Ποιοι είναι οι τρεις τύποι βαλβίδων;

Όταν οι μηχανικοί και οι τεχνικοί αναζητούν "ποιοι είναι οι τρεις τύποι βαλβίδων", συχνά εκπλήσσονται όταν ανακαλύπτουν ότι δεν υπάρχει ενιαία καθολική απάντηση. Η αλήθεια είναι πιο λεπτή από μια απλή λίστα τριών κατηγοριών. Η ταξινόμηση των βαλβίδων εξαρτάται εξ ολοκλήρου από το λειτουργικό πλαίσιο, είτε εργάζεστε με συστήματα υδραυλικής ενέργειας, σωληνώσεις βιομηχανικών διεργασιών ή ενσωμάτωση μηχανικού ενεργοποιητή.

Αυτή η πολυπλοκότητα δεν είναι ένα σφάλμα στην ορολογία της μηχανικής - είναι ένα χαρακτηριστικό. Διαφορετικοί βιομηχανικοί κλάδοι έχουν αναπτύξει τα δικά τους πλαίσια ταξινόμησης επειδή δίνουν προτεραιότητα σε διαφορετικά χαρακτηριστικά βαλβίδων. Ένας σχεδιαστής υδραυλικών συστημάτων εστιάζει στις λειτουργίες ελέγχου, ενώ ένας μηχανικός εγκατάστασης διεργασιών ενδιαφέρεται για το καθήκον σέρβις και ένας τεχνικός συντήρησης πρέπει να κατανοεί τους τύπους μηχανικής κίνησης για την επιλογή ενεργοποιητή και τον χωροταξικό σχεδιασμό.

Σε αυτόν τον περιεκτικό οδηγό, θα εξερευνήσουμε τα τρία πιο έγκυρα πλαίσια ταξινόμησης που καθορίζουν τους τύπους βαλβίδων σε διαφορετικά περιβάλλοντα μηχανικής. Κάθε πλαίσιο αντιπροσωπεύει μια νόμιμη απάντηση στην ερώτηση των «τριών τύπων», που υποστηρίζεται από βιομηχανικά πρότυπα και απαιτήσεις πραγματικών εφαρμογών.

Πλαίσιο Πρώτο: Λειτουργική Ταξινόμηση σε Συστήματα Ρευστοποιίας

Στα υδραυλικά και πνευματικά συστήματα, οι βαλβίδες χρησιμεύουν ως λογικοί εκτελεστές των κυκλωμάτων μετάδοσης ισχύος. Οι τρεις βασικοί τύποι βαλβίδων σε αυτό το πλαίσιο βασίζονται στη λειτουργία ελέγχου: βαλβίδες ελέγχου κατεύθυνσης, βαλβίδες ελέγχου πίεσης και βαλβίδες ελέγχου ροής. Αυτή η ταξινόμηση κυριαρχεί στη μηχανική αυτοματισμού και αναγνωρίζεται ρητά στα πρότυπα ISO 1219 (σύμβολα ρευστής ισχύος) και NFPA T3.10.19.

Βαλβίδες ελέγχου κατεύθυνσης

Οι βαλβίδες ελέγχου (βαλβίδες αντεπιστροφής) είναι συσκευές αυτόματης ενεργοποίησης που ανοίγουν με ροή προς τα εμπρός και κλείνουν με αντίστροφη ροή. Προστατεύουν πρωτίστως τις αντλίες από ζημιές από την αντίστροφη περιστροφή και αποτρέπουν την αποστράγγιση του συστήματος. Σε αντίθεση με άλλους τύπους βαλβίδων, λειτουργούν χωρίς εξωτερικά σήματα ελέγχου—η ορμή και η βαρύτητα υγρού παρέχουν τη δύναμη ενεργοποίησης.

Η εσωτερική αρχιτεκτονική των DCV εμπίπτει σε δύο κυρίαρχες φιλοσοφίες σχεδίασης: βαλβίδες καρούλι και βαλβίδες σωλήνωσης. Οι βαλβίδες μπομπίνας αποτελούνται από ένα επεξεργασμένο κυλινδρικό στοιχείο με ακρίβεια (το καρούλι) με εδάφη και αυλακώσεις που γλιστρούν μέσα σε μια αντίστοιχη οπή. Καθώς το καρούλι κινείται αξονικά, καλύπτει ή αποκαλύπτει θύρες στο σώμα της βαλβίδας, ανακατευθύνοντας τις διαδρομές του υγρού. Αυτός ο σχεδιασμός υπερέχει στην εφαρμογή της πολύπλοκης λογικής μεταγωγής — ένα σώμα μονής βαλβίδας μπορεί να επιτύχει διαμορφώσεις 4 κατευθύνσεων 3 θέσεων ή 5 κατευθύνσεων 2 θέσεων. Ωστόσο, οι βαλβίδες μπομπίνας έχουν ένα εγγενές φυσικό χαρακτηριστικό που ονομάζεται σφράγιση διάκενου. Για να επιτραπεί η ομαλή κίνηση ολίσθησης, πρέπει να υπάρχει ένα ακτινικό διάκενο αρκετών μικρομέτρων μεταξύ του καρουλιού και της οπής. Αυτό δημιουργεί αναπόφευκτη εσωτερική διαρροή (παράκαμψη καρουλιού) υπό πίεση, καθιστώντας τις βαλβίδες μπομπίνας ακατάλληλες για μακροχρόνια συγκράτηση του φορτίου χωρίς βοηθητικές βαλβίδες αντεπιστροφής.

Αντίθετα, οι βαλβίδες σωλήνωσης χρησιμοποιούν ένα κινητό στοιχείο κλεισίματος (κώνος, μπάλα ή δίσκος) που πιέζει πάνω σε μια έδρα κάθετη στη ροή. Αυτό δημιουργεί μια σφράγιση επαφής ή σφράγιση προσώπου. Όταν είναι κλειστό, η πίεση του συστήματος βοηθά στην πραγματικότητα να πιέσει το στοιχείο πιο σφιχτά πάνω στο κάθισμα, επιτυγχάνοντας θετική, σχεδόν μηδενική στεγανοποίηση διαρροής. Αυτό καθιστά τις βαλβίδες σωλήνωσης ιδανικές για εφαρμογές συγκράτησης φορτίου, αποκοπής ασφαλείας και απομόνωσης υψηλής πίεσης. Η διαδρομή είναι συνήθως σύντομη, με αποτέλεσμα εξαιρετικά γρήγορους χρόνους απόκρισης, και η δράση ανοίγματος παρέχει ένα εφέ αυτοκαθαρισμού που δίνει στα σχέδια της κουκούλας ανώτερη ανοχή μόλυνσης σε σύγκριση με τα καρούλια.

