گسترش دامنه‌ی کاربرد شیرهای پلاستیکی

اگرچه شیرهای پلاستیکی گاهی اوقات به عنوان یک محصول تخصصی دیده می‌شوند - انتخاب برتر کسانی که محصولات لوله‌کشی پلاستیکی را برای سیستم‌های صنعتی تولید یا طراحی می‌کنند یا باید تجهیزات فوق‌العاده تمیزی در محل داشته باشند - فرض اینکه این شیرها کاربردهای عمومی زیادی ندارند، کوته‌بینانه است. در واقعیت، شیرهای پلاستیکی امروزه طیف وسیعی از کاربردها را دارند، زیرا انواع رو به گسترش مواد و طراحان خوبی که به این مواد نیاز دارند، به معنای روش‌های بیشتر و بیشتر برای استفاده از این ابزارهای همه‌کاره است.

خواص پلاستیک

مزایای شیرهای ترموپلاستیک شامل موارد زیر است: مقاومت در برابر خوردگی، مواد شیمیایی و سایش؛ دیواره‌های داخلی صاف؛ وزن سبک؛ سهولت نصب؛ طول عمر بالا؛ و هزینه چرخه عمر کمتر. این مزایا منجر به پذیرش گسترده شیرهای پلاستیکی در کاربردهای تجاری و صنعتی مانند توزیع آب، تصفیه فاضلاب، فرآوری فلزات و مواد شیمیایی، مواد غذایی و دارویی، نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌های نفت و موارد دیگر شده است.

شیرهای پلاستیکی را می‌توان از مواد مختلفی که در پیکربندی‌های مختلفی استفاده می‌شوند، ساخت. رایج‌ترین شیرهای ترموپلاستیک از پلی‌وینیل کلرید (PVC)، پلی‌وینیل کلرید کلردار (CPVC)، پلی‌پروپیلن (PP) و پلی‌وینیلیدین فلوراید (PVDF) ساخته می‌شوند. شیرهای PVC و CPVC معمولاً توسط انتهای سوکت سیمانی حلال یا انتهای رزوه‌دار و فلنج‌دار به سیستم‌های لوله‌کشی متصل می‌شوند. در حالی که PP و PVDF نیاز به اتصال اجزای سیستم لوله‌کشی، یا با فناوری‌های حرارتی، لب به لب یا الکتروفیوژن دارند.

شیرهای ترموپلاستیک در محیط‌های خورنده عالی هستند، اما به همان اندازه در خدمات عمومی آب نیز مفید هستند زیرا بدون سرب هستند، در برابر روی‌زدایی مقاوم هستند و زنگ نمی‌زنند. سیستم‌های لوله‌کشی و شیرآلات PVC و CPVC باید از نظر اثرات بهداشتی، از جمله الزام کم سرب برای پیوست G، مطابق با استاندارد ۶۱ NSF [بنیاد ملی بهداشت] آزمایش و تأیید شوند. انتخاب ماده مناسب برای سیالات خورنده را می‌توان با مراجعه به راهنمای مقاومت شیمیایی سازنده و درک تأثیر دما بر استحکام مواد پلاستیکی انجام داد.

اگرچه پلی‌پروپیلن نصف استحکام PVC و CPVC را دارد، اما به دلیل عدم وجود حلال شناخته شده، متنوع‌ترین مقاومت شیمیایی را دارد. PP در اسیدهای استیک غلیظ و هیدروکسیدهای غلیظ عملکرد خوبی دارد و همچنین برای محلول‌های ملایم‌تر اکثر اسیدها، قلیاها، نمک‌ها و بسیاری از مواد شیمیایی آلی مناسب است.

PP به صورت ماده‌ای رنگدانه‌دار یا بدون رنگدانه (طبیعی) موجود است. PP طبیعی به شدت توسط اشعه ماوراء بنفش (UV) تخریب می‌شود، اما ترکیباتی که حاوی بیش از 2.5٪ رنگدانه کربن سیاه هستند، به طور کافی در برابر اشعه ماوراء بنفش پایدار می‌شوند.

