วาล์วแยก - การเคลื่อนที่แบบหมุน

วาล์วแยก (Isolation valves) ใช้สำหรับเปลี่ยนทิศทางสื่อกระบวนการ อำนวยความสะดวกในการบำรุงรักษา การถอดอุปกรณ์ และการหยุดทำงาน การทำงาน การใช้งาน และการก่อสร้างของวาล์วเคลื่อนที่แบบหมุน (วาล์วเปิด-ปิดแบบหนึ่งในสี่รอบ) รวมถึงวาล์วลูกบอลและวาล์วผีเสื้อ ครอบคลุมในบทเรียนนี้

วาล์วเคลื่อนที่แบบหมุน ซึ่งมักเรียกว่าวาล์วเปิด-ปิดแบบหนึ่งในสี่รอบ รวมถึงวาล์วลูกบอลและวาล์วผีเสื้อ ไม่ว่าจะเป็นวาล์วเคลื่อนที่แบบหมุนประเภทใด ตัวกั้นจะหมุนรอบแกนที่ตั้งฉากกับทิศทางการไหล ของไหลอาจไหลผ่านตัวกั้น เช่น ในกรณีวาล์วลูกบอล หรือไหลรอบตัวกั้น เช่น ในกรณีวาล์วผีเสื้อ วาล์วเคลื่อนที่แบบหมุนมักมีกลไกการทำงานที่เรียบง่าย จึงง่ายต่อการทำให้เป็นอัตโนมัติและบำรุงรักษา

วาล์วลูกบอล (Ball valves)

วาล์วลูกบอลได้รับการพัฒนาในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 และเดิมมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ในระบบเชื้อเพลิงเครื่องบิน ซึ่งน้ำหนักและพื้นที่มีความสำคัญมาก ประกอบด้วยตัวเรือนที่บรรจุลูกบอลหมุนซึ่งมีรูหรือช่องเจาะทะลุโดยตรง ลูกบอลถูกวางตำแหน่งในตัวเรือนโดยแหวนซีลสองตัว การหมุนลูกบอล 90° เปิดและปิดวาล์วและอนุญาตให้ของไหลไหลผ่านรูโดยตรง ในตำแหน่งปิด ด้านทึบของลูกบอลจะปิดกั้นทางเข้าและทางออก ป้องกันการไหลใดๆ มีการออกแบบพื้นฐานสองแบบของวาล์วลูกบอล คือ แบบลูกบอลลอย (floating ball) ที่พึ่งพาที่นั่งวาล์วในการรองรับลูกบอล และแบบลูกบอลบนเพลา (trunnion mounted ball) ที่ใช้เพลาในการรองรับลูกบอล การติดตั้งแบบเพลาใช้กับวาล์วขนาดใหญ่ เนื่องจากสามารถลดแรงบิดในการทำงานเหลือประมาณสองในสามของแบบลูกบอลลอย ตามปกติ ด้ามจับที่ต่อกับลูกบอลจะอยู่ในแนวเดียวกับแกนของท่อเมื่อวาล์วเปิด ในทางกลับกัน หากอยู่ในแนวตั้งฉากกับแกนท่อ แสดงว่าวาล์วปิด

วาล์วลูกบอลมีทั้งแบบรูลด (reduced bore) และรูเต็ม (full bore) วาล์วรูเต็มมีรูที่มีขนาดเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อ ในขณะที่วาล์วรูลดมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูน้อยกว่าท่อ วาล์วรูเต็มมีราคาสูงกว่าวาล์วรูลด และควรใช้เมื่อแรงดันตกคร่อมวาล์วมีความสำคัญ หรือเมื่อวาล์วลูกบอลใช้ต้นน้ำของเครื่องวัดอัตราการไหล

วาล์วรูเต็มสามารถใช้ในแอปพลิเคชันเครื่องวัดอัตราการไหลเพื่อลดความปั่นป่วนของของไหลต้นน้ำของอุปกรณ์วัด เพื่อสอดลูกบอลเข้าไปในตัวเรือน มีการประกอบสามประเภทที่แตกต่างกัน ประเภทไม่เพียงส่งผลต่อความง่ายในการประกอบ แต่ยังส่งผลต่อความสามารถในการบำรุงรักษาของวาล์วด้วย