Οι προδιαγραφές των DCV ακολουθούν ένα τυπικό σύστημα σημειογραφίας που βασίζεται σε "τρόπους" (αριθμός θυρών υγρού) και "θέσεις" (αριθμός σταθερών καταστάσεων καρουλιού). Μια βαλβίδα 3 θέσεων 4 κατευθύνσεων (4/3), για παράδειγμα, έχει τέσσερις θύρες —πίεση (P), δοχείο (T) και δύο θύρες εργασίας (A, B) — και τρεις σταθερές θέσεις. Η κεντρική κατάσταση των βαλβίδων 3 θέσεων είναι κρίσιμη για τη συμπεριφορά του συστήματος. Ένα κλειστό κέντρο τύπου O μπλοκάρει όλες τις θύρες, κλειδώνοντας τους ενεργοποιητές στη θέση τους αλλά προκαλώντας συσσώρευση πίεσης αντλίας. Ένα κέντρο πλωτήρα τύπου H συνδέει τα A, B και T ενώ μπλοκάρει το P, επιτρέποντας στον ενεργοποιητή να επιπλέει ελεύθερα. Ένα διαδοχικό κέντρο τύπου Y συνδέει τα P και T ενώ μπλοκάρει τα Α και Β, εκφορτώνοντας την αντλία στη δεξαμενή και μειώνοντας την παραγωγή θερμότητας διατηρώντας παράλληλα το κλείδωμα του ενεργοποιητή.

Βαλβίδες ελέγχου πίεσης

Στην υδραυλική φυσική, η πίεση ισούται με δύναμη ανά μονάδα επιφάνειας ($$P = F/A$$). Επομένως, ο έλεγχος της πίεσης του συστήματος είναι ουσιαστικά ο έλεγχος της δύναμης εξόδου του ενεργοποιητή. Οι βαλβίδες ελέγχου πίεσης περιορίζουν τη μέγιστη πίεση του συστήματος ή ρυθμίζουν την τοπική πίεση κυκλώματος για τη διατήρηση ασφαλών συνθηκών λειτουργίας και την επίτευξη των στόχων ελέγχου δύναμης.

Η ανακουφιστική βαλβίδα χρησιμεύει ως ο ακρογωνιαίος λίθος ασφαλείας—μια κανονικά κλειστή βαλβίδα που συνδέεται παράλληλα με το σύστημα. Όταν η πίεση του συστήματος υπερβαίνει το όριο της δύναμης που έχει ρυθμιστεί από το ελατήριο, η βαλβίδα ανοίγει και εκτρέπει την περίσσεια υγρού πίσω στη δεξαμενή, περιορίζοντας έτσι τη μέγιστη πίεση του συστήματος. Αυτό αποτρέπει την καταστροφική βλάβη των εύκαμπτων σωλήνων, των σφραγίδων και των ενεργοποιητών υπό συνθήκες υπερφόρτωσης. Οι βαλβίδες ανακούφισης που λειτουργούν απευθείας ανταποκρίνονται γρήγορα αλλά παρουσιάζουν σημαντική υπέρβαση πίεσης (η διαφορά μεταξύ της πίεσης πυρόλυσης και της πίεσης πλήρους ροής). Οι ανακουφιστικές βαλβίδες που λειτουργούν με πιλότο χρησιμοποιούν μια μικρή πιλοτική βαλβίδα για τον έλεγχο του ανοίγματος της κύριας μπομπίνας, παρέχοντας μια πιο επίπεδη χαρακτηριστική καμπύλη πίεσης ροής που διατηρεί πιο σταθερή την πίεση του συστήματος σε μεγάλες περιοχές ροής. Τα σχέδια που λειτουργούν με πιλότο διευκολύνουν επίσης την απομακρυσμένη ρύθμιση της πίεσης και τις λειτουργίες εκφόρτωσης του συστήματος.

Οι βαλβίδες μείωσης πίεσης λειτουργούν με μια θεμελιωδώς διαφορετική αρχή παρά την οπτική ομοιότητα. Αυτές είναι κανονικά ανοιχτές βαλβίδες εγκατεστημένες σε σειρά μέσα σε ένα κύκλωμα. Μειώνουν τη ροή του γκαζιού για να μειώσουν την πίεση εξόδου και χρησιμοποιούν ανάδραση πίεσης εξόδου για να διατηρήσουν σταθερή μειωμένη πίεση ανεξάρτητα από τις διακυμάνσεις της πίεσης εισόδου. Αυτό είναι απαραίτητο όταν μια μεμονωμένη υδραυλική πηγή πρέπει να εξυπηρετεί πολλαπλά κυκλώματα με διαφορετικές απαιτήσεις πίεσης - για παράδειγμα, ένα κύριο σύστημα που απαιτεί 20 MPa (2900 psi) για τη δύναμη του κυλίνδρου ενώ ένα βοηθητικό κύκλωμα σύσφιξης χρειάζεται μόνο 5 MPa (725 psi).

Οι βαλβίδες ακολουθίας ελέγχουν τη σειρά των λειτουργιών παραμένοντας κλειστές έως ότου η πίεση εισόδου φτάσει σε ένα καθορισμένο σημείο και στη συνέχεια ανοίγουν αυτόματα για να επιτραπεί η ροή στα κατάντη κυκλώματα. Σε αντίθεση με τις ανακουφιστικές βαλβίδες που απορρίπτουν υγρό στη δεξαμενή, οι βαλβίδες ακολουθίας κατευθύνουν τη ροή εξόδου στα κυκλώματα εργασίας και επομένως συνήθως απαιτούν μια εξωτερική σύνδεση αποστράγγισης για να χειριστεί τη διαρροή του θαλάμου ελέγχου χωρίς να μολύνει το σήμα της θύρας εργασίας.

