدتر معمولاً از یک بالشتک هوایی نیز برای جلوگیری از ضربه‌زنی استفاده می‌شود. هر شخصی تأثیر مثبت بالشتک‌های هوایی را بر روی ضربه‌زنی “درب‌های طوفان[۸]” تجربه نموده‌ است. ولی شرایط داخلی خطوط لوله آب به‌طور قابل‌توجهی متفاوت می‌باشد. هنگام ضربه‌زنی درب‌ها، گشتاور آن‌ها به آهستگی از طریق بالشتک هوایی جذب می‌گردد؛ زیرا در هنگام کندشدگی انسداد درب‌ها، نیروهای ناشی از فنر انسدادی و جریان باد خارجی، کمتر و کمتر می‌گردند. به‌طور عکس در هنگام انسداد شیر یک‌طرفه در خط لوله آبی، تسریع جریان برگشتی با نرخ بالا رخ می‌دهد به‌طوری‌که در هر کسری از ثانیه از تأخیر انسدادی، نیروهای وارده بر دیسک تا مرتبه بالاتری افزایش می‌یابند. در شرایط واقعی، بالشتک هوایی، دیسک شیر را تا بازه طولانی بسنده‌ای برای تشدید کافی جریان معکوس باز نگاه می‌دارد؛ بنابراین ضربه‌زنی دیسک به نشیمن‌گاه شیر حتی سخت‌تر نیز می‌گردد. با توجه به کاربرد هوا در بالشتک‌های هوایی و ویژگی تراکم‌پذیری هوا، بالشتک‌های مذکور توانایی مهار مثبت بسیار اندکی را برای انسداد دیسک نشان می‌دهند و قادر به خنثی‌سازی نیروهای شدید اعمالی به‌وسیله جریان معکوس نمی‌باشند. در شرایط لزوم انسداد سریع‌تر، کاربرد یک اهرم و یک فنر نتایج بهتری را به‌همراه دارد. فنرها به طور ذاتی دارای اینرسی اندکی می‌باشند؛ و در تسریع تغییرمکان دیسک و تأمین انسداد سریع و ویژگی‌های ضربه‌زنی بهتر بسیار کارآتر می‌باشند.

جزء کمکی موثر دیگری برای کمینه‌سازی تسریع تغییر‌مکان انسدادی شیر یک‌طرفه لولایی، بالشتک روغنی می‌باشد که به‌عنوان “میراگر روغنی” نیز منسوب می‌باشد. به‌دلیل ویژگی تراکم‌ناپذیری روغن، بالشتک روغنی در برابر نیروهای مفرط جریان معکوس وارده بر دیسک مقاومت می‌کند و کنترل دقیقی را بر ۱۰ درصد انتهایی فرایند انسدادی شیر اعمال می‌کند. پمپ باید قادر به مقابله با جریان قابل‌توجه برگشتی نیز باشد؛ زیرا میراگر روغنی منجر به عبور بخشی از جریان برگشتی شیر یک‌طرفه از میان پمپ می‌گردد. به‌دلیل شدت بالای نیروهای فشاری جریان معکوس وارده بر دیسک شیر یک‌طرفه، فشار میراگر روغنی غالباً از psi ۲۰۰۰ نیز فراتر می‌رود؛ و به دلیل مذکور هزینه شیرهای مجهز به چنین اجزائی افزایش می‌یابد. سیلندر روغن فشار- بالا هزینه‌بر می‌باشد و به‌دلیل قرارگیری پین لولایی شیر (توسط سیلندر روغن) در معرض بارهای بالا، غالباً کاربرد شیرهای یک‌طرفه ویژه‌ای با پین‌های قطر- بالا الزامی می‌باشد. میراگرهای تحتانی (کف- نصب) از طریق فشار مستقیم بر روی دیسک، مشکل مذکور را رفع می‌کنند. به‌دلیل توانایی منحصر پمپ‌ها در مقابله با جریان‌های برگشتی بسیار بالا، زمان انسدادی میراگرها معمولاً به ۱ تا ۵ ثانیه محدود می‌گردد. در شرایطی‌ با خط لوله محتوی واریزه‌ها یا فاضلاب، یک شیر یک‌طرفه به‌همراه بالشتک روغنی می‌تواند به‌عنوان غربالی در طول شرایط جریان معکوس عمل کند و به‌سرعت خط لوله را ببندد.

تازه‌ترین نوع شیرهای یک‌طرفه لولایی مندرج در AWWA C508 یعنی “شیر یک‌طرفه لولایی ارتجاعی[۹]” بزرگ‌ترین تأثیر را بر صنایع آبی/فاضلابی کنونی بر جای گذاشته است. همان‌طور که از نام شیر مذکور نیز استنباط می‌گردد، عمل نوسانی از طریق خمیدگی دیسک لاستیکی به‌جای چرخش به حول پین لولایی صورت می‌گیرد. شیر یک‌طرفه لولایی ارتجاعی دارای قابلیت‌اطمینان بالایی به‌دلیل عدم‌لزوم فرایند نگهداری می‌باشد؛ زیرا شیر مذکور تنها دارای یک قطعه متحرک یعنی دیسک ارتجاعی می‌باشد. شیر مذکور دارای ورودی ۱۰۰ درصدی با زاویه ۴۵ درجه‌ای می‌باشد که کورس کوتاه ۳۵ درجه‌ای، انسداد سریع و تلفات هد پایینی را تأمین می‌کند. به‌علاوه در مواردی شیر مذکور دارای “نشان‌گر مکانیکی موقعیت“ نیز می‌باشد که کاربرد کلیدها را رفع می‌کند. مدل ویژه‌ای از شیر مذکور حتی دارای انسداد سریع‌تری به‌دلیل الحاق شتابنده‌های دیسکی یا فنرها می‌باشد که ویژگی‌های غیرضربه‌زنی مشابه‌ای به مانند شیرهای یک‌طرفه بی‌صدا را ارائه می‌دهد.

نوع پیشرفته‌تر دیگری از شیرهای یک‌طرفه لولایی، “شیر یک‌طرفه دیسکی زاویه‌دار (مورب)” می‌باشد؛ شیر مذکور به‌دلیل مساحت دهانه ۱۴۰ درصدی‌اش دارای افت هد بسیار پایینی می‌باشد؛ دیسک شیر مذکور دارای طرح شیر پروانه‌ای می‌باشد؛ طرح مذکور امکان عبور جریان سیال از هر دو سوی دیسک را میسر می‌کند. به‌علاوه “شیر یک‌طرفه دیسکی مورب” دارای نشیمن‌گاه‌های فلزی برنزی-آلومینیومی قابل‌اطمینانی می‌باشد؛ برای کنترل کارآی شیر و ضربه‌های فشاری سامانه‌هایی با طول متوسط، “شیر یک‌طرفه دیسکی مورب” را می‌توان به میراگرهای روغنی فوقانی یا تحتانی مجهز نمود. مشابه شیرهای یک‌طرفه لولایی دیگر، “شیرهای یک‌طرفه دیسکی مورب” نیز کاملاً خودکار می‌باشند و نیازی به توان خارجی یا سیگنال الکتریکی از سامانه کنترلی پمپ ندارند. شیر مذکور دارای یک نشان‌گر موقعیت خارجی نیز می‌باشد؛ و به‌دلیل امتداد پین‌ها به درون مسیر جریان سیال و امکان جمع‌آوری واریزه‌ها توسط آن‌ها، شیرهای مذکور تنها در سامانه‌های آبی یا سامانه‌های فاضلاب‌های پالوده کارخانه‌ای به‌کار می‌روند.

شیرهای کنترل پمپ

در شرایط به‌کارگیری سامانه‌های پمپاژ به‌عنوان بخشی از سامانه‌های لوله‌کشی بسیار طویل (برای مثال ۲۰۰۰۰ فوتی)، شیرهای کنترل پمپ غالباً برای کنترل ضربه‌های فشاری به‌کار می‌روند. شیرهای کنترل پمپ در واقع شیرهای ربع‌گردی نظیر شیرهای توپی یا سماوری می‌باشند که با “راه‌اندازهای” موتوری الکتریکی یا سیلندری هیدرولیکی بازکننده/مسدودکننده آرام تجهیز شده‌اند. توان کاری “راه‌انداز” از طریق منبع فشاری یا الکتریکی خارجی تأمین می‌گردد؛ و برای هدف‌های کنترلی باید به‌طور الکتریکی به مدار پمپ وصل گردد (شکل ۲). سامانه‌های باتری‌دار یا انباره‌ای نیز امکان انسداد شیر کنترل پمپ را در هنگام قطع توان الکتریکی فراهم می‌کنند. تغییرمکان عنصر انسدادی شیرهای مذکور به‌وسیله راه‌انداز برقی کنترل می‌گردد؛ بنابراین شیرهای مذکور به مانند شیرهای یک‌طرفه خودکار در معرض شرایط ارتعاشی یا ضربه‌زنی قرار نمی‌گیرند. به‌علاوه به‌دلیل مهارسازی دقیق عنصر انسدادی از طریق “راه‌انداز“، لزومی به کاربرد قطرهای ۳ یا ۴ برابری لوله بالادست شیر مذکور مشابه با شیرهای یک‌طرفه خودکار نمی‌باشد. در انتها شیرهای ربع‌گرد برای انتقال سیال‌های سرعت-بالا (تا ft/s ۳۵) طراحی می‌شوند؛ بنابراین برای بهبود ویژگی‌های جریان، اندازه شیرهای مذکور غالباً از اندازه دهانه تخلیه پمپ کوچک‌تر در نظر گرفته می‌شود.

