خلاصه

با توجه به کاربردهای فراوان شیرهای توپی به دلیل افت فشار ناچیز، در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و دیگر صنایع، تکمیل دانش فنی ساخت این شیرها حائز اهمیت است. مهمترین قسمت این شیرها، توپی میباشد. با توجه به اینکه معمولاً جنس توپی این شیرها از فولاد سختکاری شده با پرداخت و آبکاری خاص میباشد، گاز ترش و سیال عبوری باعث خوردگی و کوتاه شدن طول عمر این نوع شیرهای صنعتی میگردد. در این مقاله جهت افزایش دانش فنی ساخت شیر توپی با غلاف تفلونی، رفتار مکانیکی غلاف تفلونی در دماهای متفاوت تحت فشار کار بالا به روش المان محدود و با استفاده از نرمافزار انسیس ورکبنچ پیشبینی شده است. نمودارهای تنش- کرنش واقعی ماده تفلونی 7C از شرکت DeuPont حاکی از تغییر این نمودار در دماهای متفاوت بوده است. بنابراین غلاف تفلونی در دماهای متفاوت رفتار مکانیکی متفاوتی از خود نشان داده است.

 مقدمه

شیر توپی با توجه به ساختار ویژه ای که دارد، امروزه یکی از پرمصرفترین شیرهای صنعتی میباشد. در شبکه های حامل سیالات گازی استفاده از این نوع شیر امری ضروری و لازم میباشد به خصوص اگر نشتی سیال درون سرویس به هر دلیل مشکلی در سیستم یا محیط اطراف آن ایجاد کند. البته امروزه این شیر را در بسیاری از سرویس های انتقال مایعات نیز استفاده مینمایند. این شیر همانند شیر دروازهای از نوع Full Bore میباشند. یعنی در هنگامی که شیر تمام باز است سوراخ توپی شیر هم قطر با لوله ای است که شیر در مسیر آن قرار گرفته است. به این دلیل در مواقعی که بخواهند از لوله جسمی مانند پیگ (PIG) عبور دهند از این نوع شیرها استفاده میکنند. شیر توپی، گازی یا ضربه ای، شـیرهای ساده قـطع و وصـل هسـتند که در آنها از یک مجرابند توپی شکل برای متوقف کردن و راه اندازی دبی سیال در پایین دست شیر استفاده میشود. در شکل 1 یک نمونه از این شیرها نشان داده شده است.

این مجرابندها معمولاً به صورت نیمکره یا کرهای همراه با سوراخ هستند. با چرخش ساقه شیر به سمت موقعیت بازشدن، توپی چرخیده و سوراخی که در وسط آن تعبیه شدهاست در مسیر ورود و خروج سیال قرار میگیرد و در نتیجه سیال از شیر عبور میکند. شیرهای توپی را از حیثهای مختلفی میتوان طبقه بندی نمود. شیرهای توپی از لحاظ شکل ظاهری و بدنه شیر، به آسانی قابل تفکیک و تشخیص هستند؛ بدین صورت که بدنه آنها یا از طریق پیچ و مهره به هم متصل شده اند یا از روش جوشکاری که اگر با پیچ و مهره به هم متصل شده باشند به آنها Split Body و Bolted Body اطلاق میشود و ممکن است بدنه از 2 یا 3 قطعه تشکیل شده باشد. اگر پیچ و مهره ای در مونتاژ بدنه به کار نرفته باشد، در این حالت 2 یا 3 قطعه بدنه از روش جوشکاری باهم متصل شده اند و بعد از جوشکاری یک ساختار یکپارچه پیدا میکنند که به آنها Union Body و Welded Body اطلاق میشود. در شکل 1 نمونه ای از یک شیر توپی صنعتیSplit Body یا Bolted Body و در شکل 2 نمونه ای از یک شیر توپی صنعتی Union Body یا Welded Body نشان داده شده است.