• วาล์วสองชิ้นและสามชิ้น - ตัวเรือนวาล์วถูกแยกในหนึ่งหรือสองจุดในระนาบเดียวกับหน้าแปลนวาล์ว และชิ้นส่วนเหล่านี้ถูกยึดด้วยสลักเกลียว ข้อดีคือการบำรุงรักษาแบบ in-line ที่เรียบง่าย
• วาล์วเข้าทางด้านบน - ลูกบอลถูกสอดเข้าไปผ่านฝาครอบด้านบนของวาล์ว อำนวยความสะดวกในการบำรุงรักษาแบบ in-line
• วาล์วชิ้นเดียว - ลูกบอลถูกบรรจุในตัวเรือนโดย insert ที่ติดตั้งตามแนวแกนของวาล์ว ขจัดความเป็นไปได้ของการรั่วไหลที่รอยต่อตัวเรือนและโอกาสที่จะหลุดออกขณะใช้งาน แต่เมื่อต้องการบำรุงรักษา วาล์วทั้งชิ้นต้องถูกถอดออกจากท่อ

การเลือกวัสดุที่นั่งกำหนดเงื่อนไขที่วาล์วลูกบอลเฉพาะเหมาะที่สุด แม้ว่าวัสดุที่นั่งใหม่จะได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ตาราง 12.2.1 แสดงวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน

ตาราง 12.2.1 วัสดุที่นั่งวาล์วลูกบอลที่ใช้ทั่วไป

ตัวเลือกวาล์วลูกบอล

วาล์วลูกบอลสามารถผลิตได้หลายตัวเลือกเพื่อตอบสนองความต้องการของแอปพลิเคชันที่หลากหลาย:

• ตัวกระตุ้น (Actuators) - วาล์วลูกบอล และวาล์วหมุนทั้งหมด เหมาะสำหรับการทำให้เป็นอัตโนมัติ โดยทั่วไปจะใช้ตัวกระตุ้นที่ทำงานด้วยไฟฟ้าหรือนิวแมติก ตัวกระตุ้นเชื่อมต่อกับวาล์วผ่านชุดลิงก์ แม้ไม่จำเป็น แผ่นติดตั้งมาตรฐาน ISO ช่วยให้ติดตั้งชุดลิงก์ได้โดยไม่ต้องถอดวาล์ว รักษาความสมบูรณ์ของวาล์ว ดูโมดูล 6.6 สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวกระตุ้น
• ปลอดภัยจากไฟ (Firesafe) - เนื่องจากวาล์วลูกบอลมักใช้ในท่อส่งก๊าซและน้ำมัน จำเป็นอย่างยิ่งที่วาล์วที่ใช้ในแอปพลิเคชันดังกล่าวต้องปลอดภัยจากไฟ วาล์วถือว่าปลอดภัยจากไฟหากเมื่อสัมผัสกับสภาวะไฟไหม้ จะยังคงให้การรั่วไหลน้อยที่สุดผ่านที่นั่งและก้าน และให้การปิดที่มีประสิทธิภาพในระหว่างหรือหลังจากไฟไหม้หรือสัมผัสกับอุณหภูมิสูงเกินไป มาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยจากไฟกำหนดไว้ใน BS 6755 และ API RP 6FA ข้อกังวลหลักคืออุณหภูมิที่เผาไหม้จะทำลายที่นั่งอ่อนและซีล มีหลายวิธีที่ได้รับการพัฒนาเพื่อเอาชนะปัญหานี้ วิธีหนึ่งคือการรวมพื้นผิวซีลโลหะรองไว้ด้านหลังที่นั่งโพลิเมอร์เป็นส่วนหนึ่งของตัวเรือน เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิเผาไหม้ ที่นั่งจะเริ่มเสียรูปและแรงดันของสื่อกระบวนการจะเคลื่อนลูกบอลเพื่อให้บีบที่นั่งโพลิเมอร์ออก (รูป 12.2.3(b)) เมื่อที่นั่งถูกทำลายหมดแล้ว ลูกบอลจะนั่งกับพื้นผิวซีลโลหะของตัวเรือน ให้การปิดที่แน่น (รูป 12.2.3(c))

นอกจากความปลอดภัยโดยธรรมชาติของกลไกที่นั่งแล้ว ซีลก้านต้องสามารถป้องกันการรั่วไหลสู่บรรยากาศภายใต้สภาวะ ‘ไฟไหม้’ ได้ด้วย สามารถทำได้โดยใช้ซีลอุณหภูมิสูงที่ทำจากกราไฟต์แบบยืดหยุ่นหรือ Grafoil® หรืออาจใช้การจัดเรียงแบบซีลเบลโลวส์ (ดูรูป 12.2.4)