سیستم‌های لوله‌کشی PVDF به دلیل استحکام، دمای کار و مقاومت شیمیایی PVDF در برابر نمک‌ها، اسیدهای قوی، بازهای رقیق و بسیاری از حلال‌های آلی، در کاربردهای صنعتی متنوعی از داروسازی گرفته تا معدن مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخلاف PP، PVDF در اثر نور خورشید تخریب نمی‌شود. با این حال، این پلاستیک در برابر نور خورشید شفاف است و می‌تواند سیال را در معرض اشعه ماوراء بنفش قرار دهد. در حالی که یک فرمولاسیون طبیعی و بدون رنگدانه PVDF برای کاربردهای داخلی با خلوص بالا عالی است، افزودن رنگدانه‌ای مانند قرمز مخصوص مواد غذایی، امکان قرار گرفتن در معرض نور خورشید را بدون هیچ گونه اثر نامطلوبی بر محیط سیال فراهم می‌کند.

سیستم‌های پلاستیکی چالش‌های طراحی دارند، مانند حساسیت به دما و انبساط و انقباض حرارتی، اما مهندسان می‌توانند و سیستم‌های لوله‌کشی بادوام و مقرون‌به‌صرفه را برای محیط‌های عمومی و خورنده طراحی کرده‌اند. نکته اصلی در طراحی این است که ضریب انبساط حرارتی پلاستیک‌ها بیشتر از فلز است - به عنوان مثال، ضریب انبساط حرارتی ترموپلاستیک پنج تا شش برابر فولاد است.

هنگام طراحی سیستم‌های لوله‌کشی و در نظر گرفتن تأثیر آن بر محل قرارگیری شیر و تکیه‌گاه‌های شیر، یک نکته مهم در ترموپلاستیک‌ها، افزایش طول حرارتی است. تنش‌ها و نیروهایی که ناشی از انبساط و انقباض حرارتی هستند را می‌توان با ایجاد انعطاف‌پذیری در سیستم‌های لوله‌کشی از طریق تغییرات مکرر در جهت یا ایجاد حلقه‌های انبساطی کاهش داد یا حذف کرد. با ایجاد این انعطاف‌پذیری در امتداد سیستم لوله‌کشی، شیر پلاستیکی نیازی به جذب تنش زیادی نخواهد داشت.

از آنجا که ترموپلاستیک‌ها به دما حساس هستند، با افزایش دما، میزان فشار یک شیر کاهش می‌یابد. مواد پلاستیکی مختلف با افزایش دما، کاهش فشار متناظری دارند. دمای سیال ممکن است تنها منبع حرارتی نباشد که می‌تواند بر میزان فشار شیرهای پلاستیکی تأثیر بگذارد - حداکثر دمای خارجی باید بخشی از ملاحظات طراحی باشد. در برخی موارد، عدم طراحی برای دمای خارجی لوله‌کشی می‌تواند به دلیل عدم وجود تکیه‌گاه لوله، باعث افتادگی بیش از حد شود. حداکثر دمای سرویس PVC، 140 درجه فارنهایت است؛ CPVC حداکثر 220 درجه فارنهایت؛ PP حداکثر 180 درجه فارنهایت؛ و شیرهای PVDF می‌توانند فشار را تا 280 درجه فارنهایت حفظ کنند.

در سوی دیگر مقیاس دما، اکثر سیستم‌های لوله‌کشی پلاستیکی در دماهای زیر صفر درجه سانتیگراد به خوبی کار می‌کنند. در واقع، استحکام کششی در لوله‌های ترموپلاستیک با کاهش دما افزایش می‌یابد. با این حال، مقاومت ضربه‌ای اکثر پلاستیک‌ها با کاهش دما کاهش می‌یابد و شکنندگی در مواد لوله‌کشی آسیب‌دیده ظاهر می‌شود. تا زمانی که شیرها و سیستم لوله‌کشی مجاور دست‌نخورده باشند، در اثر ضربات یا برخورد اشیاء به خطر نیفتند و لوله‌کشی در حین جابجایی نیفتد، اثرات نامطلوب بر لوله‌کشی پلاستیکی به حداقل می‌رسد.

انواع شیرهای ترموپلاستیک

شیرهای توپی، شیرهای یکطرفه، شیرهای پروانه‌ای و شیرهای دیافراگمی در هر یک از مواد ترموپلاستیک مختلف برای سیستم‌های لوله‌کشی تحت فشار رده ۸۰ موجود هستند که دارای گزینه‌های تریم و لوازم جانبی متنوعی نیز می‌باشند. شیر توپی استاندارد معمولاً به عنوان یک طراحی یونیون واقعی شناخته می‌شود که جداسازی بدنه شیر را برای تعمیر و نگهداری بدون ایجاد اختلال در لوله‌کشی اتصال تسهیل می‌کند. شیرهای یکطرفه ترموپلاستیک به صورت چک‌های توپی، چک‌های چرخشی، چک‌های y و چک‌های مخروطی موجود هستند. شیرهای پروانه‌ای به راحتی با فلنج‌های فلزی جفت می‌شوند زیرا با سوراخ‌های پیچ، دایره‌های پیچ و ابعاد کلی ANSI Class 150 مطابقت دارند. قطر داخلی صاف قطعات ترموپلاستیک فقط به کنترل دقیق شیرهای دیافراگمی می‌افزاید.

شیرهای توپی از جنس PVC و CPVC توسط چندین شرکت آمریکایی و خارجی در اندازه‌های ۱/۲ اینچ تا ۶ اینچ با اتصالات سوکتی، رزوه‌دار یا فلنجی تولید می‌شوند. طراحی واقعی اتصال شیرهای توپی امروزی شامل دو مهره است که به بدنه پیچ می‌شوند و آب‌بندی‌های الاستومری را بین بدنه و کانکتورهای انتهایی فشرده می‌کنند. برخی از تولیدکنندگان برای دهه‌ها همان طول قرارگیری شیر توپی و رزوه‌های مهره را حفظ کرده‌اند تا امکان تعویض آسان شیرهای قدیمی‌تر بدون تغییر در لوله‌کشی مجاور فراهم شود.

شیرهای توپی با آب‌بندهای الاستومری اتیلن پروپیلن دین مونومر (EPDM) باید برای استفاده در آب آشامیدنی دارای گواهینامه NSF-61G باشند. آب‌بندهای الاستومری فلوروکربن (FKM) می‌توانند به عنوان جایگزینی برای سیستم‌هایی که سازگاری شیمیایی آنها مورد توجه است، استفاده شوند. FKM همچنین می‌تواند در اکثر کاربردهای مربوط به اسیدهای معدنی، به استثنای کلرید هیدروژن، محلول‌های نمکی، هیدروکربن‌های کلردار و روغن‌های نفتی، مورد استفاده قرار گیرد.

شیرهای توپی PVC و CPVC، از 1/2 اینچ تا 2 اینچ، گزینه مناسبی برای کاربردهای آب گرم و سرد هستند که در آنها حداکثر فشار آب بدون ضربه می‌تواند تا 250 psi در دمای 73 درجه فارنهایت باشد. شیرهای توپی بزرگتر، از 2-1/2 اینچ تا 6 اینچ، دارای درجه فشار پایین‌تری معادل 150 psi در دمای 73 درجه فارنهایت هستند. شیرهای توپی PP و PVDF که معمولاً در انتقال مواد شیمیایی استفاده می‌شوند (شکل‌های 3 و 4)، در اندازه‌های 1/2 اینچ تا 4 اینچ با اتصالات سوکتی، رزوه‌دار یا فلنجی موجود هستند و معمولاً برای حداکثر فشار آب بدون ضربه 150 psi در دمای محیط درجه‌بندی می‌شوند.

شیرهای یکطرفه توپی ترموپلاستیک به یک توپ با وزن مخصوص کمتر از آب متکی هستند، به طوری که اگر فشار در سمت بالادست از بین برود، توپی به سمت سطح آب‌بندی فرو می‌رود. این شیرها را می‌توان در همان سرویس شیرهای یکطرفه پلاستیکی مشابه استفاده کرد زیرا مواد جدیدی را به سیستم وارد نمی‌کنند. انواع دیگر شیرهای یکطرفه ممکن است شامل فنرهای فلزی باشند که ممکن است در محیط‌های خورنده دوام نیاورند.

شیر پروانه‌ای پلاستیکی در اندازه‌های ۲ اینچ تا ۲۴ اینچ برای سیستم‌های لوله‌کشی با قطر بزرگتر محبوب است. تولیدکنندگان شیرهای پروانه‌ای پلاستیکی رویکردهای متفاوتی را در مورد ساخت و سطوح آب‌بندی اتخاذ می‌کنند. برخی از آنها از آستر الاستومری (شکل ۵) یا حلقه O استفاده می‌کنند، در حالی که برخی دیگر از دیسک روکش‌دار الاستومری استفاده می‌کنند. برخی بدنه را از یک ماده می‌سازند، اما اجزای داخلی و مرطوب به عنوان مواد سیستم عمل می‌کنند، به این معنی که بدنه شیر پروانه‌ای پلی‌پروپیلن ممکن است حاوی آستر EPDM و دیسک PVC یا چندین پیکربندی دیگر با ترموپلاستیک‌ها و آب‌بندهای الاستومری رایج باشد.

نصب شیر پروانه‌ای پلاستیکی ساده است زیرا این شیرها به صورت ویفری با آب‌بندهای الاستومری طراحی شده در بدنه ساخته می‌شوند. آنها نیازی به اضافه کردن واشر ندارند. پیچ کردن شیر پروانه‌ای پلاستیکی که بین دو فلنج جفت قرار می‌گیرد، باید با دقت و با افزایش گشتاور پیچ توصیه شده در سه مرحله انجام شود. این کار برای اطمینان از آب‌بندی یکنواخت در سراسر سطح و عدم اعمال فشار مکانیکی ناهموار بر روی شیر انجام می‌شود.

متخصصان شیرآلات فلزی، نمونه‌های برتر شیرآلات دیافراگمی پلاستیکی با چرخ و نشانگرهای موقعیت را آشنا خواهند یافت (شکل 6)؛ با این حال، شیر دیافراگمی پلاستیکی می‌تواند مزایای متمایزی از جمله دیواره‌های داخلی صاف بدنه ترموپلاستیک را داشته باشد. مشابه شیر توپی پلاستیکی، کاربران این شیرآلات می‌توانند طرح اتصال واقعی را نصب کنند که می‌تواند به ویژه برای کارهای تعمیر و نگهداری روی شیر مفید باشد. یا، کاربر می‌تواند اتصالات فلنجی را انتخاب کند. به دلیل وجود تمام گزینه‌های جنس بدنه و دیافراگم، این شیرآلات را می‌توان در کاربردهای شیمیایی متنوعی استفاده کرد.

مانند هر شیر دیگری، کلید فعال‌سازی شیرهای پلاستیکی، تعیین الزامات عملیاتی مانند پنوماتیک در مقابل برق و جریان مستقیم در مقابل جریان متناوب است. اما در مورد شیرهای پلاستیکی، طراح و کاربر باید درک کنند که چه نوع محیطی در اطراف محرک قرار خواهد گرفت. همانطور که قبلاً ذکر شد، شیرهای پلاستیکی گزینه بسیار خوبی برای موقعیت‌های خورنده هستند که شامل محیط‌های خورنده خارجی نیز می‌شود. به همین دلیل، جنس محفظه محرک‌ها برای شیرهای پلاستیکی یک نکته مهم است. تولیدکنندگان شیرهای پلاستیکی گزینه‌هایی برای برآورده کردن نیازهای این محیط‌های خورنده به شکل محرک‌های با پوشش پلاستیکی یا محفظه‌های فلزی با پوشش اپوکسی دارند.

همانطور که این مقاله نشان می‌دهد، شیرهای پلاستیکی امروزه انواع گزینه‌ها را برای کاربردها و موقعیت‌های جدید ارائه می‌دهند.