Όταν μετατοπίζουμε το πλαίσιο από τα κυκλώματα ισχύος ρευστού σε εγκαταστάσεις βιομηχανικής διεργασίας - που περιλαμβάνουν πετρέλαιο και φυσικό αέριο, χημική επεξεργασία, επεξεργασία νερού και παραγωγή ενέργειας - οι τρεις τύποι βαλβίδων ταξινομούνται ανάλογα με το καθήκον εξυπηρέτησης στο σύστημα σωληνώσεων. Αυτό το πλαίσιο αναγνωρίζει τις βαλβίδες απομόνωσης, τις βαλβίδες ρύθμισης και τις βαλβίδες αντεπιστροφής ως τη θεμελιώδη τριάδα. Αυτή η ταξινόμηση κυριαρχεί στην ανάπτυξη P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) και αντικατοπτρίζεται σε πρότυπα σωληνώσεων όπως το ASME B31.3 και το API 600.

Βαλβίδες ελέγχου ροής

Οι βαλβίδες ελέγχου ροής ρυθμίζουν τον όγκο του υγρού ανά μονάδα χρόνου μέσω της βαλβίδας, ελέγχοντας έτσι την ταχύτητα του ενεργοποιητή (ταχύτητα επέκτασης/ανάσυρσης κυλίνδρου ή ταχύτητα περιστροφής κινητήρα). Η θεμελιώδης εξίσωση ροής μέσω ενός στομίου είναι$$Q = C_d A \\sqrt{2\\Delta P/\\rho}$$, όπου Q είναι ο ρυθμός ροής, A είναι η περιοχή στομίου και ΔP είναι η διαφορά πίεσης κατά μήκος του στομίου.

Ο απλούστερος έλεγχος ροής είναι μια βελόνα βαλβίδα, που ταξινομείται ως μη αντισταθμισμένη. Από την παραπάνω εξίσωση, η ροή Q εξαρτάται όχι μόνο από την περιοχή ανοίγματος Α αλλά και από την τετραγωνική ρίζα του διαφορικού πίεσης ΔP. Εάν το φορτίο ποικίλλει, το ΔP μεταβάλλεται, προκαλώντας αστάθεια ταχύτητας. Για την επίλυση αυτού του θεμελιώδους προβλήματος, οι βαλβίδες ελέγχου ροής με αντιστάθμιση πίεσης ενσωματώνουν μια εσωτερική βαλβίδα μείωσης πίεσης σταθερής διαφορικής πίεσης (ο αντισταθμιστής) σε σειρά με το στόμιο στραγγαλισμού. Αυτός ο αντισταθμιστής προσαρμόζει αυτόματα το δικό του άνοιγμα με βάση την πίεση φορτίου για να διατηρεί σταθερή ΔP σε όλο το κύριο στόμιο. Με το ΔP να παραμένει σταθερό, η ροή Q γίνεται συνάρτηση μόνο της περιοχής ανοίγματος Α, επιτυγχάνοντας σταθερό έλεγχο ταχύτητας ανεξάρτητο από το φορτίο.

Η θέση του κυκλώματος των βαλβίδων ελέγχου ροής καθορίζει τη μέθοδο ελέγχου ταχύτητας. Ο έλεγχος μετρητή τοποθετεί τη βαλβίδα που ελέγχει τη ροή που εισέρχεται στον ενεργοποιητή. Αυτό ταιριάζει σε εφαρμογές με σταθερά φορτία αντίστασης, αλλά δεν μπορεί να δημιουργήσει αντίθλιψη—όταν αντιμετωπίζετε υπερβαίνοντα φορτία όπως η κίνηση που προκαλείται από τη βαρύτητα, ο ενεργοποιητής θα τρέξει μακριά. Ο έλεγχος εξόδου μετρητή τοποθετεί τη βαλβίδα που ελέγχει τη ροή που εξέρχεται από τον ενεργοποιητή. Χτίζοντας αντίθλιψη στην πλευρά επιστροφής, δημιουργείται πιο άκαμπτη υδραυλική στήριξη που αποτρέπει αποτελεσματικά τη διαφυγή του φορτίου υπέρβασης και παρέχει ανώτερη ομαλότητα της κίνησης. Ωστόσο, η αντίθλιψη μπορεί να προκαλέσει εντατικοποίηση της πίεσης στον θάλαμο εισόδου, απαιτώντας προσεκτική επαλήθευση της ονομαστικής πίεσης κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού.

Πλαίσιο δεύτερο: Ταξινόμηση καθηκόντων εξυπηρέτησης στις σωληνώσεις διεργασίας

Όταν μετατοπίζουμε το πλαίσιο από τα κυκλώματα ισχύος ρευστού σε εγκαταστάσεις βιομηχανικής διεργασίας - που περιλαμβάνουν πετρέλαιο και φυσικό αέριο, χημική επεξεργασία, επεξεργασία νερού και παραγωγή ενέργειας - οι τρεις τύποι βαλβίδων ταξινομούνται ανάλογα με το καθήκον εξυπηρέτησης στο σύστημα σωληνώσεων. Αυτό το πλαίσιο αναγνωρίζει τις βαλβίδες απομόνωσης, τις βαλβίδες ρύθμισης και τις βαλβίδες αντεπιστροφής ως τη θεμελιώδη τριάδα. Αυτή η ταξινόμηση κυριαρχεί στην ανάπτυξη P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) και αντικατοπτρίζεται σε πρότυπα σωληνώσεων όπως το ASME B31.3 και το API 600.

Βαλβίδες απομόνωσης

Οι βαλβίδες απομόνωσης (ονομάζονται επίσης βαλβίδες μπλοκ ή βαλβίδες διακοπής) έχουν σχεδιαστεί για να επιτρέπουν είτε πλήρη ροή είτε πλήρη απόφραξη. Λειτουργούν σε πλήρως ανοιχτές ή πλήρως κλειστές θέσεις και δεν πρέπει ποτέ να χρησιμοποιούνται για σέρβις στραγγαλισμού. Η παρατεταμένη λειτουργία σε μερικώς ανοιχτές θέσεις αναγκάζει το υγρό υψηλής ταχύτητας να διαβρώνει τις επιφάνειες στεγανοποίησης μέσω ενός φαινομένου που ονομάζεται έλξη σύρματος, καταστρέφοντας την απόδοση στεγανοποίησης και οδηγώντας σε καταστροφική διαρροή.