• วาล์วสตีมสะอาด (Clean steam valves) - มีแอปพลิเคชันหลายอย่างที่ต้องการวาล์วที่มีการออกแบบ ‘สะอาด’ รวมถึงแอปพลิเคชันสตีมที่มีการฉีดสตีมโดยตรงเข้าไปในผลิตภัณฑ์และท่อสื่อกระบวนการในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีชีวภาพ อาหาร และอิเล็กทรอนิกส์ พื้นที่หลักที่น่ากังวลในแอปพลิเคชันดังกล่าวคือช่องว่างระหว่างตัวเรือนและลูกบอล ของไหลกระบวนการอาจสะสมในช่องว่างเหล่านี้นำไปสู่การปนเปื้อนและการกัดกร่อน สามารถแก้ไขได้โดยการสอด filler ช่องว่างในพื้นที่เหล่านี้ filler ช่องว่างอาจเป็นส่วนหนึ่งของที่นั่งหรือชิ้นส่วนแยกในชุดวาล์ว นอกจากนี้ วาล์วลูกบอลที่ใช้ในแอปพลิเคชันสตีมสะอาดควรทำจากสแตนเลสที่มีผิวสำเร็จดี (แนะนำน้อยกว่า 81 ไมครอน Ra)
• แอปพลิเคชันควบคุมอัตราการไหล (Throttling applications) - เมื่อวาล์วลูกบอลใช้ในแอปพลิเคชันควบคุมอัตราการไหล การไหลความเร็วสูงอาจกระทบกับพื้นที่เฉพาะของลูกบอลและซีล ทำให้วัสดุที่นั่งเสื่อมสภาพก่อนเวลา ต้องมีการดัดแปลงการออกแบบมาตรฐานเพื่อให้วาล์วลูกบอลใช้สำหรับควบคุมอัตราการไหล รวมถึงการใช้ที่นั่งโลหะ การเคลือบแข็ง และบางครั้ง การดัดแปลงลูกบอลเพื่อให้รูปแบบการไหลที่กำหนด

วาล์วผีเสื้อ (Butterfly valves)

แม้จะมีการออกแบบวาล์วผีเสื้อที่แตกต่างกันหลายแบบ แต่ทั้งหมดประกอบด้วยดิสก์ที่หมุนบนเพลาในแนวตั้งฉากกับการไหลของของไหล เมื่อเปิด ดิสก์จะอยู่ในแนวเดียวกับขอบต่อการไหลและของไหลจะไหลรอบตัว ให้ความต้านทานจำกัด ในตำแหน่งปิด ดิสก์จะหมุนกับที่นั่งในตัวเรือนวาล์ว วาล์วผีเสื้อโดยทั่วไปใช้พื้นที่เพียงไม่กี่คู่ของหน้าแปลนท่อ จึงเป็นทางเลือกที่น่าสนใจแทนวาล์วลูกบอลเมื่อพื้นที่จำกัด ในความเป็นจริง วาล์วผีเสื้อบางตัวได้รับการออกแบบมาเฉพาะสำหรับใส่ระหว่างหน้าแปลนท่อ เรียกว่าวาล์วผีเสื้อแบบ wafer

ข้อเสียหลักของวาล์วผีเสื้อคือการปิดไม่แน่นเท่าวาล์วประเภทอื่น สามารถบรรเทาได้ในระดับหนึ่งโดยการเลื่อนแกนหมุนของดิสก์และใช้ที่นั่งที่ช่วยด้วยแรงดัน โดยใช้แกนหมุนที่เลื่อน จะเกิดการกระทำแบบ ‘camming’ ซึ่งหมายความว่าดิสก์จะสร้างซีลแน่นกับที่นั่งในช่วงไม่กี่องศาสุดท้ายของการปิด วาล์วผีเสื้อประสิทธิภาพสูงหรือแบบ eccentric เหล่านี้มีความสามารถในการปิดที่ดีขึ้น และการออกแบบช่วยให้ใช้สำหรับควบคุมอัตราการไหลได้

สำหรับแอปพลิเคชันสตีม วาล์วผีเสื้อส่วนใหญ่ถูกแทนที่ด้วยวาล์วลูกบอล วาล์วผีเสื้อมักใช้ในระบบของเหลวหรือเมื่อพื้นที่จำกัด ความกะทัดรัดของวาล์วผีเสื้อหมายความว่าต้องใช้วัสดุน้อยกว่า จึงเหมาะเมื่อแอปพลิเคชันระบุการใช้วัสดุราคาแพง เช่น ในแอปพลิเคชันน้ำทะเลที่ระบุนิกเกิล