   شکل :1 نمونه ای از یک شیر توپی صنعتی Split Body یا Bolted Body

  شکل :2 نمونه ای از یک شیر توپی صنعتی Union Body و Welded Body

شیرهای توپی از لحاظ نحوه عملکرد و شکل توپی به سایز و کلاس فشاری مختلف طبقه بندی میشوند. معمولا شیرهای توپی در سایزها و کلاس های فشاری پایین تر از نوع Floating به کار میروند و در سایزها و کلاس های فشاری بالاتر از نوع .Trunnion Mounted البته نوع دوم برای تمامی سایزها و کلاس های فشاری قابل بکارگیری میباشد. ولی با توجه به قیمت بالای این نوع، تنها در سایزهایی که نوع اول قابل بکارگیری نیست آنرا تولید و استفاده می‎کنند. نوع Floating ساختار بسیار ساده تر، به تبع آن ساخت و تعمیر آسانتری دارد و با توجه به کمتر بودن قطعات قیمت تمام شده کمتری دارد ولی معمولا تا سایز 8 اینچ در کلاس 150 و 300 تولید می گردند و در کلاس های بالاتر تقریبا کلیه سایزها از نوع Trunnion Mounted ساخته میشوند. نوع Trunnion دارای تعداد قطعات بیشتر، اندازه بزرگتر و قیمت بیشتری است و همه این ها به علت وجود مکانیزمهای بیشتری نسبت به نوع اول است ولی با وجود تمام این موارد این شیر عملکرد و عمر کارکردی بسیار مناسبی در شبکه ها دارد. در نوع Float، عضو توپی داخل بدنه شناور است و با فشار سیال میتواند جابجا شود و تنها با دو رینگ غیر فلزی در ارتباط است که به آن رینگ آب بندی یا Seal Ring میگویند. در نوع Trunnion عضو توپی از طریق دو شفت در داخل بدنه مهار شده و فشار سیال نمی تواند آن را جابجا نماید.[1]

   شکل :3 نمونه ای از یک شیر توپی صنعتی نوع Trunnion با استاندارد API 6D

به کار گیری شیرهای توپی صنعتی در دماها و فشارهای بالا و در معرض مواد با خورندگی زیاد، امری کاملاً معمول است. یکی از مهمترین قطعات داخلی شیر توپی، قطعه کروی داخل آن است که وظیفه ی قطع و وصل جریان را بر عهده دارد. گاز ترش و سیالات خورنده عبوری از شیرهای توپی موجب خرابی اجزای داخلی و به خصوص توپی، به عنوان اصلی ترین و حیاتی ترین جزء یک شیر توپی خواهد شد از سوی دیگر، دما و فشار بالای محیط کاری این شیرها منجر به اعمال تنش های فراوان بر کلیه اجزا و قطعات داخلی شیر و به خصوص توپی خواهد شد و ایجاد تغییر شکلهای پلاستیک بزرگ ناشی از این تنش ها (یا حتی تغییر شکلهای الاستیک با توجه به تلرانسهای طراحی) میتواند منجر به نشتی شیر و خرابی آن گردد. همچنین قطع و وصل مداوم جریان عبوری از شیر (با توجه به فشار بالای سیال) میتواند منجر به یک بارگذاری سیکلی و در نتیجه خستگی اجزای داخلی و به خصوص توپی و در نتیجه خرابی گردد.

 در این مقاله با توجه به پیشنهاد استفاده از یک روکش تفلونی[2] روی توپی داخل شیر جهت مقاومت در برابر خوردگی و تنشهای اعمالی ناشی از فشار کاری بالا[3]، تاثیر دما بر رفتار مکانیکی غلاف تفلونی روی توپی، تحت فشار بالای psi 5000 با در نظر گرفتن تغییر نمودارهای تنش-کرنش واقعی یک نمونه تفلون 7C) از شرکت (DeuPont با تغییرات دما[4]، به روش المان محدود بصورت غیرخطی و با استفاده از شبیه سازی در نرم افزار انسیس ورکبنچ[5] مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

مشخصات مکانیکی بخشهای مختلف شیر توپی

 در جدول 2، مشخصات الاستیک مواد به کار گرفته شده در غلاف توپی ارائه شده است. در شکل 4، شکل 5 و شکل 6، نمودارهای تنش- کرنش واقعی مواد تفلونی 7C در دما و نرخ کرنش متفاوت ارائه شده است.

 جدول :2 مشخصات الاستیک مواد به کار گرفته شده در شیر توپی[5,2]

از آنجایی که تنش به ضریب پواسون وابسته نمیباشد، برای به دست آوردن مدول یانگ ابتدا با تنش به دست آمده و نمودارهای تنش- کرنش ارائه در دمای متفاوت، کرنش استخراج و از تقسیم تنش بر کرنش، مدول یانگ استخراج خواهد شد. برای مثال با توجه به شکل 5، برای تنش تقریبی 40 مگاپاسکال در دمای -40 درجه سانتیگراد با نرخ کرنش 10^-1، کرنش تقریبی 0/1 و در نتیجه مدول یانگ تقریبی 400 مگاپاسکال خواهد بود.[6]

  شکل :4 منحنی تنش- کرنش تفلون 7C در دمای 26 درجه سانتیگراد با نرخ کرنش متفاوت[4]

  شکل :5 منجنی تنش- کرنش واقعی تفلون 7C در دماهای متفاوت با نرخ کرنش 10^-1 و 10^-3 بر ثانیه[5]

شکل :6 منجنی تنش- کرنش واقعی تفلون 7C در دماهای متفاوت با نرخ کرنش 10^-3 بر ثانیه[5]

مدلسازی شیر توپی با غلاف تفلونی

در این بخش یک شیر توپی با استاندارد طراحیAPI 6D، سایز 16 اینچ (DN= 400 mm) و مدل VW1 و با کلاس ASME CLASS 300 FULL BORE مدلسازی گردیده است.

  شکل :7 نمای مختلف از شیر توپی مدل VW1

  شکل :8 مدل سه بعدی بدنه شیر توپی

شکل :9 مدل سه بعدی توپی شیر

  شکل :10 مدل سه بعدی غلاف روی توپی شیر

  شکل :11 مدل سه بعدی شیر توپی

شبیه سازی شیر توپی با غلاف تفلونی 

در صورت نیاز در این بخش المان بندی و شرایط مرزی مورد استفاده در شبیه سازی ارائه خواهد شد. جهت شبیه سازی از 72976 المان Solid 187 و 121326 گره استفاده شده است. در شکل 12 نحوه المان بندی و در شکل 13 نوع المان ارائه شده است. از ناحیه فلنج شیر هیچ نوع درجه آزادی ندارد و فشاری به میزان 5000psi ناشی از سیال به بخشی از غلاف و داخل بدنه شیر وارد میشود. در شکل 14 نحوه اعمال شرط تقارن و در شکل 15 شرایط مرزی اعمالی بر شیر توپی به نمایش در آمده است.

  شکل :12 نمونه المان بندی بخشهای مختلف شیر توپی

  شکل :13 هندسه المان Solid187

   شکل :14 نمایش اعمال شرط تقارن در شبیهسازی شیر توپی

 شکل :15 نمایش شرایط مرزی اعمالی بر شیر توپی

نتایج

همه روابط در این بخش نتایج استخراجی از شبیه سازی رفتار مکانیکی غلاف تفلونی شیر توپی تحت فشار بالا در دمای متفاوت با نرخ کرنش 10-3 ارائه خواهد شد. در شکل 16 الی شکل 21، کانتور تنش معادل ون مایزز و کرنش پلاستیک معادل غلاف تفلونی روی توپی در دمای متفاوت به عنوان نمونه کانتور نتایج ارائه شده است.

  شکل :16 کانتور تنش معادل ون مایزز غلاف تفلونی در دمای -40 درجه

شکل :17 کانتور تنش معادل ون مایزز غلاف تفلونی در دمای 15 درجه

شکل :18 کانتور تنش معادل ون مایزز غلاف تفلونی در دمای 200 درجه

شکل :19 کانتور کرنش پلاستیک معادل غلاف تفلونی دمای صفر درجه

شکل :20 کانتور کرنش پلاستیک معادل غلاف تفلونی دمای 26 درجه

شکل :21 کانتور کرنش پلاستیک معادل غلاف تفلونی دمای 100 درجه

در شکل 22 و شکل 23 به ترتیب روند تغییرات تنش معادل ون مایزز غلاف تفلونی و کرنش پلاستیک معادل با تغییرات دما ارائه شده است.

  شکل :22 روند تغییرات تنش معادل غلاف تفلونی در دمای متفاوت

شکل :23 تغییرات کرنش پلاستیک معادل غلاف تفلونی در دمای متفاوت

شکل :24 مقایسه منحنی تنش- کرنش واقعی و منحنی تنش- کرنش استخراجی از شبیهسازی شیر توپی

نتیجه گیری

 در این مقاله تاثیر دما بر رفتار مکانیکی غلاف تفلونی قرار گرفته بر روی توپی یک شیر توپی استاندارد مورد بررسی قرار گرفته است. این غلاف تحت فشار گازی psi 5000 معادل تقریبی 35 مگاپاسکال قرار گرفته است. دما بر نمودار تنش- کرنش ماده تفلونی 7C تاثیر گذاشته است در نتیجه این تاثیر، رفتار مکانیکی غلاف تفلونی در دمای متفاوت، تغییر کرده است. با افزایش دما تنش معادل ون مایزز کاهش و کرنش پلاستیک معادل افزایش یافته است. با تحلیل نمودارهای ارائه شده در بخش نتایج میتوان نتیجه گرفت که این غلاف در دمای بسیار پایین بسیار کارا و مفید واقع خواهد شد و در دماهای بالا دارای کرنش قابل توجه خواهد بود که استفاده از این غلاف را بدین صورت، محدود خواهد نمود. همچنین نمودار تنش- کرنش حاصل از شبیه سازی استخراج و با تنش- کرنش واقعی مورد مقایسه قرار گرفته است. تطابق خوب دو نمودار حاکی از روند درست شبیه سازی دارد.