Οι βαλβίδες πύλης αντιπροσωπεύουν τον κλασικό σχεδιασμό γραμμικής διακοπής. Ένας δίσκος σε σχήμα σφήνας κινείται κάθετα προς την κατεύθυνση ροής για να διακόψει τη ροή. Όταν ανοίγει πλήρως, η διαδρομή ροής σχηματίζει έναν ευθύγραμμο αγωγό με ελάχιστη πτώση πίεσης, καθιστώντας τις βαλβίδες πύλης ιδανικές για υπηρεσίες όπου η χαμηλή αντίσταση είναι κρίσιμη. Οι βαλβίδες πύλης διατίθενται σε δύο διαμορφώσεις στελέχους με διαφορετικά λειτουργικά χαρακτηριστικά. Οι βαλβίδες πύλης ανερχόμενου στελέχους (OS&Y—Εξωτερική βίδα και ζυγός) έχουν εξωτερικά σπειρώματα που αναγκάζουν το στέλεχος να ανυψώνεται όταν περιστρέφεται ο χειροτροχός. Αυτό παρέχει οπτική ένδειξη θέσης—το εκτεταμένο στέλεχος σημαίνει ανοιχτό—και κρατά τα νήματα σε επαφή με τα μέσα διεργασίας, αποτρέποντας τη διάβρωση. Αυτά είναι στάνταρ σε συστήματα πυροπροστασίας και κρίσιμες γραμμές διεργασιών όπου η ορατότητα θέσης είναι κρίσιμης σημασίας για την ασφάλεια. Οι βαλβίδες πύλης στελέχους χωρίς ανύψωση (NRS) έχουν το στέλεχος να περιστρέφεται αλλά δεν μετατοπίζεται κατακόρυφα, με τα εσωτερικά σπειρώματα παξιμαδιών ενσωματωμένα στη σφήνα. Αυτός ο σχεδιασμός ελαχιστοποιεί τις απαιτήσεις κατακόρυφου χώρου, καθιστώντας τους κατάλληλους για θαμμένους αγωγούς ή περιορισμένους χώρους, αλλά δεν έχει διαισθητική ένδειξη θέσης και εκθέτει τα νήματα στη διάβρωση των μέσων.

Οι βαλβίδες πύλης απαιτούν λειτουργία πολλαπλών στροφών, που σημαίνει αργό άνοιγμα και κλείσιμο. Ενώ αυτό αποτρέπει το σφυρί νερού, τα καθιστά ακατάλληλα για απενεργοποίηση έκτακτης ανάγκης. Οι επιφάνειες στεγανοποίησης είναι επίσης επιρρεπείς σε θρόμβωση (ψυχρή συγκόλληση μεταλλικών επιφανειών υπό πίεση και τριβή).

Οι σφαιρικές βαλβίδες αντιπροσωπεύουν το σύγχρονο πρότυπο για την περιστροφική διακοπή. Μια σφαίρα με διαμπερή οπή χρησιμεύει ως στοιχείο κλεισίματος. Η περιστροφή 90 μοιρών επιτυγχάνει πλήρη ανοιχτή ή πλήρως κλειστή λειτουργία με ταχύτητα και αποτελεσματικότητα. Οι σφαιρικές βαλβίδες πλήρους θυρίδας έχουν διαμέτρους οπών που ταιριάζουν με τον σωλήνα, με αποτέλεσμα αμελητέα αντίσταση ροής. Ο μηχανισμός στεγανοποίησης διαφέρει θεμελιωδώς μεταξύ των σχεδίων που αιωρούνται με σφαίρα και των σχεδίων που τοποθετούνται σε κορμό. Στις πλωτές σφαιρικές βαλβίδες, η μπάλα στηρίζεται μόνο από τα καθίσματα και «επιπλέει» μέσα στο σώμα. Η πίεση του μέσου ωθεί τη μπάλα στο κάθισμα κατάντη, δημιουργώντας σφιχτή στεγανοποίηση. Αυτός ο σχεδιασμός λειτουργεί για χαμηλή έως μεσαία πίεση και μικρές διαμέτρους, αλλά σε εφαρμογές μεγάλης οπής υψηλής πίεσης, η ροπή λειτουργίας γίνεται τεράστια και τα καθίσματα παραμορφώνονται υπό πίεση. Οι σφαιρικές βαλβίδες που τοποθετούνται σε κορδόνι στερεώνουν μηχανικά τη σφαίρα μεταξύ του άνω και του κάτω κορμού, αποτρέποντας την κίνηση της μπάλας. Η πίεση του μέσου ωθεί τα καθίσματα με ελατήριο προς την μπάλα για να επιτευχθεί στεγανοποίηση. Αυτός ο σχεδιασμός μειώνει δραματικά τη ροπή λειτουργίας και επιτρέπει τη λειτουργία διπλού μπλοκ και εξαέρωσης (DBB), καθιστώντας το την επιλογή API 6D για μετάδοση αγωγών και εφαρμογές υψηλής πίεσης.

Βαλβίδες ρύθμισης

Οι βαλβίδες ρύθμισης (ονομάζονται επίσης βαλβίδες ελέγχου ή βαλβίδες στραγγαλισμού) έχουν σχεδιαστεί για να ρυθμίζουν την αντίσταση ροής και επομένως να ελέγχουν τον ρυθμό ροής, την πίεση ή τη θερμοκρασία. Σε αντίθεση με τις βαλβίδες απομόνωσης, πρέπει να αντέχουν τις υψηλές ταχύτητες, τους στροβιλισμούς και τη σπηλαίωση ή το φλας που συμβαίνουν κατά το μερικό άνοιγμα. Ποτέ δεν ανοίγουν και κλείνουν απλά - ζουν στη ζώνη στραγγαλισμού.