شکل ۲: شیر توپی کنترل پمپ (نوعی)

سامانه شیر کنترل پمپ کروی متداولی در شکل ۲ نشان داده شده است. شیر کروی از طریق گردش ۹۰ درجه‌ای محور، راه‌اندازی می‌گردد؛ و با یک “راه‌انداز” سیلندری هیدرولیکی تجهیز شده است. توان موردنیاز سیلندر مذکور از طریق آب پرفشار خط لوله یا از سامانه توانی روغنی مستقلی تأمین می‌گردد. کنترل‌های هیدرولیکی در بالا و یا در کنار شیر نصب می‌شوند؛ کنترل‌های مذکور به‌طور الکتریکی به مدار پمپ وصل می‌گردند. شیرهای القائی (SVs)[۱۰] ۴راهه و ۲راهه از طریق هدایت واسطه عملیاتی به دریچه‌های سیلندر، شیر را روشن/خاموش می‌کنند. سرعت بازگشایی/ انسدادی از طریق “شیرهای کنترل جریان (FCV)[۱۱]” تنظیم‌پذیر مستقلی کنترل می‌گردد. شیرهای کنترل جریان در واقع شیرهای سوزنی ویژه‌ای به‌همراه شیرهای داخلی یک‌طرفه کروی جریان معکوسی هستند که امکان جریان آزاد به درون سیلندر را فراهم می‌کنند ولی جریان خروجی از سیلندر را کنترل می‌نمایند. شیر کنترل پمپ به‌طور هماهنگی با مرکز کنترل موتوری پمپ کار می‌کند. هنگام ارائه سیگنال “آغاز کار” پمپ، فشار پمپ افزایش می‌یابد و یک کلید فشاری سیگنالی را به شیر کنترل پمپ برای بازگشایی آرام در ۱ یا ۵ دقیقه می‌فرستد (تنظیم‌پذیر سایتی). هنگام ارائه سیگنال”توقف کاری” پمپ، شیر کنترل پمپ به آرامی بسته می‌شود ولی کارکرد پمپ ادامه می‌یابد. هنگام انسداد کامل/ یا تقریباً کامل شیر کنترل پمپ، “کلید حدی[۱۲]” سیگنالی را برای توقف کاری پمپ ارسال می‌کند.

فرایند فوق در واقع ضمانتی برای تغییر بسیار آرام سرعت سیال در بازه زمانی چند دقیقه‌ای در هنگام کارکرد پمپ و جلوگیری از ضربه‌های فشاری می‌باشد. با این حال در زمان قطع غیرمنتظره توان الکتریکی، پمپ فوراً متوقف می‌گردد و برای جلوگیری از “پس‌چرخش” مفرط پمپ موردنظر، “شیر کنترل پمپ” سریعاً (یعنی در ۱۰ ثانیه) بسته می‌شود و یا “یک شیر یک‌طرفه خودکار انسدادی-سریع در اتصال سری با شیر یک‌طرفه کنترل پمپ” مسدود می‌گردد. مسدودشدگی ناگهانی شیر کنترل پمپ می‌تواند منجر به بروز ضربه فشاری گردد؛ بنابراین غالباً از تجهیزهای میراگر ضربه‌ای نظیر مخازن ضربه‌گیر یا شیرهای تعدیل فشاری استفاده می‌شود. به‌دلیل پیچیدگی اینرسی پمپ، انسداد شیر و اصول هیدرولیکی خط لوله از “تحلیل لحظه‌ای کامپیوتری[۱۳]” برای بررسی بروز/ عدم‌بروز فشارهای ضربه‌ای مفرط استفاده می‌گردد.

معیارهای گزینش شیرهای یک‌طرفه

برای انطباق بهترین نوع از شیر یک‌طرفه با هر کاربری معینی، پارامترهای عملیاتی متعددی باید تعریف گردند. برای هر کاربری معینی، معیارهای گزینشی مذکور در مواردی مهم و در مواردی بی‌اهمیت می‌باشند؛ ولی کل معیارهای مذکور، نقشی را در فرایند گزینشی ایفاء می‌کنند.

شرح تفصیلی معیارهای مذکور در جدول ۱ ارائه شده است:

جدول ۱: معیارهای گزینشی شیرهای یک‌طرفه

هزینه‌های اولیه

هزینه خریداری مدل‌های گوناکون شیرهای یک‌طرفه را می‌توان از توزیع‌کنندگان/ تولیدکنندگان محلی سوال نمود؛ هزینه‌های مذکور برمبنای ویژگی‌ها و سطوح کیفی شیرها بسیار متغیر می‌باشند.

نکته: هزینه خریداری شیرها تنها بخشی از هزینه اولیه می‌باشد.

در مواردی هزینه نصب شیرها حتی از هزینه خریداری آن‌ها نیز بیشتر می‌باشد. برخی از شیرهای یک‌طرفه بسیار متراکم (نوع ویفری) دارای طول قرارگذاری کوتاهی می‌باشند و نیازمند لوله‌کشی‌های کوتاه‌تر و “چاه‌های خشک[۱۴]” یا “شبکه‌های لوله‌کشی” کوتاه‌تر هستند.

با این حال بسیاری از “شیرهای یک‌طرفه متراکم” نیازمند قطرهای ۳ یا ۴ برابری لوله مستقیم بالادستی برای جلوگیری از ارتعاش‌ها و فرسایش زودهنگام شیر می‌باشند. بنابراین لزوماً طول کارگذاری شیرها باید شامل لوله‌کشی بیشتری باشد که به‌وسیله تولیدکننده شیرها پیشنهاد می‌گردد. برخی از شیرها برای مسیرهای لوله‌کشی قائم مطلوب نمی‌باشند؛ بنابراین مستلزم بخش افقی اضافه‌ای از لوله برای جای‌گذاری شیرها می‌باشند؛ و لوله‌کشی اضافی به معنای شبکه‌های لوله بزرگ‌تر است.

انواع معینی از شیرهای یک‌طرفه و اکثر شیرهای یک‌طرفه بزرگ مستلزم کاربرد تکیه‌گاه‌هایی برای تحمل وزن آن‌ها می‌باشند. عموماً تکیه‌گاه‌های وزنی شیرهای یک‌طرفه پیستونی دقیقاً مشابه با اتصال‌های لوله می‌باشد؛ و وزن شیرهای یک‌طرفه پیستونی از طریق خود لوله تحمل می‌گردد. شیرهای یک‌طرفه لولایی بزرگ و شیرهای کنترل پمپ دارای وزن قابل توجهی می‌باشند؛ بنابراین کاربرد بلوک‌های بتی برای تحمل وزن آن‌ها الزامی می‌باشد.

شیرهای کنترل پمپ مستلزم سیم‌کشی الکتریکی و مدارهای کنترلی می‌باشند؛ و همواره در ارتباط با پمپ کار می‌کنند. به‌غیر از هزینه‌های کنترل‌ها و سیم‌کشی “شیرهای کنترل پمپ“، طراحی و زمان راه‌اندازی “شیرهای کنترل پمپ” نیز در قیاس با “شیرهای یک‌طرفه خودکار” بسیار بیشتر می‌باشد. شیرهای کنترل پمپ دارای راه‌اندازهای موتوری نیازمند یک منبع توان الکتریکی می‌باشند؛ و به‌علاوه در مواردی نیازمند یک “سامانه باتری پشتیبان‌” برای اطمینان از انسداد شیر در زمان قطع برق نیز می‌باشند. “سامانه‌های باتری” هزینه‌بر و مستلزم نگهداری دائمی می‌باشند؛ بنابراین عموماً از یک “شیر یک‌طرفه خودکار” در پایین‌دست “شیر کنترل پمپ” برای جلوگیری از توقف جریان سیال پس از قطع برق استفاده می‌گردد.

اکثر راه‌اندازهای موتوری الکتریکی دارای زمان عملیاتی ثابتی هستند و قادر به تطابق با شرایط سایتی سامانه نمی‌باشند، مگر این‌که از “کنترل‌های زمان‌سنج موتوری” استفاده گردد. به‌طور عکس راه‌اندازهای هیدرولیکی امکان تنظیم آسان زمان‌های عملیاتی را میسر می‌سازند ولی نیازمند یک منبع فشاری خارجی هوایی/ آبی/ یا روغنی می‌باشند. در مواردی یک منبع هوایی از قبل دردسترس می‌باشد و در مواردی نیز از یک سامانه کمپرسوری هوایی ساده‌ای به‌همراه مخزن دریافت‌گر بزرگی استفاده می‌گردد. به‌دلیل تراکم‌پذیری هوای داخلی سیلندر راه‌انداز، کاربرد هوا از کارکرد شیر کنترلی در دوره‌های طولانی‌تر از ۱ یا ۲ دقیقه‌ای جلوگیری می‌کند. عموماً فشار آب psig ۸۰، بدون هیچ هزینه‌ای در تأسیسات آبی دردسترس می‌باشد؛ ولی دسترسی به فشار مذکور در “ایستگاه‌های پمپاژ فاضلابی/ تأسیسات فاضلابی” دشوارتر است. با وجود سادگی و کارآیی بالای سیال آب،. کاربرد آب برای کنترل لوله‌کشی و کنترل‌ها می‌تواند خورنده باشد و منجر به افزایش هزینه‌های شیر گردد. “سامانه‌های انباره‌ای روغنی” گران می‌باشند ولی منبع فشاری قابل‌اطمینانی را حتی پس از قطع ناگهانی برق تأمین می‌کنند؛ و افزایش عمر اجزاء کنترلی نظیر شیرهای القائی و سیلندرهای هیدرولیکی را به‌دلیل روان‌کاری روغن در پی دارند.

به‌طور خلاصه در تعیین هزینه اولیه شیرهای یک‌طرفه، طول کارگذاری شیر، طول لوله‌کشی (برای کارگذاری شیر)، هزینه نصب و تکیه‌گاه‌ها و هزینه منابع توان خارجی و سیم‌کشی کنترل نیز باید در نظر گرفته شوند.

هزینه‌های اولیه متداول شیرهای یک‌طرفه ۱۲ اینچی در جدول ۱۲ ارائه شده‌اند:

جدول ۲: هزینه‌های تقریبی شیر یک‌طرفه ۱۲ اینچی

^۱ نیازمند توان خارجی. ^۲ نیازمند بلوک تکیه‌گاهی بتنی.

* Electrical Motor Actuators (EMA) (راه‌انداز موتوری الکتریکی)

 

هزینه‌های نگهداری

معمولاً شیرهایی با اجزاء متحرک بیشتر نیازمند نگهداری بالاتری هستند. یک شیر ساده یک‌طرفه پیستونی به‌دلیل لغزش ساقه دیسک شیر در طول یاتاقان هایی با روغن کاری دائمی قادر به سرویس دائمی برای دهه‌های متوالی، بدون فرایند نگهداری می‌باشد. معمولاً فنرهای شیرهای یک‌طرفه پیستونی تحت آزمایش گواهی طراحی حداقلی ۵۰۰۰۰ سیکلی قرار می‌گیرند و عموماً دوام بیشتری را تا سیکل‌های بالاتری نشان می‌دهند. تنها فرایند نگهداری شیرهای یک‌طرفه پیستونی شامل گوش‌دهی دائمی (دوره‌ای) به صدای شیرها در هنگام عدم‌کارکرد پمپ و تلاش برای شنود صدای ناشی از نشتی نشیمن‌گاه می‌باشد. صداهای نشتی مذکور مشابه صدای هیس‌مانندی می‌باشند که به آسانی از طریق گوشی طبی پزشکی قابل‌شناسایی هستند. پس از بروز نشتی ثابتی در نشیمن‌گاه، آغاز ساییدگی لبه‌های نشیمن‌گاه فلزی شیر و شروع نشتی مفرط نشیمن‌گاهی، ماه‌ها به طول خواهد انجامید. نشتی مذکور منجر به فرسودگی نشیمن‌گاهی در نواحی موضعی می‌گردد و غالباً به‌عنوان طرح سیمی تشریح می‌گردد؛ زیرا فرسودگی مذکور مشابه اثر کشش سیم ظرف‌شویی نازکی در سراسر سطح نشیمن‌گاهی می‌باشد. به‌علاوه سایش نشیمن‌گاه نیز باید در نظر گرفته شود؛ سایش نشیمن‌گاهی در هنگام بازگشایی شیر و در هنگام توقف کاری شیر رخ می‌دهد؛ پایائی بازگشایی شیر برآیندی از جریان چرخشی یا سرعت ناکافی جریان سیال می‌باشد. نصب شیر یک‌طرفه‌ای با اندازه ۳ یا چندبرابری در قیاس با اندازه نازل تخلیه پمپ برای کاهش تلفات هد در مواردی منجر به وسوسه مهندسان می‌گردد. روش اندازهبندی مذکور ستودنی می‌باشد ولی شیرهای یک‌طرفه نیازمند سرعت کمینه‌ای برای کارکرد صحیح می‌باشند. سایش یا چرخش دیسک شیر در طول شرایط جریان ثابت می‌تواند منجر به کاهش عمر بوش و فنر تا کمتر از یک سال گردد. در مواردی کاربرد درایوهای فرکانس‌متغیر منجر به کاهش تولید سرعت‌های کمتر از ft/s ۴ می‌گردد؛ سرعت‌های مذکور میت‌واند از بازگشایی کامل شیر یک‌طرفه و از بروز تلفات هد بالاتری در سراسر شیر جلوگیری کند.

وابسته به نوع مدل انتخابی، برخی از شیرهای یک‌طرفه لولایی نیازمند نگهداری دوره‌ای هزینه‌بری ‌می‌باشند که افزایش هزینه شیر را در پی دارد ولی از سوی دیگر می‌توانند به بهترین یار گروه نگهداری در تأسیسات نیز بدل شوند. در هر دو مورد، بازبینی طرح نگهداری پیشنهادی تولیدکنندگان شیرها و ادغام هزینه‌های طرح نگهداری در هزینه دوره عمر شیرها الزامی می‌باشد. اکثر تولیدکنندگان، راهنمای دستورالعمل‌های خویش را بر روی سایت‌ها قرار می‌دهند؛ بنابراین مطالعه بخش نگهداری عملی راهنمای دستورالعمل‌های مذکور بسیار آسان می‌باشد.

کاربرد یک شیر یک‌طرفه لولایی با اهرم/ و وزنه خارجی مستلزم درزبندی پیرامونی ساقه شیر در محل نفوذ به بدنه شیر می‌باشد. امکان نشتی درزبندهای مذکور بسیار بالا می‌باشد و نگهداری ۲ یا ۳ بار در سال آن‌ها نیز الزامی می‌باشد. به‌علاوه تنظیم درزبندها نیز باید به درستی انجام گیرد. محکم‌سازی اضافی طناب‌های آب‌بندی (پکینگ‌ها) منجر به اصطکاک اضافی و کندی انسداد شیر و ضربه‌زنی شیر می‌گردد.

مزایای “شیرهای یک‌طرفه لولایی ارتجاعی” ناشی از قرارگیری پین لولایی در میان دیسک ارتجاعی و عدم‌ نفوذ آن به بدنه شیر می‌باشد؛ بنابراین هیچ پکینگی وجود ندارد. اصولاً شیر مذکور تنها دارای یک قطعه متحرک یعنی دیسک ارتجاعی می‌باشد؛ بنابراین نیازی به نگهداری دوره‌ای از شیر مذکور وجود ندارد. هر دو نوع از شیرهای یک‌طرفه لولایی دارای یک دهانه دسترسی فوقانی پیچی می‌باشند؛ بنابراین در شرایط شناسایی نشتی، شیرهای مذکور را می‌توان بازرسی و تعمیر نمود (بدون خارج‌سازی شیر از خط لوله).

در هنگام تجهیز شیرهای یک‌طرفه لولایی به میراگرهای هوایی/ یا روغنی، فرایند نگهداری اضافه‌ای موردنیاز می‌باشد. مطابق متون قبلی، قطعه‌های متحرک بیشتر به معنای نگهداری بیشتری می‌باشند. سیلندرها و کنترل‌ها در معرض خوردگی خارجی قرار دارند و بازرسی از آن‌ها در هر دوره حداقلی ۶ ماهه الزامی می‌باشد. غالباً سامانه‌های روغنی دارای مخازن انباره‌ای با فشار هوای معینی می‌باشند؛ فشار هوای داخلی مخازن انباره‌ای باید همواره مورد بازرسی قرار گیرد. در مواردی هوا برای بهره‌برداری از سامانه‌های روغنی (یعنی تغییرمکان میله آن‌ها) الزامی می‌باشد؛ بنابراین در شرایط عدم وجود فشار هوا، سامانه‌های روغنی غیرقابل‌بهره‌برداری می‌گردند و ضربه‌زنی شیر محتمل می‌شود. هوا همواره مسیری را برای خروج از سامانه‌های فشاری شامل اتصال‌ها، درزبندهای سیلندر و حتی مکانیزم‌های گیجی پیدا می‌کند. از طریق اسپری محلول صابون بر روی لوله‌های هوایی می‌توان به آسانی نشتی‌های ریز را نیز شناسایی نمود (ساده‌ترین روش شناسایی نشتی).

شیرهای کنترل پمپ در قیاس با گروه‌های دیگر شیرهای یک‌طرفه نیازمند نگهداری ۱۰ برابری می‌باشند. در مواردی شیر ربع‌گرد نیز نیازمند نگهداری اندکی می‌باشد؛ ولی راه‌انداز شیر معمولاً نیازمند روغن‌کاری می‌باشد؛ و فیلترهای کنترل و پیلوت‌ها نیز نیازمند تمیزکاری دوره‌ای می‌باشند؛ و پایش و تنظیم کنترل‌ها نیز الزامی می‌باشد. به‌دلیل پیچیدگی کنترل‌ها (شامل مدارهای الکتریکی و هیدرولیکی)، نگهداری از آن‌ها باید به‌وسیله کارکنان آموزش‌دیده‌ای انجام شود. معمولاً عقد قراردارد سرویس‌کاری برای اطمینان از کارکرد قابل‌اطمینان تجهیزهای پیچیده‌تر تأسیساتی/نیروگاهی (نظیر کنترل‌ها) متداول می‌باشد. نگهداری از شیرهای کنترل پمپ می‌تواند بسیار هزینه‌بر/ زمان‌بر باشد ولی کارکرد شیرهای مذکور برای جلوگیری از فشارهای ضربه‌ای داخلی خطوط لوله طولانی الزامی می‌باشد. کارکرد/وظیفه الزام‌آور شیرهای کنترل پمپ به معنای لزوم بالاترین سطح سرویس‌کاری شیرهای مذکور است.

تفاوت‌های هزینه‌های نگهداری انواع گوناگون شیرهای یک‌طرفه ۲۴-۱۲ اینچی در جدول ۳ نشان داده شده‌اند:

جدول ۳: هزینه‌های نگهداری تقریبی شیرهای یک‌طرفه

 

تلفات هد

هد تخلیه پمپ بسنده‌ای برای غلبه بر ترکیبی از هد استاتیک و هد اصطکاکی سامانه توزیع الزامی می‌باشد.

هد استاتیک: تفاوت ارتفاع میان منبع و بالاترین نقطه از مخزن آب یا سرویس.

هد اصطکاکی: هد اصطکاکی ناشی از زبری سطح داخلی لوله و اغتشاش‌های جریان موضعی در اتصال‌ها، شیرها و غیره.

شیرهای سامانه پمپاژ و توزیع دارای تنوع گوناگونی می‌باشند، ولی کل شیرها منجر به هد اصطکاکی می‌گردند.

هندسه بدنه شیر، فضای (سطح) عبور کلی جریان از میان شیر را معین می‌کند. برخی از شیرها، سطح عبور جریان را تا پایین‌تر از ۸۰ درصد از سطح‌مقطع لوله کاهش می‌دهند. به‌علاوه سطوح داخلی بدنه و نشیمن‌گاه شیر باید برای جلوگیری از بروز اغتشاش‌های مفرط جریان سیال کاملاً هموار باشند. در مواردی برای دست‌یابی به یک الگوی جریان هموار، بدنه‌ و طول جای‌گذاری شیر در قیاس با اندازه لوله بسیار بزرگ‌تر می‌باشد. در شرایط برابری سطح دهانه شیر با اندازه لوله، عضو انسدادی شیر یا دیسک باید برای آب‌بندی، تاحدی بزرگ‌تر باشد. برای دست‌یابی به سطح عبور جریان کاملی از میان شیر، بدنه شیر لزوماً باید به سوی سطح بیرونی پیرامونی دیسک امتداد یابد (نظیر شیر یک‌طرفه بی‌صدای نوع کروی). شیرهای دیگر نیز از مزایای “نشیمن‌گاه زاویه‌دار (مورب)” استفاده می‌برند؛ به‌طوری‌که اندازه داخلی ‌لوله را می‌توان در سراسر دهانه شیر، بدون افزایش زیاد اندازه بدنه شیر ابقاء نمود (نظیر شیر یک‌طرفه لولایی ارتجاعی).

به دو دلیل ذیل، طراحی عضو انسدادی دارای اهمیت بسزایی در کاهش افت هد می‌باشد:

۱) پایین‌ترین افت هد در شرایطی قابل‌حصول می‌باشد که دیسک شیر در خارج از مسیر جریان نوسان / گردش کند.

۲) دیسک‌ها می‌توانند دارای شکل‌ و طرح خارجی ویژه‌ای برای بازگشایی کامل در سرعت‌های پایین سیال و خلق مسیر جریان همواری در سرتاسر شیر باشند.

در شرایط کنونی ضرائب جریان و فرمول‌های افت هد بسیاری برای رتبه‌بندی انواع شیرها بر مبنای افت هد به‌کار می‌روند. محتملاً متداول‌ترین ضریب جریان شیرهای آبی، ضریب جریان C_v می‌باشد؛

شرح C_v: نرخ جریان آبی (gpm) که از میان شیری با افت فشار psi ۱ عبور می‌کند.

بنابراین شیرهای کارآتر دارای C_v بزرگتری هستند. متأسفانه C_v ها، ارقام نسبتاً بزرگی با گستره تغییر بالا می‌باشند (جدول ۴)؛ ارقام متغیر و بزرگ C_v امکان قیاس شیرهای جایگزین را دشوار می‌سازد. به‌علاوه C_v ها دارای تناسب تقریبی با مربع قطر شیر می‌باشند؛ بنابراین شیرهای بزرگ (مثلاً ۷۲ اینچی) دارای C_vیی به بالایی ۲۵۰۰۰۰ می‌باشند. C_v و “ظرفیت شیر” را نباید با یکدیگر اشتباه گرفت. شیر توپی ۱۲ اینچی دارای C_vیی برابر ۲۲۸۰۰ می‌باشد که از رقم “ظرفیت شیر” مذکور یعنی gpm ۸۵۰۰ یا ft/sec ۳۵ (برطبق AWWA C507) بسیار فراتر می‌باشد. C_v را باید تنها برای محاسبه افت هد و نه برای اظهار ظرفیت جریان شیر به‌کار برد.

ضرائب جریان متداول شیرهای یک‌طرفه ۱۲ اینچی (با رویه افزایشی C_v) در جدول ۴ ارائه شده‌اند:

جدول ۴: انواع شیرها و ضرائب جریان

 

ضریب جریان بهتری برای قیاس شیرها، ضریب مقاومت K_v می‌باشد که در فرمول متداول جریان اتصال‌ها و شیرهای ذیل به‌کار می‌رود:

ΔH=K_v×V^۲/۲g

ΔH: افت هد (فوت از ستون آب)؛

K_v: ضریب مقاومت (شیر)/ (بی‌بعد)؛

V: سرعت سیال (ft/sec)؛

g: شتاب گرانشی (ft/sec^۲).

رابطه K_v و C_v در فرمول ذیل ارائه شده‌اند:

K_v=۸۹۰d^۴/C_v^۲

d: قطر شیر (اینچ).

 

به‌غیر از تشابه مقادیر K_v های انواع گوناگون شیرها، K_v های اندازههای گوناگون شیرها نیز مشابه می‌باشند. برای مثال یک شیر ۱۲ اینچی و یک شیر ۷۲ اینچی (با تشابه هندسی) دارای K_v های تقریباً برابری می‌باشند. به‌دلیل هم‌گونی مذکور، K_v ها برای قیاس شیرها و اتصال‌ها بسیار آرمانی می‌باشند. با اطلاع از ۵/۰K_v= ورودی مربعی لوله‌‌‌کشی، ۵/۱K_v= خط لوله۱۰۰ فوتی فولادی و ۰/۱K_v= خروجی لوله‌کشی، هر مهندسی قادر به درک تأثیر نسبی یک شیر بر افت فشار کلی سامانه لوله‌کشی می‌باشد. برای مثال شیر یک‌طرفه بی‌صدا دارای K_vیی برابر ۹۵/۲ می‌باشد که معادل تلفات تولیدی ناشی از لوله ۲۰۰ فوتی است.

به‌علاوه از طریق K_v ها، قیاس سازندگان گوناکون شیرها، برطبق نوع مشابه‌ای از شیر نیز امکان‌پذیر می‌گردد. برای مثال K_v مندرج برای شیرهای یک‌طرفه بی‌صدای ۱۲ اینچی به‌وسیله ۳ تأمین‌کننده اصلی صنایع آبی امریکا از ۷/۲ تا ۰/۳ تغییر می‌کند. تفاوت میان مقادیر مذکور در زمان قیاس با K_v کلی یک سامانه لوله‌کشی که می‌تواند در گستره ۵۰ تا ۲۰۰ قرار ‌گیرد، قابل توجه نمی‌باشد.

نکته: با وجود ارزش قیاس افت هدهای انواع شیرها، افت هدهای شیر تولیدی مشابه‌ای

توسط سازندگان گوناگون منجر به تغییرهای قابل‌توجه‌ای بر کارکرد سامانه نمی‌گردد.

واقعیت مذکور دلیلی بر مدل‌سازی دقیق رفتار سامانه لوله‌کشی برمبنای “داده‌های عمومی مشخصه شیر” در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری سامانه لوله‌کشی می‌باشد. به‌دلیل تفاوت‌های طراحی جزئی برندهای گوناگون و امکان تغییر شیوه‌های آزمایشی، چشم‌پوشی از تفاوت‌های جزئی داده‌های جریان مندرج به‌وسیله سازندگان گوناگون شیرها نیز امکان‌پذیر می‌باشد.

به‌علاوه شرایط جریان سامانه نیز می‌تواند بر افت هد شیر تأثیرگذار باشد. معادله ΔH نشان‌گر آن است که افت هد در واقع تابعی از مربع سرعت سیال می‌باشد. بنابراین دوبرابرسازی سرعت جریان لوله منجر به افزایش ۴برابری تلفات هد لوله، اتصال و شیر می‌گردد. به دلیل مذکور معمولاً سرعت‌های تخلیه پمپ برای سرعت سیال ft/sec ۱۶- ۸ و سرعت‌های خط لوله ft/sec ۸-۴ طراحی می‌گردند. به‌علاوه سرعت مذکور می‌تواند بر موقعیت باز شیر نیز تأثیرگذار باشد. شیرهای یک‌طرفه لولایی مستلزم سرعت جریان ft/sec ۸- ۴ برای بازگشایی کامل شیر می‌باشند. افت هد شیرهایی با بازشدگی غیرکامل می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی از افت هد مندرج به‌وسیله سازنده شیرهای مذکور بالاتر باشد (حتی تا دو برابر). بنابراین در هنگام اندازهبندی و محاسبه افت هد شیرهای یک‌طرفه لولایی باید از سرعت کمینه کاملاً باز شیر استفاده نمود.

ضرائب شیر و افت هد تابعی از سرعت می‌باشند؛ بنابراین ارزیابی هزینه کلی انرژی مصرفی در قیاس با هزینه‌های لوله الزامی می‌باشد.

نکته: سرعت و اندازه لوله بهینه‌ای وجود دارد که کمترین ارزش کنونی هزینه‌های نصب و هزینه‌های عملیاتی سالانه را تأمین می‌کند.

رهنمودها و فرمول‌های بسیاری برای اجرای تحلیل مذکور دردسترس می‌باشند (پاتون[۱۵]).

هزینه‌های انرژی

هزینه‌های انرژی معمولاً از دو جزء حداقلی تشکیل می‌گردند؛ شارژ انرژی و شارژ تقاضایی.

شارژ انرژی نشان‌گر برق مصرفی با هزینه متداول تقریبی $/kWh ۰۵/۰ می‌باشد؛ و شارژ تقاضایی نشان‌گر هزینه ظرفیت برق تولیدی با شارژ تقریبی $/kWh ۰۰/۱۰می‌باشد. به‌علاوه زمان برق مصرفی (زمان‌های اوج/ غیراوج) به‌همراه صرفه‌جویی‌های ناشی از پمپاژ آب در طول ساعت‌های غیراوج نیز بر شارژ تقاضایی تأثیرگذار می‌باشند.

افت هد شیرها از طریق فرمول AWWA M49 (فرمول ذیل) به هزینه انرژی سالانه ناشی از

برق موردنیاز پمپ برای غلبه بر افت هد اضافی شیر تبدیل می‌گردد:

A=(1.65Q×ΔH×Sg×C×U)/E

A: هزینه انرژی سالانه ($/year)؛

Q: نرخ جریان (gpm)؛

ΔH: افت هد (فوت آب)

S_g: گرانش ویژه (بی‌بعد) (برای آب برابر ۰/۱)؛

C: هزینه برق ($/kWh)؛

U: مصرف، ۱۰۰× درصد (۰/۱ برابر ۲۴ ساعت/ روز)؛

E: برق مصرفی مجموعه پمپ و موتور (نوعاً ۸۰/۰)؛

برای مثال تلفات هد میان یک شیر توپی ۱۲ اینچی (۰۳/۰=K_v) و یک شیر کنترل کروی ۱۲ اینچی (۷/۵=K_v)

واقع در سامانه‌ gpm ۴۵۰۰ (ft/sec ۷۶/۱۲) را از طریق ذیل محاسبه می‌گردد:

ΔH=KV^۲/۲g

ΔH: افت هد (ft.wc)

K: ضریب مقاومت جریان (بی‌بعد)

V: سرعت (ft/sec)؛

g: شتاب گرانشی (ft/sec^۲۲/۳۲)؛

با جای‌گذاری مقادیر فوق داریم:

ΔH=(5.7-0.03) (۱۲.۷۶)۲/۲×۳۲×۲=۱۴.۳ ft.wc

w.c: ستون آب (water column)

سپس تفاوت تلفات هد را می‌توان برای محاسبه اختلاف هزینه‌های عملیاتی سالانه

(با فرض هزینه برق $/kWh ۰۵/۰ و میزان برق مصرفی ۵۰ درصدی) به‌کار برد:

A= (۱.۶۵×۴۵۰۰×۱۴.۳×۱.۰×۰.۰۵×۰.۵)/(۰.۸)=$۳۳۲۰

محاسبه مذکور نشان می‌دهد که کاربرد یک شیر توپی ۱۲ اینچی به‌جای یک شیر کنترل نوع کروی ۱۲ اینچی منجر به صرف‌جویی سالانه ۳۳۲۰ دلاری در هزنه‌های انرژی می‌گردد. بنابراین برای ایستگاه پمپاژی با کارکرد ۴۰ ساله ۴ شیر از نوع مذکور، مجموع صرفه‌جویی‌های اکتسابی در سراسر عمر تأسیسات در حدود ۵۳۰۰۰۰ دلار می‌شود. بدیهی است که هزینه‌های پمپاژ می‌توانند در قیاس با هزینه‌های نصب بسیار بیشتر باشند. به‌علاوه شیرهای بزرگ‌تر نیز دارای تأثیر بیشتری بر هزینه‌های انرژی هستند. قیاس هزینه‌های انرژی ۴۰ ساله انواع گوناگونی از شیرهای یک‌طرفه در جدول ۵ ارائه شده‌اند.

هزینه کلی شیر

هزینه کلی شیر برابر مجموع هزینه اولیه، هزینه‌های نگهداری و هزینه‌های انرژی در سرتاسر عمر شیر می‌باشد (شکل ۳ و جدول ۵):

جدول ۵: هزینه‌های انرژی شیرهای یک‌طرفه برای ۴۰ سال

* برمبنای برق مصرفی ۵۰ درصدی، هزینه $/kWh ۰۵/۰ و سرعت ft/sec ۱۲.

** Electrical Motor Actuators (EMA) (راه‌انداز موتوری الکتریکی)

*** Cylender (CYL) (راه‌انداز سیلندری)

شکل ۳: گرافی از هزینه‌های شیر یک‌طرفه ۱۲ اینچی برای ۴۰ سال

اختصارهای اسامی شیرهای شکل ۳ در جدول ذیل ارائه شده‌اند:

 

نمودار هزینه‌های ۴۰ ساله فوق نشان می‌دهد که “هزینه‌های انرژی” از اهمیت قابل‌توجهی برای شیرهای یک‌طرفه لولایی و پیستونی برخوردارند. به‌طور عکس “هزینه‌های نگهداری” شیرهای کنترلی پمپ، پراهمیت‌ترین هزینه‌ها می‌باشند.

ویژگی‌های غیرضربه‌زنی

غالباً سامانه‌های پمپاژ با مشکل‌های روزانه ناشی از ضربه‌زنی شیرهای یک‌طرفه و اثرهای فشارهای ضربه‌ای ناشی از آن‌ها روبرو می‌گردند. برخی از شیرهای یک‌طرفه پیستونی و شیرهای یک‌طرفه لولایی بسیاری از سامانه‌ها در معرض ضربه‌زنی قرار می‌گیرند. شیرهای کنترل پمپ ―به‌دلیل چرخش آرام و ایمن جزء انسدادی از طریق راه‌انداز در طول دوره زمانی طولانی― عاری از هرگونه ضربه‌زنی می‌باشند.

پژوهش‌های قابل‌توجه‌ای برای فهم اصول دینامیکی ویژگی‌های انسدادی شیرهای یک‌طرفه خودکار گوناگون شامل شیرهای یک‌طرفه توپی، یک‌طرفه لولایی، یک‌طرفه دیسکی مورب، یک‌طرفه دیسکی ارتجاعی، یک‌طرفه دودیسکی و یک‌طرفه بی‌صدا انجام گرفته است (بالون[۱۶]). ضربه‌زنی شیرهای یک‌طرفه در واقع فرایندی دو مرحله‌ای می‌باشد؛ ۱) پس از توقف کاری پمپ‌ها، جریان سیال معکوس می‌گردد و جریان مذکور می‌تواند پیش از انسداد کامل شیر یک‌طرفه، به طور عکس از شیر بگذرد؛ ۲) جزء انسدادی به‌طور ناگهانی مسیر جریان معکوس را می‌بندد. هنگام تغییر ناگهانی سرعت جریان داخلی هر سامانه لوله‌کشی، انرژی جنبشی سیال جاری به فشار تبدیل می‌گردد. به ازاء هر تغییر سرعت ft/sec۱، افزایش ناگهانی فشار تقریبی psig ۵۰ بروز می‌کند. برای بروز هر ضربه‌زنی متعادل تنها به تغییر سرعت ft/sec ۵/۰ و یا افزایش ناگهانی فشار psig ۲۵ نیاز می‌باشد. تغییر ft/sec ۱ و یا افزایش فشار psig ۵۰ می‌تواند منجر به تولید صدای قابل‌شنودی گردد؛ صدای مذکور در کل ساختمان پخش می‌گردد و آزار کارکنان عملیاتی و یا حتی همسایه‌های مجاور را در پی دارد. در هنگام بروز ضربه‌زنی، به نظر می‌رسد که صدای مذکور ناشی از برخورد جزء انسدادی با نشیمن‌گاه شیر می‌باشد؛ ولی در واقع صدای ضربه‌زنی مذکور ناشی از افزایش فشار ناگهانی، کشش آنی دیواره لوله و بروز موج صوتی ضربه قوچ ‌قابل‌شنود می‌باشد. با اطلاع از دلیل ضربه‌زنی یعنی توقف ناگهانی جریان معکوس و فشار ضربه‌ای ناشی از آن که منجر به ضربه‌زنی می‌گردد، هر شیر یک‌طرفه آرمانی پیش از وقوع جریان معکوس مسدود می‌گردد. متأسفانه وابسته به اصول دینامیکی سامانه کاربردی همواره بخشی از جریان سیال به‌طور معکوس از تمامی شیرهای یک‌طرفه می‌گذرد.

آگاهی از پتانسیل ضربه‌زنی شیرهای یک‌طرفه گوناگون و توانایی آن‌ها برای جلوگیری از جریان معکوس از طریق بررسی هندسه شیرها امکان‌پذیر می‌گردد. مطابق متون قبلی بهترین روش جلوگیری از ضربه‌زنی درواقع انسداد بسیار سریع شیرهای یک‌طرفه می‌باشد؛ ولی چه عواملی منجر به انسداد سریع یک شیر می‌گردند؟

محل دیسک دارای تأثیر بسزایی بر فرایند انسدادی می‌باشد. در شرایط تغییرمکان/ یا چرخش لولایی دیسک به خارج از مسیر جریان در هنگام بازگشایی شیر، امکان انسداد سریع شیر از طریق جریان معکوس دشوار می‌باشد. برطبق بررسی قبلی ۳ نوع از “شیرهای یک‌طرفه پیستونی“، جزء انسدادی شیر توپی به‌وسیله جریان به بیرون از مسیر جریان/ و به‌سوی مجرای زاویه‌داری هل داده می‌شود؛ درحالی‌که دیسک “شیر یک‌طرفه بی‌صدا” در مسیر جریان باقی می‌ماند. بنابراین در هنگام برگشت جریان، تأثیر فوری جریان برگشتی بر دیسک “شیر یک‌طرفه بی‌صدا” منجر به انسداد سریع‌تر شیر مذکور در قیاس یا شیر یک طرفه توپی می‌گردد. حتی در شرایط مسدودشدگی “شیر یک‌طرفه بی‌صدا” در زمان تقریبی یک‌دهم ثانیه‌ای نیز جریان معکوسی از میان شیر می‌گذرد ولی مقدار جریان مذکور جزئی می‌باشد. جزء انسدادی کل “شیرهای یک‌طرفه لولایی” در مسیر جریان قرار می‌گیرد و می‌تواند در مسدودشدگی سریع‌تر شیر موثر باشد. متأسفانه دیسک مذکور در شرایط کاملاً باز می‌تواند تاحدی خارج از مسیر جریان قرار گیرد؛ بنابراین بسیاری از شیرهای یک‌طرفه دارای تنظیم‌های “توقف بازی” برای نگاه‌داری جزئی دیسک در مسیر جریان و کاهش ضربه‌زنی می‌باشند.

ویژگی هندسی اصلی شیرها، طول کورس آن‌ها می‌باشد. بدیهی است که طول چرخش طولانی‌تر دیسک‌ها منجر به افزایش زمان انسداد آن‌ها می‌گردد. در قیاس با شیرهای یک‌طرفه پیستونی، شیرهای یک‌طرفه نازلی و بی‌صدا دارای کوتاه‌ترین کورس (یک‌چهارم قطر) و شیرهای یک‌طرفه توپی دارای طولانی‌ترین کورس ( به اندازه قطر) می‌باشند. در قیاس با شیرهای یک‌طرفه لولایی، شیرهای یک‌طرفه لولایی ارتجاعی دارای کوتاه‌ترین کورس (۳۰ درجه‌ای) و شیرهای یک‌طرفه لولایی سنتی دارای طولانی‌ترین کورس (۶۰ تا ۹۰ درجه‌ای) می‌باشند.

در شرایط امکان برآورد کاهش سرعت جریان روبه‌جلو نظیر “تحلیل لحظه‌ای کامپیوتری” سامانه پمپاژ، پتانسیل ضربه‌زنی شیرهای یک‌طرفه گونانون را می‌توان پیش‌بینی نمود. ویژگی‌های غیرضربه‌ای انواع شیرهای یک‌طرفه ۸ اینچی برای کاهش سرعت‌های گوناگون سامانه در شکل ۴ نشان داده شده‌اند. شیرهایی که منحنی‌های آن‌ها تا راست‌ترین نقطه امتداد یافته‌اند دارای بهترین ویژگی‌های غیرضربه‌ای می‌باشند (شکل ۴). سرعت‌های معکوس و ضربه‌های ناشی از آن‌ها می‌توانند برای شیرهای بزرگ‌تر، بالاتر باشند.

شکل ۴: ویژگی‌های غیرضربه‌ای شیرهای یک‌طرفه گوناگون ۸ اینچی

جهت‌گیری جای‌گذاری شیرهای یک‌طرفه خودکار بر روی ویژگی‌های غیرضربه‌ای شیرهای مذکور تأثیرگذار می‌باشد. قطع ‌نظر از نوع طراحی، کل شیرهای یک‌طرفه را می‌توان در موقعیت افقی نصب نمود (حتی با شیب جزئی لوله). با این حال شیرهایی با جای‌گذاری عمودی مستلزم بررسی‌های ویژه‌ای می‌باشند. در کاربری‌های جریان قائم، احتمال افزایش مشکل‌های ضربه‌زنی به‌دلیل معکوس‌شدگی سریع‌تر ستون‌های قائم آب افزایش می‌یابد. به‌علاوه در لوله‌های قائم، دیسک شیر در سطح قائم قرار می‌گیرد و نمی‌تواند از نیروی گرانشی برای انسداد سریع‌تر استفاده کند. با وجود موازن‌سازی دیسک شیر به‌وسیله اهرم، افزایش اینرسی مذکور می‌تواند منجر به بروز جریان سریع معکوسی گردد؛ و “جریان معکوس سریع مذکور“ می‌تواند به‌تندی دیسک شیر را به درون نشیمن‌گاه آن فشرده سازد. بهترین شیرهای کاربری‌های لوله‌ای قائم، شیرهایی با کورس‌های خطی کوتاه یا شیرهایی با نشیمن‌گاه‌های زاویه‌دار می‌باشند.

سازگارپذیری سیال

برای گزینش شیرهای یک‌طرفه، نوع سیال داخلی لوله بسیار کلیدی می‌باشد.

قانون سرانگشتی گزینش شیرهای یک‌طرفه: غلطت‌های بالاتر جامدهای معلق داخلی سیال به معنای لزوم بررسی بیشتری در گزینش شیرهای یک‌طرفه می‌باشد. کل شیرهای یک‌طرفه کنونی بازار قادر به تطابق با آب یا فاضلاب پالوده می‌باشند؛ ولی در کاربری‌های سیال‌هایی نظیر آب شرب، آب غیرپالوده، فاضلاب، فاضلاب غربالی و فاضلاب غیرپالوده، بسیاری از شیرهای یک‌طرفه از فهرست گزینشی خارج می‌گردند. عوامل گوناگونی برای گزینش شیرها باید در نظر گرفته شوند. آیا نشیمن‌گاه شیر در شرایط وجود جامدهای معلق مناسب می‌باشد؟ آیا شفت‌ها، ساقه‌ها، میله‌ها یا دیسک‌ها در مسیر جریان قرار دارند؟ هندسه بدنه شیر نیز دارای تأثیر بسزایی بر گزینش شیر می‌باشد؛ دلیل این امر ناشی از فضاهای خالی و مکان‌های داخلی بدنه شیر و امکان به‌دام‌افتادگی جامدهای معلق سیال در فضاهای مذکور و کاهش عملکرد موثر شیر می‌باشد. محتوای جامدهای معلق بالاتر به معنای ارزش بالاتر کاربرد شیرهایی با “طرح دهانه کامل (یعنی اندازه برابر دهانه شیر و لوله)” برای جلوگیری از تراکم جامدهای معلق می‌باشد؛ تراکم جامدهای معلق منجر به انسداد دهانه شیر می‌گردد. شیرهایی با مسیر جریان هموار و مستقیم دارای پتانسیل کمینه‌ای برای گرفتگی دهانه شیر می‌باشند. برطبق داده‌های فوق کاربرد شیرهای یک‌طرفه بی‌صدا، دودیسکی، دیسکی زاویه‌دار و پروانه‌ای برای فاضلاب‌های حاوی غلظت‌های بالای جامدها غیرقابل‌قبول می‌باشد.

توانایی آب‌بندی

عموماً شیرهای یک‌طرفه یا دارای “آب‌بندهای ارتجاعی” یا “آب‌بندهای فلزی/ به فلزی” می‌باشند. “شیرهای یک‌طرفه کنترلی پمپ‌ها” دارای طرح مهندسی‌ فوق‌العاده‌ای می‌باشند و وابسته به رتبه فشاری شیر می‌توانند مجهز به هر نوع از سطوح نشیمن‌گاهی گردند. برخی از گزینه‌های نشیمن‌گاهی در جدول ۶ ارائه شده‌اند.

هدف از کاربرد نشیمن‌گاه ارتجاعی در واقع تأمین آب‌بندی کاملاً بی‌درزی در بازه‌ای طولانی می‌باشد. بسیاری از الاستومرهای مهندسی برای تحمل شرایط دمایی و شیمیایی گوناگون طراحی شده‌اند. لاستیک‌های نیتریلی (Buna-N)[۱۷] و نئوپرین‌ها[۱۸] دارای مقاومت خوبی در برابر آب و فاضلاب‌ها تا دمای تقریبی °F ۲۰۰ می‌باشند. غالباً برای افزایش مقاومت در برابر کلرامین‌ها[۱۹] و دما از لاستیک سنتزی EPDM [۲۰] استفاده می‌شود. همچنین از لاستیک‌ سنتزی “ویتون®“[۲۱] نیز می‌توان برای دماهای بسیار بالا (یعنی °F ۳۰۰) یا برای افزایش تحمل کلرامینی بالاتر نیز استفاده کرد ولی نباید از “ویتون‌ها®” برای فاضلاب‌های حاوی سولفید هیدروژن استفاده نمود؛

نکته: هزینه ویتون‌ها® در قیاس با لاستیک‌های سنتزی دیگر در حدود ۱۰ برابر به‌ازاء هر پوند می‌باشد.

به‌عنوان مهمترین موضوع، نشیمن‌گاه‌های ارتجاعی دارای توانایی بالایی در تحمل ساییدگی می‌باشند و به‌علاوه قادر به آب‌بندی سطوح ناهموار نیز می‌باشند و معمولاً قابل‌تنظیم نیز هستند. کارآیی بالای نشیمن‌گاه‌های ارتجاعی تا فشارهای psig ۳۰۰ نیز اثبات شده است.

در فشارهای بالاتر، غالباً سازندگان شیرها به سوی طرح‌های نشیمن‌گاهی فلزی سخت یا فلزی انعطاف‌پذیر گرایش می‌یابند. به‌علاوه نشیمن‌گاه‌های فلزی را می‌توان بر روی شیرهای فشار- پایین نیز استفاده نمود ولی برای تولید سطوح آب‌بندی دقیقاً همواری برای درزبندی کامل شیر در فشارهای پایین‌تر از psig ۵۰ به توجه ویژه‌ای نیاز می‌باشد. در فشارهای مذکور نیروهای تماسی سطوح نشیمن‌گاهی برای غلبه بر ذرات سیال و اعوجاج و ناهمواری نشیمن‌گاهی می‌توانند ناکافی باشند. معمولاً استانداردهای شیرها، نرخ نشتی ۱ اونس به‌ازاء هر ساعت در اینچ از اندازه شیر در فشار اسمی را برای شیرهای کنونی نشیمن‌گاهی فلزی تأیید می‌کنند. در فشارهای پایین‌تر، شیرها می‌توانند دارای نرخ نشتی بالاتری باشند و در هنگام قرارگیری در معرض آلودگی سیال (رسوب‌ها یا جامدها)، نرخ نشتی آن‌ها حتی به میزان بیشتری نیز افزایش می‌یابد. نوع نشتی مذکور می‌تواند در بسیاری از کاربری‌ها قابل‌‌پذیرش باشد ولی نشتی طولانی‌مدت همواره می‌تواند منجر به ساییدگی سطوح نشیمن‌گاهی فلزی گردد. هنگام بروز ساییدگی، به‌ویژه در فشارهای بالا مسیرهای نشتی کم‌عمقی در راستای نشیمن‌گاه شیر به‌وجود می‌آیند (مشابه خط ‌اندازی سطوح نشیمن‌گاهی به‌وسیله سیم‌های ظرف‌شویی). بنابراین سازندگان شیرها غالباً برای جلوگیری از “طرح‌های سیمی” مذکور از مواد نشیمن‌گاهی سفتی نظیر “برنز آلومینیومی[۲۲]” استفاده می‌کنند.

به‌طور کلی نشیمن‌گاه‌های فلزی در قیاس با نشیمن‌گاه‌های لاستیکی دارای کارآیی کمتری می‌باشند. برای کاربری‌های فشار- پایینی با فشارهای پایین‌تر از psig ۱۵۰، بهترین سرویس‌ها به‌وسیله نشیمن‌گاه‌های ارتجاعی تأمین می‌گردد. در گستره فشارهای میانی نیز گزینه‌های نشیمن‌گاهی باید برطبق دستورالعمل‌های تولیدکنندگان و ترکیبی از تجربه سایتی و کاربری موردنظر بازبینی گردد.

 

جدول ۶: داده‌های کاربری شیرهای یک‌طرفه

ویژگی‌های جریان

با وجود ویژگی شیرهای یک‌طرفه انسدادی-سریع در جلوگیری از ضربه‌زنی، شیرهای مذکور قادر به حفاظت از سامانه‌های لوله‌کشی طویل در برابر فشارهای ضربه‌ای در طول راه‌اندازی/ خاموش‌سازی پمپ نمی‌باشند. برطبق “فرمول جوکووسکی[۲۳]“، هنگام تغییر سریع سرعت سیال در یک سامانه لوله‌کشی فولادی، انرژی جنبشی سیال قادر به تولید فشارهای ضربه‌های بالا می‌باشد (در حدود psi ۵۰ برای هر ft/sec ۱ از تغییر سرعت). ضربه فشاری مذکور منجر به سر و صداهایی در سامانه لوله‌کشی می‌گردد؛ و منجر به بروز ارتعاش لوله‌های داخلی ساختمان در هنگام انسداد سریع یک شیر می‌گردد. در سامانه‌های لوله‌کشی، فشار ضربه‌ای مذکور در راستای خط لوله منتشر می‌گردد و مجدداً به پمپ برمی‌گردد. در یک لوله آهنی یا فولادی، موج ضربه‌ای با سرعتی معادل ft/sec ۳۵۰۰ منتشر می‌گردد؛ بنابراین در یک سامانه لوله‌کشی طویل ۵ مایلی، تنها در طول ۱۵ ثانیه موج ضربه‌ای طول لوله مذکور را طی می‌کند و مجدداً برمی‌گردد. دوره زمانی مذکور را “دوره بحرانی سامانه” می‌نامند. به‌علاوه بروز هر تغییری در بازه زمانی “دوره بحرانی” مشابه شرایطی با بروز آنی تغییر مذکور می‌باشد. بنابراین در هنگام راه‌اندازی/ خاموش‌سازی هر پمپی در یک سامانه لوله‌کشی طویل، تغییر سرعت ft/sec ۶ به‌طور خودکار ضربه‌ای معادل ۶ برابر psi ۵۰ یا psig ۳۰۰ را تولید می‌کند که به فشار استاتیک سامانه افزوده می‌گردد. چنین فشاری محتملاً فراتر از فشار ایمنی عملیاتی سامانه می‌باشد؛ بنابران در چنین شرایطی کاربرد یک استراتژی کنترل ضربه‌ای الزامی می‌باشد.

استراتژی‌های ضربه‌ای متداول شامل کاربرد پمپ‌های چندتایی، مخازن ضربه‌گیر، شیرهای فشارشکن، پمپ‌های سرعت-متغیر، شیرهای کنترل پمپ، یا ترکیب‌هایی از تجهیزهای مذکور می‌باشد. در زمان کاربرد یک شیر کنترل پمپ به‌عنوان شیر یک‌طرفه، ویژگی‌های جریان شیر دارای تأثیر قابل‌توجه‌ای بر اثربخشی آن دارد. مطلوب‌ترین ویژگی‌ جریان شیرها در واقع تغییر همسان نرخ جریان در زمان کارگذاری در سامانه لوله‌کشی می‌باشد. داده‌های جریان سازندگان شیرها معمولاً شامل “ویژگی‌های ذاتی جریان” می‌باشند که معمولاً به‌فرم “ضریب جریان (C_v)” شیرها در موقعیت‌های گوناگون ارائه می‌گردند. از طریق فرض افت فشار ثابتی برابر psi ۱ در سرتاسر شیرهای متداول و در کل موقعیت‌ها، ویژگی‌های ذاتی شیرها را می‌توان مقایسه کرد (شکل ۵). در بخش چپ منحنی‌های شکل ۵، منحنی شیرهای بازشونده-سریع (نظیر شیر کشویی یا شیر یک‌طرفه لولایی) وجود دارند که تغییر سریعی در نرخ جریان را در هنگام بازگشایی شیر نشان می‌دهند. در بخش راست منحنی‌های شکل ۵ نیز “شیرهای درصد برابر[۲۴]” (نظیر شیر توپی) وجود دارند؛ در شیرهای مذکور با تغییر موقعیت شیرها، نرخ جریان به‌طور یکنواختی تغییر می‌کند. با این حال منحنی‌های مذکور تنها افت هد شیر را منظور می‌کنند و از افت هد سامانه چشم‌پوشی می‌کنند. در مواردی منحنی‌های “ویژگی‌های ذاتی جریان” در هنگام گزینش شیری برای سامانه لوله‌کشی‌ای با خطوط لوله طویل، گمراه‌کننده می‌باشند.

شکل ۵: ویژگی‌های ذاتی جریان

تغییرشکل “منحنی‌های ویژگی‌های ذاتی” برای کاربری‌های معین خط لوله و در راستای لحاظ افت هد نسبی سامانه لوله‌کشی، الزامی می‌باشد. بنابراین در زمان جای‌گذاری شیری نظیر شیر پروانه‌ای در خط لوله، محل منحنی شیر مذکور با افزایش طول خط لوله تغییر می‌کند (شکل ۶). منحنی بخش راستی شکل ۶، “منحنی ذاتی ویژگی‌های جریان” می‌باشد؛ دلیل این امر نیز ناشی از طول صفر فوتی سامانه لوله‌کشی می‌باشد. منحنی‌های دیگر شکل ۶، “منحنی‌های نصبی ویژگی‌های جریان” می‌باشند؛ دلیل این امر نیز ناشی از تغییر منحنی‌های مذکور با افزایش طول سامانه لوله‌کشی می‌باشد. با افزایش طول لوله‌ها، “منحنی‌های ویژگی‌های جریان” شیرهای مشابه به سوی چپ تغییرمکان می‌یابند. بنابراین شیرهای مشابه می‌توانند در سامانه‌های لوله‌کشی معینی به شیرهای “درصدی برابر” و در سامانه‌های دیگری به شیرهای “بازشونده-سریع” بسیار نزدیک شوند. با افزایش طول خطوط لوله‌ها، گرایش شیرها به سوی شیرهای بازشونده- سریع افزایش می‌یابد. شیرهای بازشونده-سریع، نرح جریان را به‌طور ناگهانی تغییر می‌دهند و به‌دلیل کنترل موثر جریان برای تنها نیمی از تغییرمکان شیر، برای بروز ضربه‌های فشاری نیز مستعدتر می‌باشند. به‌طور آرمانی مطلوب‌ترین “منحنی نصبی ویژگی‌های جریان” شیرهای سامانه‌های لوله‌کشی، منحنی خطی‌ای نظیر منحنی میانی شکل ۶ می‌باشد. بنابراین در زمان کارگذاری شیرها در سامانه‌های لوله‌کشی، به‌دلیل تغییرمکان منحنی‌های ذاتی به سوی چپ (شکل ۶) ، شیرهایی با منحنی “درصد برابر“، مطلوب‌ترین شیرها می‌باشند. با رجوع دوباره به شکل ۵، مطلوب‌ترین شیر کاربردی در سامانه‌های لوله‌کشی طویل، شیر توپی خواهد بود.

شکل ۶: ویژگی‌های نصبی جریان

به‌غیر از نوع شیر، اندازه شیر نیز بر منحنی‌های جریان تأثیرگذار می‌باشد. برای مثال کارگذاری یک شیر ۸ اینچی در سامانه‌ای ۱۲ اینچی منجر به تغییرمکان منحنی جریان شیر به سوی راست می‌گردد (شکل ۷). تغییرمکان مذکور به‌دلیل کاهش سریع‌تر نرخ جریان به‌وسیله یک شیر ۸ اینچی در قیاس با شیر ۱۲ اینچی واقع در سامانه‌ای مشابه، منطقی می‌باشد. بنابراین در زمان گزینش شیرها، اندازه و سرعت بیشینه جریان شیر دارای ارزش مشابه‌ای به مانند نوع شیر می‌باشند. عموماً شیرهای توپی از اندازه خط لوله کوچک‌تر می‌باشند؛ دلیل این امر ناشی از افت هد پایین شیرهای مذکور و توانایی آن‌ها برای کارکرد در سرعت‌هایی تا ft/sec ۳۵ می‌باشد.

به‌طور کلی شیرهای توپی از نوع شیرهای پردوام/قوی می‌باشند و دارای بهترین ویژگی‌های جریان هستند و بهترین گزینه برای کنترل پمپ‌های سرویس‌های آب/ و فاضلابی محسوب می‌گردند. حتی با وجود محدودیت‌های شیرهای سماوری به سرعت‌های تقریبی ft/sec ۱۵، دومین گزینه انتخابی برای سرویس‌های فاضلابی شیرهای سماوری می‌باشند؛ دلیل این امر نیز ناشی از طراحی ویژه هندسی بدنه و جزء انسدادی غیرهم‌مرکز شیرهای سماوری برای کاربری‌های فاضلابی می‌باشد. به‌علاوه امکان تعمیر و بازرسی فوقانی شیرهای سماوری بدون خارج‌سازی شیر از خط لوله نیز میسر می‌باشد. هر دو نوع از شیرهای توپی و سماوری را می‌توان برای سرویس‌های کنترل پمپ به راه‌اندازهای هیدرولیکی یا الکتریکی مشابه‌ای مجهز نمود.

شکل ۷: ویژگی‌های نصبی جریان (برطبق اندازه)

روش‌شناسی گزینش شیرها

با درک پنچ معیار گزینش انواع شیرهای یک‌طرفه، مهندس طراح از طریق تصمیم‌گیری منطقی، گستره شیرهای قابل‌کاربرد را کاهش می‌دهد و در انتها بهترین شیر منطبق با کاربری موردنظر را انتخاب می‌کند.

جدول ۷ روش‌شناسی عملی معینی را برای گزینش شیرها تشریح می‌کند؛ در روش‌شناسی مذکور، هر معیاری دارای وزن معینی برای هر کاربری ویژه‌ای می‌باشد. معیارهای مذکور در بالای جدول درج شده‌اند (جدول ۷). انواع شیرهای دردسترس نیز در ستون کناری جدول ۷ درج گردیده‌اند. ستون ویژگی‌های جریان “شیرهای یک‌طرفه خودکار” دارای هیچ عددی نمی‌باشد؛ دلیل این امر ناشی از عدم کاربرد معیار مذکور برای “شیرهای یک‌طرفه خودکار” می‌باشد. به‌طور مشابه ستون “معیار غیرضربه‌ای” نیز برای شیرهای کنترلی دارای هیچ عددی نمی‌باشد؛ زیرا به‌دلیل کارکرد ویژه شیرهای کنترلی، شیرهای مذکور همواره از نوع غیرضربه‌ای می‌باشند. در ارقام مثال جدول ۷، معیارهای “غیرضربه‌ای” و “توانایی آب‌بندی” دارای وزن‌های بالایی می‌باشند؛ زیرا کاربری مثال جدول ۷، منزلی مسکونی با عدم تحمل صدای فشارهای ضربه‌ای توسط ساکنان می‌باشد؛ و مالک ساختمان نیز قادر به تحمل هر گونه نشتی برگشتی به درون پمپ نمی‌باشد. به‌علاوه بر مبنای داده‌های شیرها، رتبه ویژه‌ای نیز برای هر گروهی از انوع شیرها در جدول ۷ درج شده است. در انتها نیز مجموع حاصل‌ضرب وزن معیارها در رتبه‌های هر یک از انواع شیرها نیز در ستون امتیاز کلی درج شده است. از طریق امتیاز کلی مذکور مهندس طراح می‌تواند بهترین شیر منطبق با کاربری موردنظر را شناسایی کند.

در مثال جدول ۷، مهندس طراح باید در شرایط لزوم کاربرد شیر کنترلی از شیر یک‌طرفه لولایی ارتجاعی فنردار (با امتیاز ۶۷) یا شیر توپی (با امتیاز ۵۵) استفاده کند. در شرایط تغییر وزن‌ها و رتبه‌ها، نتایج نیز مسلماً تغییر می‌کنند.

 

جدول ۷: جدول گزینش شیرهای یک‌طرفه‌، با وزن‌ها و رتبه‌‌بندی‌های گوناگون (به‌عنوان نمونه)

 

استنتاج پایانی

گزینش منطقی‌تر شیرهای یک‌طرفه ازطریق آگاهی بالاتر کنونی از ویژگی‌های انواع شیرهای یک‌طرفه مصرفی در کاربری‌های ویژه‌ امکان‌پذیر شده است؛ ویژگی‌های مذکور باید اولویت‌های اختصاصی و پارامترهای سامانه را برآورده سازند. هیچ شیر یک‌طرفه‌ای وجود ندارد که برای کل کاربری‌ها دارای بهترین کارآیی باشد. هر سامانه‌ای دارای معیارهای گزینشی ویژه‌ای با وزن‌های گوناگون می‌باشد؛ بنابراین همواره کاربری‌های مناسبی برای کل شیرهای یک‌طرفه کنونی وجود دارند.

مراجع

۱. American Water Works Association, AWWA M49. “Butterfly Valves: Torque, Head Loss,

and Cavitation Analysis”, ۱st edition, Denver, Colo.

۲. American Water Works Association, AWWA C507. “Ball Valves 6 in. through 60 in”,

Denver, Colo.

۳. American Water Works Association, AWWA C508. “Check Valves 2 in. through 24 in”,

Denver, Colo.

۴. American Water Works Association, AWWA C518. “Dual Disc Check Valves”, Denver,

Colo.

۵. Ballun, John V., (2007). A Methodology for Predicting Check Valve Slam, Journal AWWA,

March 2007, 60-65.

۶. Bosserman, Bayard E. “Control of Hydraulic Transients”, Pumping Station Design,

Butterworth-Heinemann, 2nd ed., 1998, Sanks, Robert L. ed. , pp. 153-171.

۷. Hutchinson, J.W., ISA Handbook of Control Valves, 2nd ed., Instrument Society of America,

۱۹۷۶, pp. 165-179.

۸. Kroon, Joseph R., et. al., “Water Hammer: Causes and Effects”, AWWA Journal, November,

۱۹۸۴, pp. 39-45.

۹. Patton, James L. and Michael B. Horsley, “Curbing the Distribution Energy Appetite,”

Journal AWWA, Vol. 72, No. 6., June, 1980, pp 314-320.