האבולוציה של השסתום הכדורי-הכול

העיצוב הקומפקטי, פשטות השימוש, קלות התיקון ויכולת הביצועים הרחבה סייעו להפוך את השסתום הכדורי לעיצוב דומיננטי ביישומים תעשייתיים מודרניים.

המצאת השסתום הכדורי הוכחה כפיתוח מהפכני עבור תעשיית השסתומים, המספקת פתרונות ייחודיים רבים העונים על דרישות בקרת זרימה מודרניות. אבל היישום המוצלח שלו לא היה ברור מיד.

בתחילת חייו של השסתום הכדורי, נכסיו וערכיו השוטפים לא מומשו. היעדר טכנולוגיית העיבוד ליצירת כדור עגול באמת לא היה קיים. וחומרי האיטום של אז, הקשורים לשימוש בגומיות טבעיות, היו מוגבלים מאוד ומנעו את יישום השסתום הכדורי לכל שימוש תעשייתי משמעותי.

במהלך מלחמת העולם השנייה ולתוך שנות ה-50, טכנולוגיית עיבוד שבבי שפותחה עבור המאמץ המלחמתי אפשרה להכניס את היתרונות המובנים של השסתום הכדורי לשימוש צבאי. הפיתוח של חומרים סינתטיים כמו פולי-טטרה-פלואורואתילן (PTFE), הידוע לרוב בשם המותג טפלון, סלל את הדרך ליישומים במגזר התעשייתי.

כיום, השסתום הכדורי משמש במגוון רחב של יישומים לבקרת זרימה של נוזלים, גזים ואפילו מוצקים. יישומים אלה נמצאים בטמפרטורות שנעות בין -450 מעלות F (-267 מעלות) ליותר מ-1600 מעלות F (871 מעלות). הלחצים יכולים לנוע בין ואקום מלא ליותר מ-20,000 psi.

עיצוב שסתום כדורי

המרכיבים העיקריים של השסתום הכדורי הם הגוף, הכדור, המושבים והגזע. ניתן לייצר רכיבים אלו ממגוון רחב של חומרים. שסתומי כדור מוצעים במספר רב של חיבורי קצה, כולל חיבורי אוגן, הברגה, קצה ריתוך ופלטה, כמו גם חיבורי קצה מיוחדים.

יסודות

עיצובים של שסתומים כדוריים נכנסים לקטגוריית השסתומים של רבע-סיבוב, כולל שסתומי תקע ופרפר. קטגוריית רבע-סיבוב זו פירושה שגזע השסתום מסובב ב-90 מעלות לצורך פעולה.

העיצובים הנפוצים ביותר מבין העיצובים הללו הם העיצוב הצף והעיצוב המותקן-על הטרון. הם בדרך כלל דו-כיוונים באיטום וניתן לכוון אותם בכל מיקום או כיוון לפתיחה וסגירה.

כמה מהיתרונות הבסיסיים שיש לשסתומי כדור אלה על פני עיצובים אחרים כוללים:

יציאה מלאה ליעילות-זרימה גבוהה

מומנט נמוך יותר

טווח לחץ וטמפרטורה רחב יותר

יכולת מחזור גבוהה

אטמי גזע מעולים

אש-בטוחה

עלות נמוכה יותר לאוטומציה.

עיצוב הכדור הצף דוחס בהתחלה את הכדור בין מושבים רכים כאשר השסתום מורכב. זה מאלץ את חומר המושב לזרום קר- לתוך הנקבוביות של הכדור, יוצר ואקום ואטימה בלחץ- נמוך. במצב סגור, לחץ הקו מאלץ את הכדור לתוך המושב במורד הזרם. זה מספק כיבוי הדוק על עיצוב הלחץ והטמפרטורה של המושב.

העיצוב הצף נפוץ ביותר בטווח מידות של 1/4 עד 12 אינץ', אם כי יצרנים מסוימים מציעים גדלים של עד 18 אינץ'. גודל שסתום כדור צף מוגבל על ידי גודל ומשקלו של הכדור, ועל ידי המומנט הנדרש כדי לסובב אותו ככל שהגודל גדל.

עיצובים מותקנים של Trunnion- פועלים בדיוק ההפך מהעיצוב הצף. בעיצוב הכתף, הכדור אינו יכול לצוף אך הוא ממוקם בצורה נוקשה על ידי הגבעול מלמעלה וציר או פתח, תוך שימוש במיסבים בתחתית. המושבים נדחסים כנגד הכדור באמצעות קפיץ או קפיצים כדי לפתח את אטם הלחץ הנמוך- הראשוני.

מושבי שסתומי Trunnion מתוכננים עם אטמים לעיבוד-אנרגיות, כאשר לחץ הולך וגובר מאלץ את המושב במעלה הזרם חזק יותר לתוך הכדור. זה מספק כיבוי הדוק על עיצוב הלחץ והטמפרטורה של המושב.

עיצובי Trunnion בדרך כלל משתלטים במקום שבו היישום של עיצוב כדור צף עוזב וניתן למצוא אותם בטווח גדלים שבין 3-72 אינץ'. היתרון של עיצוב שסתום זה מתברר ככל שגודל השסתום גדל.

משקל הכדור ומומנט ההפעלה אינם גורמים, שכן המושבים בשסתום פתח אינם תומכים בכדור. המשמעות היא שמושבי שסתום הטרון יכולים להתמחות באיטום הכדור, מה שמאפשר שסתומים גדולים בהרבה עם הפעלה קטנה יותר מזו שניתן לבצע בכל סוג של עיצוב צף.

גוּף

גוף השסתום הכדורי יכול להיות יצוק, מזויף או עיבוד במכונה מכל מתכת שאפשר להעלות על הדעת. זאת בשל העיצוב הפשוט והקומפקטי של השסתום הכדורי. מתכות ישימות כוללות:

לא-ברזליים, כגון פליז, ברונזה ואלומיניום

מתכות מבוססות-ברזליות, כולל ברזל, פלדות פחמן ופלדות אל חלד

מתכות על בסיס-ניקל, הכוללות את Hastelloy, Inconel וניקל

מתכות ריאקטיביות, כולל טיטניום, טנטלום וזירקוניום.

שסתומי כדור עשויים גם ממגוון פלסטיקים ופולימרים, כולל PVC, פוליאתילן ופוליפרופילן. שסתומים כדוריים יכולים גם להיות מצופים בפולימרים ופלסטיק, והם יכולים להיות עשויים או מצופים בהם קרמיקה כגון אלומינה וזירקוניה.

העיצוב הבסיסי של גופי שסתומים בארצות הברית עומד בהנחיות ASME (האגודה האמריקאית של מהנדסי מכונות) B16.34. תקנים אלה קובעים עובי דופן, רמות מתח ופרמטרים אחרים בשילוב עם יחסי הטמפרטורה-בלחץ עבור רוב סגסוגות הברזל.

הנחיות B16.10 מפרטות גם את הממדים המקובלים של סוגים רבים של שסתומים, כגון תקנים ספציפיים-תעשייתיים כמו ה-API (American Petroleum Institute) תקן 6D עבור שסתומי צינור ו-API 608, "Metal Ball Valves-Flanged, Threaded, and Welding Ends." מפרטים אלה שולטים במידות, החומרים והיישומים כדי להבטיח שעיצוב השסתומים יישאר עקבי מיצרן ליצרן והוא בטוח עבור היישום המיועד.

שסתומי כדור בשירות מפעלי מים מכוסים בתקן AWWA (American Waterworks Association), C507-18, "Ball Valves, 6 אינץ' עד 60 אינץ' (150 מ"מ עד 1500 מ"מ).

למדינות רבות אחרות יש תקנים לאומיים, וכמה ארגונים מטפחים גם תקנים בינלאומיים. יצרני שסתומים המעוניינים להיכנס לשוק העולמי חייבים לעמוד בתקני ISO (ארגון התקינה הבינלאומי), PED (הדירקטיבה של הנציבות האירופית - ציוד לחץ), CE (PED) ו-ATEX (Bureau Veritas), בין היתרים הרבים הקיימים, כמו בסין וברוסיה. עמידה בתקנים אלה הפכה למנדט לסחר עם האיחוד האירופי, כמו גם תקני JIS ליפן ודרישות דומות במקומות אחרים.

מפרטים נפוצים נוספים לדירוג שסתומי כדור כוללים WOG (מים/נפט/גז), CWP (לחץ עבודה קר) ו-WSP (לחץ קיטור עבודה). דירוגים אלה מוגבלים יותר ונקבעים בדרך כלל על ידי היצרן הבודד. כל המפרטים הללו יקבעו עקומת לחץ/טמפרטורה עבור עיצוב השסתום, מה שמוריד את דירוג הלחץ עם עליית הטמפרטורה.

עיצובי הגוף מחולקים לארבע תצורות בסיסיות:

תנופה של שלושה-חלקים. הגוף מעוצב בשלושה חלקים עם יכולת להניף בקלות את חלק הגוף המרכזי אל מחוץ לקו לתיקון ללא צורך להסיר את השסתום כולו. זה שימושי כאשר שסתומים מושחלים או מרותכים לתוך צינור.

סוף כניסה. עיצוב זה משתמש בעיצוב אחד- או בעיצוב יחיד. כל הרכיבים הפנימיים מורכבים לתוך השסתום דרך הקצה, שם מותקן תקע קצה כדי לשמור על החלקים. עיצוב זה מבטל כל צורה של אטם גוף או מכסה מנוע, ומבטל נתיב דליפה אפשרי.

גוף מפוצל. עיצוב זה (איור 5), כפי שהשם מרמז, מפצל את הגוף לשני חצאים ומאפשר הרכבה קלה ואיטום גוף אחד פחות מעיצוב שלושת-החלקים.

עיצוב גוף מפוצל זה יתרון במיוחד כאשר גודל השסתום גדול, מה שמקל על הרכבה של רכיבים גדולים.

כניסה למעלה. עיצוב הכניסה העליון משתמש בגוף אחד- כמו כניסת הקצה, אלא שחלקו העליון של הגוף חשוף כדי להרכיב את החלקים הפנימיים. לאחר מכן מוברג מכסה מנוע על החלק העליון של השסתום, מה שהופך את העיצוב הזה לתיקון-בקו, בדומה לעיצוב של שלושה-חלקים. העיצובים הנפוצים ביותר של הכניסה העליונה הם ייחודיים לעיצובי שסתום כדורי, שכן הכדור והמושבים צפים ופועלים באחדות ובהתחדדות בתוך הגוף, בניגוד לשאר העיצובים.

הכדור

אלמנט בקרת הזרימה של שסתום הכדור הוא, כמובן, הכדור. הכדור פועל כנגד המושב ויכול לעצור או לשלוט בזרימה דרך השסתום. כדורים מתוכננים ומיוצרים לפי סובלנות מדויקת עבור גימור פני השטח וכדוריות, או עגולות. גם הכדור וגם המושב הם קריטיים לפעולה חלקה, מומנט מופחת וביצועי איטום טובים, במיוחד כאשר נדרשים מושבי מתכת ואיטום-מתכת אל-מתכת. תצורת יציאת הכדור יכולה להשתנות מסגנון רגיל ישר ודרך-לסגנון יציאות מרובות- עבור שסתומים כדוריים המציעים עיצובי יציאות תלת- עד חמישה-כיוונים. בעוד שרוב עיצובי שסתום הכדור משתמשים בכדור כדורי מלא, ישנם גם עיצובים המשתמשים בחצי כדור (מגזר) וכאלה המשתמשים בפעולת פקה כדי לאלץ את הכדור לתוך המושב.

הכדורים המשמשים בשסתומים מעובדים מחומרים רבים, כולל מתכת, קרמיקה או פלסטיק. ניתן לשפר כדורי מתכת עם מגוון ציפויים או טיפולי משטח. אלה משמשים כדי לספק עמידות משופרת לבלאי, עמידות בפני קורוזיה או קשיות גבוהה כדי למנוע התפרצות, וזה המקום שבו המתכת הבסיסית לא מחזיקה מעמד.

שיפורי פני השטח יכולים לכלול פולימרים, תרסיס להבה, ניקל ללא אלקטרו, ציפויים PVD ותהליכי דיפוזיה כגון יישום ניטריד ובוריד. שיפורים אלו הם סיבה מרכזית ליישום המוצלח של שסתומי כדור במגוון הרחב של יישומים בהם הם נמצאים בשימוש כיום.

מושבים

שיפור העיצוב והטכנולוגיה של המושב אפשרו לשסתום הכדורי להתרחב למגוון רחב של יישומים. מושבים אלה יכולים לספק פונקציות מרובות, בהתאם לעיצוב השסתום ולחומר המושב.

הם צריכים לספק סגירה הדוקה במקרה של חומרים גמישים, כמו גם לתמוך בכדור בעיצובי כדור צף, להתנגד לשירות ולספק חיי מחזור טובים. מושבים יכולים גם לשלב יציאות מאופיינות למטרות בקרת זרימה.

עיצובי מושבים רכים מכונים בדרך כלל עיצובי "ריבה" המספקים מגע מלא- לפנים בעת ההרכבה, או כעיצובי שפתיים גמישים עם מגע פנים מופחת עבור מומנט נמוך יותר וחיי מחזור משופרים.

עיצובי גוף שונים ישתמשו באלו או בווריאציות של עיצוב המושב הרך הבסיסי. תכנונים של יצרנים רבים מספקים גם צורה כלשהי של הפגת לחץ חלל, ומונעים נזק למושב ולשסתום במקרה של לחץ חלל לכוד מהמדיה הכלואה בשסתום סגור.

חומרי מושב רך המשמשים כיום כוללים בין היתר:

גומי, כולל ניאופרן ובונה

פלואורופולימרים, כולל PTFE, TFM, PBI ו-PFA

UHMWPE (פוליאתילן אולטרה-במשקל מולקולרי גבוה)

PEEK (פוליאתר אתר קטון)

דלרין

ניילון

עיצובי מושב מתכת משמשים בשסתומי כדור כדי להתמודד עם היישומים הקשים ביותר, כולל לחץ גבוה, טמפרטורה גבוהה, שחיקה ובקרת זרימה.