Οι βαλβίδες σφαιρών θέτουν το σημείο αναφοράς για τον έλεγχο ακριβείας. Ένας δίσκος σε σχήμα βύσματος κινείται κατά μήκος της κεντρικής γραμμής ροής. Η εσωτερική διαδρομή ροής σχηματίζει σχήμα S, αναγκάζοντας το υγρό να περάσει από απότομες αλλαγές κατεύθυνσης. Αυτή η ελικοειδής διαδρομή διαχέει τεράστιες ποσότητες ρευστής ενέργειας, επιτρέποντας τη λεπτή διαμόρφωση της ροής. Αλλάζοντας το περίγραμμα του δίσκου (γραμμικό, ίσο ποσοστό, γρήγορο άνοιγμα), οι μηχανικοί μπορούν να καθορίσουν το εγγενές χαρακτηριστικό ροής της βαλβίδας. Τα ίσα ποσοστιαία χαρακτηριστικά είναι πιο κοινά στον έλεγχο διεργασίας επειδή αντισταθμίζουν τις μη γραμμικές αλλαγές πτώσης πίεσης του συστήματος, διατηρώντας σχετικά σταθερό κέρδος βρόχου ελέγχου σε όλο το εύρος διαδρομής. Οι βαλβίδες Globe προσφέρουν εξαιρετική ακρίβεια στραγγαλισμού και σφιχτό κλείσιμο (ο δίσκος και η έδρα συνδέονται σε παράλληλη επαφή), αλλά η υψηλή αντίσταση ροής δημιουργεί σημαντική απώλεια πίεσης.

Οι βαλβίδες πεταλούδας χρησιμοποιούν έναν δίσκο που περιστρέφεται μέσα στο ρεύμα ροής για τον έλεγχο της ροής. Οι παραδοσιακές ομόκεντρες βαλβίδες πεταλούδας εξυπηρετούν απλά συστήματα νερού χαμηλής πίεσης, αλλά οι εκκεντρικές βαλβίδες πεταλούδας έχουν εισέλθει στην αρένα ελέγχου υψηλής απόδοσης. Τα σχέδια διπλής μετατόπισης έχουν τη μετατόπιση του άξονα στελέχους τόσο από το κέντρο του δίσκου όσο και από την κεντρική γραμμή του σωλήνα. Αυτό το φαινόμενο έκκεντρου αναγκάζει τον δίσκο να απομακρυνθεί γρήγορα από το κάθισμα κατά το άνοιγμα, μειώνοντας την τριβή και τη φθορά. Τα σχέδια τριπλής μετατόπισης προσθέτουν μια τρίτη γωνιακή μετατόπιση μεταξύ του άξονα του κώνου του καθίσματος και της κεντρικής γραμμής του σωλήνα. Αυτό επιτυγχάνει πραγματική λειτουργία "χωρίς τριβή", επιτρέποντας σκληρή σφράγιση από μέταλλο σε μέταλλο που φθάνει σε μηδενική διαρροή στεγανή από φυσαλίδες και αντέχει σε ακραίες θερμοκρασίες και πίεση. Οι μεταλλικές βαλβίδες πεταλούδας τριπλής μετατόπισης κυριαρχούν σε σοβαρές εφαρμογές ατμού και υδρογονανθράκων.

Η φυσική του μεγέθους της βαλβίδας απαιτεί επιλογή βάσει υπολογισμών. Ο συντελεστής ροής ($$C_v$$) ορίζει τα γαλόνια ανά λεπτό νερού 60°F που ρέει μέσω της βαλβίδας με πτώση πίεσης 1 psi. Χρησιμεύει ως η καθολική μέτρηση της χωρητικότητας της βαλβίδας. Ο τύπος μεγέθους$$C_v = Q\\sqrt{SG/\\Delta P}$$σχετίζεται με το ρυθμό ροής Q, το ειδικό βάρος SG και την πτώση πίεσης ΔP.

Huomautus:$$F_L$$) χαρακτηρίζει την αντίσταση σπηλαίωσης μιας βαλβίδας. Οι βαλβίδες υδρογείου συνήθως έχουν υψηλή$$F_L$$τιμές (χαμηλή ανάκτηση), παρέχοντας ανώτερη αντίσταση στη σπηλαίωση σε σύγκριση με τις βαλβίδες σφαιρών και πεταλούδων (χαμηλή$$F_L$$, υψηλή ανάκαμψη).

Βαλβίδες αντεπιστροφής

Οι βαλβίδες ελέγχου (βαλβίδες αντεπιστροφής) είναι συσκευές αυτόματης ενεργοποίησης που ανοίγουν με ροή προς τα εμπρός και κλείνουν με αντίστροφη ροή. Προστατεύουν πρωτίστως τις αντλίες από ζημιές από την αντίστροφη περιστροφή και αποτρέπουν την αποστράγγιση του συστήματος. Σε αντίθεση με άλλους τύπους βαλβίδων, λειτουργούν χωρίς εξωτερικά σήματα ελέγχου—η ορμή και η βαρύτητα υγρού παρέχουν τη δύναμη ενεργοποίησης.

Οι βαλβίδες αντεπιστροφής έχουν έναν δίσκο που περιστρέφεται γύρω από έναν πείρο μεντεσέδων. Προσφέρουν χαμηλή αντίσταση ροής, αλλά είναι επιρρεπείς σε κραδασμούς δίσκου σε συνθήκες χαμηλής ταχύτητας ή παλμικής ροής. Σε εφαρμογές με ταχεία αντιστροφή ροής, οι έλεγχοι αιώρησης μπορούν να δημιουργήσουν καταστροφικό υδραυλικό σφυρί καθώς ο δίσκος κλείνει. Οι βαλβίδες αντεπιστροφής ανύψωσης έχουν έναν δίσκο που κινείται κατακόρυφα, παρόμοιος στην κατασκευή με τις βαλβίδες σφαιρών. Παρέχουν σφιχτή στεγανοποίηση και αντέχουν σε υψηλή πίεση, αλλά παρουσιάζουν υψηλή αντίσταση ροής και ευαισθησία σε απόφραξη από θραύσματα. Οι βαλβίδες αντεπιστροφής ανακλινόμενου δίσκου αντιπροσωπεύουν την κορυφαία λύση για μεγάλα αντλιοστάσια (αντιπλημμυρικός έλεγχος, παροχή νερού). Ο άξονας περιστροφής του δίσκου βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια του καθίσματος, δημιουργώντας μια ισορροπημένη δομή αεροτομής. Η σύντομη διαδρομή επιτρέπει εξαιρετικά γρήγορο κλείσιμο με δράση απορρόφησης κραδασμών, μειώνοντας δραματικά τις αιχμές πίεσης του σφυριού νερού.

Πλαίσιο τρίτο: Ταξινόμηση μηχανικής κίνησης για ενσωμάτωση ενεργοποιητή

Το τρίτο σημαντικό πλαίσιο ταξινόμησης κατηγοριοποιεί τις βαλβίδες με βάση τη φυσική τροχιά κίνησης του στοιχείου κλεισίματός τους. Αυτή η προοπτική είναι απαραίτητη για την επιλογή ενεργοποιητή (πνευματικό, ηλεκτρικό, υδραυλικό), τον χωροταξικό σχεδιασμό και την ανάπτυξη στρατηγικής συντήρησης. Οι τρεις τύποι είναι οι βαλβίδες γραμμικής κίνησης, οι βαλβίδες περιστροφικής κίνησης και οι αυτοενεργοποιούμενες βαλβίδες.

Βαλβίδες γραμμικής κίνησης

Οι βαλβίδες γραμμικής κίνησης έχουν στοιχεία κλεισίματος που κινούνται σε ευθεία γραμμή, είτε κάθετα είτε παράλληλα προς την κατεύθυνση ροής. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα περιλαμβάνουν βαλβίδες πύλης, σφαιρικές βαλβίδες, βαλβίδες διαφράγματος και βαλβίδες τσιμπήματος. Η γραμμική κίνηση τυπικά μετατρέπει την περιστροφική ροπή σε τεράστια γραμμική ώθηση μέσω κοχλιωτών μίσχων, παρέχοντας εξαιρετική δύναμη στεγανοποίησης (υψηλή τάση έδρασης μονάδας). Η απόκριση στραγγαλισμού τείνει να είναι πιο γραμμική, κατάλληλη για εφαρμογές ελέγχου υψηλής ακρίβειας. Ωστόσο, το μήκος διαδρομής είναι συνήθως μεγάλο, με αποτέλεσμα τα ψηλά ύψη της βαλβίδας (σημαντικές απαιτήσεις χώρου κεφαλής).

Οι βαλβίδες διαφράγματος και οι βαλβίδες τσιμπήματος αξίζουν ιδιαίτερης προσοχής στα σχέδια γραμμικών βαλβίδων λόγω του μοναδικού χαρακτηριστικού "απομόνωσης μέσων" τους. Αυτές οι βαλβίδες διακόπτουν τη ροή συμπιέζοντας ένα εύκαμπτο διάφραγμα ή ένα ελαστομερές χιτώνιο, απομονώνοντας πλήρως τον μηχανισμό λειτουργίας από τα μέσα διεργασίας. Αυτό παρέχει κρίσιμα πλεονεκτήματα σε εφαρμογές υγιεινής (φαρμακευτικά, τρόφιμα και ποτά) όπου η πρόληψη της μόλυνσης είναι πρωταρχικής σημασίας, και σε εφαρμογές υδαρούς πολτού (εξόρυξη, λύματα) όπου τα λειαντικά σωματίδια θα καταστρέφουν γρήγορα μεταλλικά στοιχεία επένδυσης. Η επιλογή υλικού διαφράγματος ή χιτωνίου (PTFE, EPDM, φυσικό καουτσούκ) γίνεται το κύριο ζήτημα συμβατότητας και όχι η μεταλλουργία του σώματος.

Περιστροφικές βαλβίδες κίνησης

Οι βαλβίδες περιστροφικής κίνησης έχουν στοιχεία κλεισίματος που περιστρέφονται γύρω από έναν άξονα, συνήθως 90 μοίρες για να επιτευχθεί πλήρης διαδρομή. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα περιλαμβάνουν σφαιρικές βαλβίδες, βαλβίδες πεταλούδας και βαλβίδες βύσματος. Αυτά τα σχέδια προσφέρουν συμπαγή δομή, μικρό βάρος και γρήγορη λειτουργία. Διαπρέπουν σε εγκαταστάσεις και εφαρμογές περιορισμένου χώρου που απαιτούν ταχεία ενεργοποίηση. Η δοκιμή πιστοποίησης πυρασφάλειας ανά API 607 ​​ή API 6FA είναι συνηθισμένη για περιστροφικές βαλβίδες σε υπηρεσία υδρογονανθράκων, επαληθεύοντας ότι η εφεδρική σφράγιση από μέταλλο σε μέταλλο εμπλέκεται εάν καούν μαλακά καθίσματα κατά τη διάρκεια εκδήλωσης πυρκαγιάς.

Το προφίλ ροπής των περιστροφικών βαλβίδων είναι μη σταθερό σε όλη τη διαδρομή. Η μέγιστη ροπή εμφανίζεται στο άνοιγμα προς το άνοιγμα (ξεπερνώντας τη στατική τριβή και το διαφορικό πίεσης) και στο τέλος του κλεισίματος (συμπίεση των καθισμάτων στην τελική έδραση). Η ροπή στη μέση διαδρομή είναι κυρίως δυναμική ροπή ρευστού. Το μέγεθος του ενεργοποιητή πρέπει να βασίζεται στη μέγιστη ροπή με κατάλληλους συντελεστές ασφαλείας, συνήθως 1,25 έως 1,50 για κανονική λειτουργία και έως 2,00 για εφαρμογές διακοπής λειτουργίας έκτακτης ανάγκης. Οι πνευματικοί ενεργοποιητές για περιστροφικές βαλβίδες συνήθως χρησιμοποιούν μηχανισμούς οδοντωτών τροχών ή οδοντωτών τροχών. Τα σχέδια Scotch-yoke παράγουν μια καμπύλη εξόδου ροπής σε σχήμα U που ταιριάζει φυσικά με τα χαρακτηριστικά υψηλής ροπής στα τελικά σημεία των σφαιρικών και πεταλούδων βαλβίδων, με αποτέλεσμα υψηλότερη απόδοση και επιτρέποντας μικρότερο μέγεθος ενεργοποιητή.