การเลือกและขนาดของวาล์วแยก

ของไหลกระบวนการต้องถูกบรรจุไว้อย่างสมบูรณ์ในระบบท่อที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมเพื่อหลีกเลี่ยงอันตรายต่อบุคลากรและสิ่งแวดล้อม และการปนเปื้อนของของไหลเอง ระบบท่ออาจมีเส้นทางรั่วไหลที่อาจเกิดขึ้นหลายจุด เช่น รอยต่อท่อ รอยเชื่อม การเชื่อมต่ออุปกรณ์ และที่สำคัญที่สุดคือวาล์ว วาล์วอาจเป็นหนึ่งในปัจจัยที่ใหญ่ที่สุดที่ก่อให้เกิดปัญหาของโรงงานหากเลือกผิดหรือออกแบบหรือผลิตไม่ดี นอกจากนี้ วาล์วเมื่อเลือกอย่างถูกต้องสำหรับแอปพลิเคชัน ควรใช้งานได้อย่างน้อยตลอดอายุการใช้งานของโรงงาน หากบำรุงรักษาอย่างเหมาะสม เมื่อเลือกวาล์วแยกสำหรับแอปพลิเคชันเฉพาะ ต้องพิจารณาหลายปัจจัย แสดงในตาราง 12.2.2 พร้อมกับพารามิเตอร์การเลือกวาล์วที่ได้รับผลกระทบ

ตาราง 12.2.2 ปัจจัยที่มีผลต่อการเลือกวาล์วแยก

ตาราง 12.2.3 สรุปลักษณะหลักของวาล์วแยกประเภทต่างๆ

ตาราง 12.2.3 ขนาดทั่วไปและช่วงการทำงานของวาล์วแยก

1 หมายเหตุ: ค่าทั่วไปสำหรับวาล์วรู DN150 ที่ส่งสตีมอิ่มตัวที่ 24 bar ไหลที่ 40 m/s ตาราง 12.2.4 สรุปแอปพลิเคชันของวาล์วแยกประเภทที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน

ตาราง 12.2.4 แอปพลิเคชันของวาล์วแยกประเภท

ตาราง 12.2.5 เป็นแนวทางทั่วไปสำหรับการเลือกวาล์วแยกสำหรับแอปพลิเคชันสตีมและคอนเดนเสทเฉพาะ ควรทราบว่าการเลือกวาล์วแยกเป็นเรื่องอัตวิสัยและอุตสาหกรรมต่างๆ และผู้ที่อยู่ในภูมิภาคทางภูมิศาสตร์ต่างกันมีความชอบเฉพาะตัว

ตาราง 12.2.5 การเลือกวาล์วสำหรับวัตถุประสงค์การแยกสตีม/คอนเดนเสท หมายเหตุ: ในตารางนี้ bellows sealed หมายถึงวาล์ว globe แบบซีลเบลโลวส์ และ globe หมายถึงวาล์ว globe แบบมาตรฐานที่มี gland packing

เมื่อเลือกประเภทวาล์วที่เหมาะสมที่สุดแล้ว จำเป็นต้องเลือกขนาดที่ถูกต้อง วาล์วโดยทั่วไปมีขนาดตามขนาดท่อ อย่างไรก็ตาม ควรตรวจสอบว่าแรงดันตกคร่อมวาล์ว (เมื่อเปิดเต็มที่) อยู่ในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ แรงดันตกเป็นฟังก์ชันของสัมประสิทธิ์การไหลของวาล์ว (หรือค่า Kvs) อัตราการไหลและแรงดันเข้า แผ่นข้อมูลจำเพาะมักมีข้อมูลเกี่ยวกับค่า Kvs เมื่อวาล์วเปิดเต็มที่

ด้วยความรู้เกี่ยวกับแรงดันทำงานทั่วไปและอัตราการไหลมวล สามารถกำหนดแรงดันตกคร่อมวาล์วที่เลือกได้ หรือหากทราบแรงดันตกสูงสุดที่ยอมรับได้ สามารถเลือกขนาดวาล์วที่เหมาะสมได้ แม้จะมีสูตรและแผนภูมิมากมายที่ใช้ทำนายความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการไหลและแรงดันตก สูตรเชิงประจักษ์แบบง่ายต่อไปนี้ (สมการ 3.21.1) ให้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือสำหรับสตีมและมักใช้กันทั่วไป:

สูตรนี้เป็นพื้นฐานของแผนภูมิที่แสดงในรูป 12.2.7 ซึ่งแนะนำครั้งแรกใน Block 3, Module 21

หากวาล์วแยกจะใช้ในระบบของเหลว แรงดันตกคร่อมวาล์วจะถูกกำหนดโดยใช้สมการต่อไปนี้: