شیر پروانه‌ای چیست و چگونه عمل می‌کند؟

شیر پروانه‌ای (Butterfly Valve) نوعی شیر صنعتی است که با استفاده از یک دیسک دایره‌ای شکل جریان سیال را کنترل می‌کند. این دیسک روی یک محور (ساقه یا Stem) قرار دارد و با چرخش آن، مسیر جریان باز، نیمه‌باز یا بسته می‌شود.

تعریف شیر پروانه‌ای

• در حالت باز کامل: دیسک موازی با مسیر جریان قرار می‌گیرد و سیال بدون مانع عبور می‌کند.

• در حالت بسته کامل: دیسک عمود بر مسیر جریان قرار گرفته و مسیر را مسدود می‌سازد.

• در حالت نیمه‌باز: امکان کنترل نسبی دبی جریان فراهم می‌شود.

اصول عملکرد

1. اپراتور یا عملگر، ساقه را می‌چرخاند.

2. دیسک به همراه ساقه حرکت کرده و زاویه آن نسبت به جریان تغییر می‌کند.

3. بسته به زاویه دیسک، مسیر عبور سیال محدود، باز یا بسته می‌شود.

اجزای اصلی شیر پروانه‌ای

• بدنه (Body): ساختار اصلی که دیسک و ساقه در آن قرار دارند.

• دیسک (Disc): صفحه مدوری که وظیفه کنترل جریان را بر عهده دارد.

• ساقه (Stem): محور چرخشی که دیسک را حرکت می‌دهد.

• نشیمنگاه (Seat): بخشی نرم یا فلزی که برای آب‌بندی دیسک استفاده می‌شود.

• عملگر (Actuator): مکانیزمی که حرکت ساقه و دیسک را کنترل می‌کند (دستی، برقی یا پنوماتیکی).

سادگی طراحی در کنار قابلیت قطع و وصل سریع باعث شده شیر پروانه‌ای یکی از پرکاربردترین شیرآلات در سیستم‌های بزرگ و کوچک باشد.

انواع شیر پروانه‌ای بر اساس طراحی و عملکرد

شیرهای پروانه‌ای در مدل‌های مختلف تولید می‌شوند تا متناسب با شرایط نصب، نوع سیال و فشار کاری بهترین کارایی را داشته باشند. هر کدام از این انواع ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

شیر پروانه‌ای ویفری (Wafer Type)

• رایج‌ترین نوع شیر پروانه‌ای.

• بین دو فلنج لوله نصب می‌شود و توسط پیچ و مهره در جای خود محکم می‌گردد.

• طراحی فشرده و سبک دارد.

• کاربرد: خطوط انتقال آب و فاضلاب، سیستم‌های تهویه و کاربردهای عمومی.

شیر پروانه‌ای لاگ (Lug Type)

• دارای سوراخ‌های رزوه‌دار برای نصب بین فلنج‌ها.

• امکان جداسازی یک‌طرفه لوله‌ها بدون نیاز به خارج کردن کامل شیر را فراهم می‌کند.

• کاربرد: صنایع پتروشیمی و خطوطی که نیاز به تعمیرات مقطعی دارند.

شیر پروانه‌ای فلنجی (Flanged Type)

• به‌طور مستقیم با فلنج‌های لوله پیچ و مهره می‌شود.

• مقاومت بالاتری نسبت به نوع ویفری دارد.

• کاربرد: سیستم‌های با فشار بالاتر و لوله‌های بزرگ‌تر.

شیر پروانه‌ای اکسنریک (Eccentric)

• در این مدل، محور دیسک دقیقاً در مرکز بدنه قرار ندارد.

• طراحی به‌گونه‌ای است که هنگام بسته شدن، تماس بیشتری با نشیمنگاه دارد و آب‌بندی بهتری ایجاد می‌کند.

• در مدل‌های پیشرفته‌تر شامل:

  • دابل آفست (Double Offset)

  • تریپل آفست (Triple Offset)

• کاربرد: صنایع نفت و گاز، بخار و سیالات داغ یا خورنده.

این تنوع طراحی باعث می‌شود شیر پروانه‌ای در شرایط کاری متفاوت، از سیستم‌های سبک تا فرآیندهای سنگین صنعتی، قابل استفاده باشد.

متریال و اجزای تشکیل‌دهنده شیر پروانه‌ای

برای عملکرد مطمئن و طولانی‌مدت، اجزای شیر پروانه‌ای باید از متریالی ساخته شوند که با نوع سیال، فشار و دمای کاری سازگار باشد. انتخاب صحیح جنس قطعات باعث افزایش طول عمر شیر و جلوگیری از مشکلاتی مثل نشتی یا خوردگی می‌شود.

بدنه (Body)

• چدنی (Cast Iron): رایج و اقتصادی، مناسب برای آب و فاضلاب.

• فولاد کربنی (Carbon Steel): مقاوم در برابر فشار و دمای بالا.

• استیل ضدزنگ (Stainless Steel): ضدخوردگی، مناسب برای صنایع غذایی و دارویی.

• PVC یا UPVC: سبک، ضدخوردگی و مناسب برای مواد شیمیایی سبک.

دیسک (Disc)

• عنصر متحرک اصلی که جریان را کنترل می‌کند.

• معمولاً از استیل ضدزنگ، آلومینیوم برنز، نیکل یا چدن آبکاری‌شده ساخته می‌شود.

• انتخاب جنس دیسک به نوع سیال (خورنده، بهداشتی یا عمومی) بستگی دارد.

نشیمنگاه (Seat)

• بخشی که دیسک روی آن می‌نشیند و وظیفه آب‌بندی را بر عهده دارد.

• رایج‌ترین متریال‌ها: EPDM، NBR، PTFE (تفلون).

• در مدل‌های فشار و دمای بالا از نشمنگاه فلزی (Metal Seated) استفاده می‌شود.

ساقه (Stem)

• محور چرخشی که دیسک را حرکت می‌دهد.

• معمولاً از فولاد یا استیل سخت‌کاری‌شده ساخته می‌شود تا در برابر سایش و فشار مقاوم باشد.

عملگر (Actuator)

• مکانیزمی برای حرکت دیسک.

• انواع عملگر:

  • دستی (اهرم یا گیربکسی)

  • برقی (Electric Actuator)

  • پنوماتیکی (Pneumatic Actuator)

  • هیدرولیکی (Hydraulic Actuator)

ترکیب این اجزا با متریال مناسب، شیر پروانه‌ای را به ابزاری مطمئن، سبک و اقتصادی برای کنترل سیالات تبدیل کرده است.

مشخصات فنی و معیارهای انتخاب شیر پروانه‌ای

انتخاب درست شیر پروانه‌ای اهمیت زیادی دارد، زیرا در صورت ناهماهنگی با شرایط کاری، می‌تواند باعث نشتی، افت راندمان یا حتی خرابی زودهنگام سیستم شود. معیارهای اصلی انتخاب به شرح زیر است:

سایز و نوع اتصال

• شیر پروانه‌ای در سایزهای کوچک تا قطرهای بسیار بزرگ تولید می‌شود.

• نوع اتصال می‌تواند ویفری، لاگ یا فلنجی باشد که بسته به شرایط لوله‌کشی و فشار کاری انتخاب می‌شود.

فشار و دمای کاری

• هر شیر پروانه‌ای محدوده مشخصی از فشار و دما را تحمل می‌کند.

• برای سیستم‌های فشار بالا، مدل‌های تریپل آفست فلزی مناسب‌ترند.

• در دماهای پایین و کاربردهای عمومی می‌توان از نشیمنگاه‌های لاستیکی مثل EPDM یا NBR استفاده کرد.

نوع سیال و سازگاری متریال

• برای سیالات خورنده باید از بدنه و دیسک استیل ضدزنگ یا آلیاژهای مقاوم استفاده شود.

• در صنایع غذایی و دارویی، متریال بهداشتی با گواهی FDA یا معادل آن ضروری است.

• برای آب و فاضلاب، شیرهای چدنی با دیسک پوشش‌دار اقتصادی‌ترین انتخاب هستند.

عملگر و روش کنترل

• دستی (Lever/Gearbox): مناسب برای سایزهای کوچک و فشار پایین.

• برقی یا پنوماتیکی: برای اتوماسیون و کنترل از راه دور.

• هیدرولیکی: برای سیستم‌های بزرگ و سنگین با فشار بالا.

استانداردها و گواهی‌ها

• تطابق با استانداردهای جهانی مثل API، ISO، DIN برای اطمینان از کیفیت.

• درجه حفاظت عملگرها در برابر گردوغبار و رطوبت (IP65، IP67 یا بالاتر).

• تاییدیه‌های بهداشتی برای صنایع غذایی و دارویی.

با در نظر گرفتن این معیارها، می‌توان شیری انتخاب کرد که هم از نظر ایمنی و دوام مطمئن باشد و هم با فرآیند کاری کاملاً سازگار.

کاربردهای شیر پروانه‌ای در صنایع مختلف

به دلیل طراحی ساده، وزن سبک و هزینه اقتصادی، شیر پروانه‌ای در صنایع گوناگون جایگاه ویژه‌ای دارد. این شیر هم در سیستم‌های کوچک تاسیساتی و هم در خطوط انتقال عظیم کاربرد دارد.

صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

• کنترل و قطع جریان نفت خام، گاز طبیعی و مواد پتروشیمی.

• استفاده در خطوط انتقال بزرگ به‌ویژه در مدل‌های فلنجی و تریپل آفست.

• مقاومت بالا در برابر فشار و دما در شرایط سخت عملیاتی.

صنایع آب و فاضلاب

• متداول‌ترین کاربرد شیر پروانه‌ای.

• کنترل جریان در خطوط انتقال آب آشامیدنی و سیستم‌های توزیع شهری.

• مدیریت جریان و قطع/وصل در تصفیه‌خانه‌ها و ایستگاه‌های پمپاژ.

صنایع غذایی و دارویی

• انتقال مایعات بهداشتی مثل شیر، نوشیدنی‌ها و محلول‌های دارویی.

• نیازمند استفاده از استیل ضدزنگ و نشیمنگاه‌های بهداشتی مثل PTFE.

• سازگار با استانداردهای بهداشتی و قابلیت شست‌وشوی سریع (CIP/SIP).

نیروگاه‌ها و صنایع انرژی

• کنترل جریان آب، بخار یا گاز در سیستم‌های خنک‌کننده و بویلرها.

• استفاده در مدارهای کمکی و اصلی به دلیل قابلیت قطع و وصل سریع.

تاسیسات و HVAC

• کنترل جریان آب سرد و گرم در سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی.

• استفاده در برج‌های خنک‌کننده، چیلرها و خطوط تهویه.

• قابلیت اتصال به عملگرهای برقی و پنوماتیکی برای کنترل هوشمند.

در مجموع، شیر پروانه‌ای به دلیل قیمت مناسب، نصب آسان و کاربری متنوع، یکی از پرمصرف‌ترین شیرآلات صنعتی در جهان به‌شمار می‌رود.

مزایا و محدودیت‌های شیر پروانه‌ای

شیر پروانه‌ای به‌دلیل طراحی ساده و مقرون‌به‌صرفه بودن، یکی از رایج‌ترین شیرآلات صنعتی است. با این حال، مانند هر تجهیز دیگری، نقاط قوت و محدودیت‌های خاص خود را دارد که باید هنگام انتخاب در نظر گرفته شوند.

مزایا

• طراحی فشرده و سبک: وزن کمتر نسبت به شیرهای مشابه مانند شیر دروازه‌ای یا شیر توپی.

• قیمت اقتصادی: تولید ساده و هزینه کمتر، مخصوصاً در سایزهای بزرگ.

• نصب آسان: قابلیت نصب سریع بین فلنج‌ها و اشغال فضای کم.

• عملکرد سریع: امکان باز و بسته شدن کامل تنها با یک چرخش ۹۰ درجه.

• قابلیت کنترل نسبی جریان: با تغییر زاویه دیسک می‌توان دبی را تا حدی تنظیم کرد.

• تنوع متریال: از چدن و فولاد گرفته تا استیل و PVC برای کاربردهای مختلف.

محدودیت‌ها

• کنترل دقیق دبی: برای تنظیم‌های خیلی دقیق مناسب نیست و بیشتر برای قطع و وصل یا کنترل نسبی کاربرد دارد.

• افت فشار: به دلیل وجود دیسک در مسیر جریان، مقداری افت فشار اجتناب‌ناپذیر است.

• محدودیت در فشار و دمای بسیار بالا: در مقایسه با شیرهای توپی یا دروازه‌ای، تحمل کمتری در شرایط فوق‌سنگین دارد.

• احتمال سایش نشیمنگاه: در صورت استفاده با سیالات خورنده یا ذرات جامد، نشیمنگاه سریع‌تر فرسوده می‌شود.

در نتیجه، شیر پروانه‌ای انتخابی ایده‌آل برای سیستم‌های متوسط تا بزرگ با فشار و دمای معمولی است؛ اما در فرآیندهایی که نیاز به کنترل دقیق یا شرایط سخت کاری دارند، گزینه‌های دیگری مناسب‌تر خواهند بود.