Αυτοενεργοποιούμενες βαλβίδες

Οι αυτοενεργοποιούμενες βαλβίδες δεν απαιτούν εξωτερική πηγή ενέργειας — ηλεκτρική, πνευματική ή υδραυλική. Λειτουργούν καθαρά από ενέργεια μέσα στα ίδια τα μέσα διεργασίας. Οι βαλβίδες αντεπιστροφής χρησιμοποιούν κινητική ενέργεια ρευστού, οι βαλβίδες ανακούφισης και ασφαλείας χρησιμοποιούν δύναμη στατικής πίεσης και οι αυτολειτουργούμενοι ρυθμιστές πίεσης χρησιμοποιούν ανάδραση ισορροπίας πίεσης. Η απουσία εξωτερικής ισχύος καθιστά αυτές τις βαλβίδες εγγενώς ασφαλείς έναντι αστοχίας για ορισμένες κρίσιμες εφαρμογές.

Ωστόσο, οι αυτοενεργοποιούμενες βαλβίδες παρουσιάζουν χαρακτηριστικά υστέρησης και νεκρής ζώνης λόγω της φυσικής ισορροπίας μεταξύ της δύναμης του ρευστού και της δύναμης μηχανικού ελατηρίου σε συνδυασμό με την τριβή. Η υστέρηση σημαίνει ότι η πίεση ανοίγματος και η πίεση επανατοποθέτησης διαφέρουν—η βαλβίδα «θυμάται» την προηγούμενη κατάστασή της. Το Deadband είναι το εύρος εισόδου στο οποίο δεν πραγματοποιείται αλλαγή εξόδου. Η υπερβολική νεκρή ζώνη προκαλεί αστάθεια στον έλεγχο, ενώ η κατάλληλη υστέρηση (όπως η εκτόνωση στις βαλβίδες εκτόνωσης - η διαφορά μεταξύ της ρυθμισμένης πίεσης και της πίεσης επαναφοράς) είναι απαραίτητη για να αποφευχθεί η φλυαρία της βαλβίδας (γρήγορη ανακύκλωση που καταστρέφει τις έδρες και δημιουργεί επικίνδυνες ταλαντώσεις πίεσης). Πρότυπα όπως το ASME Section VIII Division 1 (κωδικός λέβητα και δοχείου πίεσης) επιβάλλουν συγκεκριμένες απαιτήσεις απόδοσης για αυτοενεργοποιούμενες συσκευές ασφαλείας και ανακούφισης.

Επιλέγοντας το σωστό πλαίσιο ταξινόμησης για την αίτησή σας

Η κατανόηση του ποιο από αυτά τα τρία πλαίσια πρέπει να εφαρμοστεί εξαρτάται από το συγκεκριμένο μηχανολογικό σας πλαίσιο και τις προτεραιότητες λήψης αποφάσεων. Εάν σχεδιάζετε μια αυτοματοποιημένη κυψέλη παραγωγής με υδραυλικούς κυλίνδρους και πρέπει να προγραμματίσετε ακολουθίες κίνησης, η λειτουργική ταξινόμηση ισχύος υγρού (κατεύθυνση, πίεση, ροή) παρέχει τη λογική δομή που χρειάζεστε. Τα διαγράμματα του κυκλώματός σας θα χρησιμοποιούν σύμβολα ISO 1219 που αντιστοιχούν άμεσα σε αυτές τις λειτουργικές κατηγορίες και η προσέγγισή σας αντιμετώπισης προβλημάτων θα εστιάσει σε ποια λειτουργία ελέγχου απέτυχε.

Εάν εγκαθιστάτε ένα εργοστάσιο ή διυλιστήριο χημικών διεργασιών και αναπτύσσετε P&ID, η ταξινόμηση των καθηκόντων εξυπηρέτησης (απομόνωση, ρύθμιση, μη επιστροφή) ευθυγραμμίζεται με το πώς σκέφτονται οι μηχανικοί διεργασιών για τον έλεγχο της ροής υλικών. Τα έγγραφά σας για το πρόγραμμα βαλβίδων θα κατηγοριοποιούν τις βαλβίδες ανά υπηρεσία και οι προδιαγραφές του υλικού σας (API 6D για σφαιρικές βαλβίδες σωληνώσεων, IEC 60534 για βαλβίδες ελέγχου, API 594 για βαλβίδες αντεπιστροφής) ακολουθούν φυσικά αυτό το πλαίσιο. Η διάκριση έχει σημασία για την προμήθεια - μια σφαιρική βαλβίδα απομόνωσης μπορεί να έχει διαφορετικό υλικό επένδυσης, κατηγορία διαρροής καθίσματος και μέγεθος ενεργοποιητή από μια σφαιρική βαλβίδα λειτουργίας στραγγαλισμού ίδιου μεγέθους.

Εάν είστε τεχνικός μηχανικής συντήρησης που σχεδιάζει αντικατάσταση βαλβίδας σε μια αίθουσα εξοπλισμού με συμφόρηση ή επιλέγετε πακέτα ενεργοποίησης, η ταξινόμηση μηχανικής κίνησης (γραμμική, περιστροφική, αυτοενεργοποιούμενη) καθοδηγεί τις πρακτικές σας αποφάσεις. Πρέπει να γνωρίζετε εάν έχετε κατακόρυφο διάκενο για ένα ανερχόμενο στέλεχος, εάν το υπάρχον μοτίβο στερέωσης του ενεργοποιητή σας ταιριάζει σε περιστροφικές βαλβίδες τετάρτου περιστροφής και εάν μπορείτε να έχετε πρόσβαση στη βαλβίδα κατά τη λειτουργία. Αυτή η ταξινόμηση επηρεάζει επίσης τη στρατηγική αποθέματος ανταλλακτικών σας - τα στελέχη και η συσκευασία βαλβίδων γραμμικής κίνησης έχουν διαφορετικά σχέδια φθοράς και διαδικασίες αντικατάστασης σε σύγκριση με τα ρουλεμάν και τις έδρες περιστροφικών βαλβίδων.

Η πραγματικότητα είναι ότι έμπειροι μηχανικοί κινούνται ρευστά μεταξύ αυτών των πλαισίων ανάλογα με την ερώτηση που απαντάται. Μια βαλβίδα ελέγχου σε ένα διυλιστήριο μπορεί ταυτόχρονα να περιγραφεί ως βαλβίδα ελέγχου ροής (λειτουργία ισχύος υγρού), βαλβίδα ρύθμισης (καθήκον υπηρεσίας διεργασίας) και βαλβίδα γραμμικής κίνησης (μηχανική υλοποίηση). Κάθε περιγραφή είναι σωστή εντός του πλαισίου της και η καθεμία παρέχει διαφορετικές πληροφορίες λήψης αποφάσεων. Το κλειδί είναι να αναγνωρίσουμε ότι η ταξινόμηση των βαλβίδων δεν είναι μια άκαμπτη ταξινόμηση αλλά μάλλον ένα ευέλικτο σύνολο εργαλείων προοπτικών.

Τα σύγχρονα πρότυπα βαλβίδων συχνά γεφυρώνουν πολλαπλά πλαίσια. Για παράδειγμα, το IEC 60534 καλύπτει τις βαλβίδες ελέγχου και αντιμετωπίζει τόσο λειτουργικές απαιτήσεις (χαρακτηριστικά ροής, δυνατότητα εμβέλειας) όσο και μηχανικά ζητήματα (προσάρτηση ενεργοποιητή, σχεδιασμός στελέχους). Το API 6D καλύπτει τις βαλβίδες σωληνώσεων και καθορίζει τις επιδόσεις των εργασιών σέρβις (τάξεις απομόνωσης και στραγγαλισμού), ενώ περιγράφει επίσης λεπτομερώς τα μηχανικά χαρακτηριστικά (ανερχόμενο στέλεχος έναντι μη ανερχόμενου στελέχους, απαιτήσεις τοποθέτησης κορμού). Αυτή η διαπλαισιακή ενοποίηση αντικατοπτρίζει τον τρόπο με τον οποίο τα πραγματικά έργα μηχανικής απαιτούν ολιστική κατανόηση και όχι μεμονωμένες κατηγορικές γνώσεις.

Συμπέρασμα: Το πλαίσιο καθορίζει την ταξινόμηση

Όταν κάποιος ρωτά "ποιοι είναι οι τρεις τύποι βαλβίδων", η τεχνικά σωστή απάντηση ξεκινά με μια ερώτηση: τρεις τύποι σύμφωνα με ποιο σύστημα ταξινόμησης; Η απάντηση του μηχανικού ρευστού ενέργειας —κατευθυντικός έλεγχος, έλεγχος πίεσης και έλεγχος ροής—είναι απόλυτα έγκυρη σε περιβάλλοντα υδραυλικού και πνευματικού αυτοματισμού. Η απάντηση του μηχανικού διεργασίας —απομόνωση, ρύθμιση και μη επιστροφή— περιγράφει με ακρίβεια τα καθήκοντα εξυπηρέτησης βιομηχανικών σωληνώσεων. Η απάντηση του μηχανολόγου μηχανικού —γραμμική κίνηση, περιστροφική κίνηση και αυτοενεργοποιούμενη— κατηγοριοποιεί σωστά τις διεπαφές φυσικής υλοποίησης και ενεργοποιητή.

Αυτή η πολλαπλότητα έγκυρων απαντήσεων δεν είναι αποτυχία τυποποίησης, αλλά μάλλον αντανάκλαση του βάθους και του εύρους της μηχανικής βαλβίδων. Οι βαλβίδες λειτουργούν στη διασταύρωση της μηχανικής των ρευστών, της επιστήμης των υλικών, του μηχανικού σχεδιασμού και της θεωρίας ελέγχου. Διαφορετικοί τεχνικοί κλάδοι αναπτύσσουν φυσικά συστήματα ταξινόμησης που ευθυγραμμίζονται με τις προσεγγίσεις επίλυσης προβλημάτων και τις προτεραιότητες λήψης αποφάσεων.

Για μηχανικούς που εργάζονται σε διαφορετικούς κλάδους —όπως εκείνοι που σχεδιάζουν ολοκληρωμένα συστήματα ελέγχου διεργασιών ή διαχειρίζονται προγράμματα αξιοπιστίας περιουσιακών στοιχείων σε ολόκληρη την εγκατάσταση— η κατανόηση και των τριών πλαισίων παρέχει στρατηγικό πλεονέκτημα. Επιτρέπει την αποτελεσματική επικοινωνία με ειδικούς από διαφορετικά υπόβαθρα, υποστηρίζει καλύτερα ενημερωμένες αποφάσεις επιλογής εξοπλισμού και διευκολύνει την πιο ολοκληρωμένη ανάλυση αστοχιών. Όταν μια βαλβίδα αστοχεί, η ερώτηση εάν απέτυχε στη λειτουργία ελέγχου κατεύθυνσης, στο καθήκον σέρβις απομόνωσης ή στη μηχανική ενεργοποίησή της αποκαλύπτει διαφορετικές πτυχές της βασικής αιτίας και καθοδηγεί διαφορετικές διορθωτικές ενέργειες.

Καθώς η τεχνολογία των βαλβίδων προχωρά με ψηφιακούς ρυθμιστές θέσης, ασύρματη παρακολούθηση και προγνωστικούς αλγόριθμους συντήρησης, αυτά τα θεμελιώδη πλαίσια ταξινόμησης παραμένουν σχετικά. Μια έξυπνη βαλβίδα με ενσωματωμένο διαγνωστικό εξακολουθεί να εκτελεί έναν λειτουργικό ρόλο (έλεγχος πίεσης), να εξυπηρετεί ένα καθήκον διεργασίας (γκάζι) και να λειτουργεί μέσω μιας λειτουργίας μηχανικής κίνησης (περιστροφική). Το επίπεδο ψηφιακής νοημοσύνης ενισχύει την απόδοση και την αξιοπιστία, αλλά δεν αντικαθιστά την ανάγκη κατανόησης αυτών των θεμελιωδών κατηγοριοποιήσεων. Είτε προσδιορίζετε βαλβίδες για μια νέα εγκατάσταση, αντιμετωπίζετε προβλήματα σε ένα σύστημα που παρουσιάζει βλάβη ή βελτιστοποιείτε μια υπάρχουσα εγκατάσταση, η σαφήνεια σχετικά με το ποιος τύπος ταξινόμησης έχει σημασία στο συγκεκριμένο σας πλαίσιο είναι το πρώτο βήμα προς την αριστεία της μηχανικής.