نصب و نگهداری شیر پروانه‌ای

برای اینکه شیر پروانه‌ای بتواند سال‌ها بدون مشکل کار کند، باید به‌درستی نصب و به‌طور منظم سرویس شود. رعایت این اصول مانع نشتی، گیر کردن دیسک یا کاهش راندمان خواهد شد.

اصول نصب صحیح

• انتخاب محل مناسب: شیر باید در نقطه‌ای نصب شود که دسترسی به آن برای سرویس و تعمیر آسان باشد.

• رعایت جهت جریان: اگرچه بسیاری از مدل‌ها دوطرفه هستند، اما توصیه می‌شود جهت پیشنهادی سازنده رعایت شود.

• تراز بودن لوله‌ها: فشار ناشی از لوله‌کشی ناصحیح می‌تواند به بدنه یا دیسک آسیب برساند.

• نوع اتصال: بسته به شرایط، اتصال ویفری، لاگ یا فلنجی انتخاب و مطابق استاندارد محکم شود.

نکات ایمنی در نصب

• هنگام نصب، دیسک باید در وضعیت نیمه‌باز باشد تا به نشیمنگاه آسیب وارد نشود.

• دسته یا عملگر باید در موقعیتی نصب شود که مانعی برای حرکت اپراتور ایجاد نکند.

• در محیط‌های پرخطر، استفاده از عملگرهای برقی یا پنوماتیکی با حفاظت ضدانفجار توصیه می‌شود.

نگهداری و سرویس دوره‌ای

• بازبینی نشیمنگاه (Seat): بررسی دوره‌ای برای جلوگیری از نشتی.

• تمیزکاری دیسک و بدنه: جلوگیری از تجمع رسوبات یا خوردگی.

• روانکاری ساقه (Stem): برای حرکت نرم و جلوگیری از سفت شدن.

• بازرسی عملگرها: در مدل‌های برقی یا پنوماتیکی، بررسی کابل‌کشی و اتصالات برای اطمینان از عملکرد صحیح.

با رعایت این اصول، شیر پروانه‌ای می‌تواند سال‌ها در شرایط کاری مختلف عملکردی پایدار، ایمن و اقتصادی داشته باشد.

مشکلات رایج و راهکارهای رفع آن‌ها در شیر پروانه‌ای

هرچند شیر پروانه‌ای به‌خاطر طراحی ساده و دوام بالا شناخته می‌شود، اما در صورت استفاده نادرست یا شرایط کاری سخت، ممکن است دچار مشکلاتی شود. آشنایی با این ایرادها و روش‌های رفع آن‌ها به افزایش عمر مفید شیر کمک می‌کند.

۱. نشتی از نشیمنگاه (Seat Leakage)

• علت: فرسودگی یا آسیب نشیمنگاه لاستیکی یا تفلونی در اثر تماس مداوم با سیالات خورنده یا ذرات جامد.

• راهکار: تعویض نشیمنگاه، استفاده از متریال مقاوم‌تر (مثل PTFE یا فلزی) و نصب فیلتر در مسیر سیال.

۲. سفت شدن یا گیرکردن دیسک

• علت: تجمع رسوبات، زنگ‌زدگی یا خوردگی در بدنه و ساقه.

• راهکار: تمیزکاری منظم، روانکاری ساقه و استفاده از پوشش‌های ضدخوردگی.

۳. خوردگی بدنه یا دیسک

• علت: انتخاب نامناسب متریال برای سیالات خورنده یا شرایط محیطی مرطوب.

• راهکار: استفاده از شیر استیل ضدزنگ یا پوشش‌های اپوکسی برای محیط‌های خورنده.

۴. آسیب به ساقه (Stem)

• علت: اعمال نیروی بیش از حد هنگام باز و بسته کردن یا عدم سرویس دوره‌ای.

• راهکار: بررسی دوره‌ای مکانیزم ساقه، روانکاری و در صورت نیاز تعویض آن.

۵. خرابی عملگر برقی یا پنوماتیکی

• علت: نفوذ رطوبت، گردوغبار یا نوسان ولتاژ.

• راهکار: بررسی منظم اتصالات، استفاده از عملگر با درجه حفاظت (IP) مناسب و تعویض قطعات معیوب.

با رعایت اصول انتخاب صحیح، نصب استاندارد و سرویس دوره‌ای، بیشتر این مشکلات قابل پیشگیری‌اند و شیر پروانه‌ای می‌تواند سال‌ها عملکرد مطمئن داشته باشد.