ישנם עיצובים רבים של מושבי מתכת בשימוש, כאשר הנפוצים שבהם כוללים מושבים ממתכת מוצקה, משטחים מוקשים או מצופים, וחופפים לכדור שהוקשה באופן דומה. זה מתאים למשטחי הכדור והמושב כדי להשפיע על איטום טוב.

עיצובים אחרים כוללים מתכת סונטרת ספוגה בגרפיט או PTFE, ואפילו כמה עיצובים גמישים. מושבים גמישים נדרשים להיות אטומים-לבועות, אך עם זאת, רוב השסתומים עם מושבי מתכת מותרים דליפה מסוימת לפי שיעורי מפרט דליפה של שסתומים כדוריים-מתכתיים. המפרטים הנפוצים ביותר הם MSS-SP-61 ו-API 598. מפרטים אחרים המיושמים בדרך כלל על שסתומים כדוריים עם מושב מתכת כוללים תקני FCI 70.2 ו-API.

רוב עיצובי הכדורים הצפים-מתכתיים משתמשים בקפיצים ו/או אטמים כדי לדחוס את המושבים אל הכדור וכדי לאטום את הצד האחורי של המושב ללחצים נמוכים. הכדור צף כנגד המושב במורד הזרם ככל שהלחץ עולה, ומספק כיבוי על עיצוב הלחץ והטמפרטורה של המושב, בדומה לפעולה של הגרסה הרך-לישיבה.

בעיצובי פתח, קפיצים ולעתים קרובות מספר אטמים משמשים כדי ללכוד את לחץ הקו, מה שמאלץ את המושבים חזק יותר כנגד הכדור ככל שהלחץ עולה. יצרנים מסוימים אפילו מכינים את משטח הישיבה לתוך גוף השסתום, ומבטלים קפיצים ואטמים בכיוון אחד. עם זאת, זה גורם בדרך כלל לפעולת שסתום חד כיווני.

גבעולים

הגבעול משמש בשסתום הכדור כדי לסובב את הכדור למצב פתוח או סגור, או למצב ביניים לבקרת זרימה. חומרים הנחשבים לגבעולים צריכים לעמוד יותר מסתם הלחץ של הגוף, הכדור או המושבים. הם צריכים להתנגד לקורוזיה ולטמפרטורה של התהליך תוך שמירה על חוזק מספיק כדי לעמוד במומנט המופעל עליהם בעת הפעלת השסתום. מסיבה זו, בדרך כלל נבחרים חומרים עמידים יותר בפני חוזק וקורוזיה- לייצור גזע.

מכיוון שהגבעול הוא החיבור לכדור, עליו לעבור דרך הגוף כדי שניתן יהיה להפעילו חיצונית. הדבר מחייב שהגבעול יהיה בעל אטימות על מנת למנוע מהאמצעים שבשסתום לברוח. האטמים חייבים לאטום בועות-חזקות, לעמוד בפני קורוזיה וטמפרטורת הנוזלים ולספק חיי מחזור טובים.

חומרי איטום גזע טיפוסיים כוללים פולימרים כגון PTFE ו-PEEK. לטמפרטורות גבוהות יותר או לבטיחות אש, משתמשים בדרך כלל באטמי גזע גרפיט. חומרים אלה נשארים גמישים בטווחי טמפרטורות רחבים והם עמידים כימית. בשסתומים אטומים-בשריפה, האטמים חייבים לשרוד שריפה מבלי לדלוף.

עיצובי שסתומים סיבוביים עם רבע-סיבוב כמו השסתום הכדורי כוללים את אטמי הגבעול בעלי הביצועים הטובים ביותר-. הסיבה לכך היא שהגזע נע בתנועה סיבובית בניגוד לתנועת גזע עולה שנמצאת בשסתומי השער והכדור. עם הדאגות והתקנות הסביבתיות של ימינו, ביצועי איטום גזע הם קריטיים ליצרני השסתומים ולמשתמשי הקצה-.

עיצובים של חותמות גזע מתחלקים לשתי קטגוריות בסיסיות: חותמות-בעלות אנרגיה וחותמות בגוף-. עיצובים אלה משתמשים בסוגים רבים ושונים של אטמים, כאשר הנפוצים ביותר הם טבעת שטוחה, שברון, כוס וחרוט ואלמנטים מונוליטיים.

גזע נמרץ.בעיצוב זה, יש בדרך כלל מספר טבעות איטום. חלקם נמצאים בתוך גבול הלחץ של גוף השסתום שהופך לאטם הראשי, ואחרים נמצאים מחוץ לגבול הלחץ במה שמכונה קופסת ה"אריזה" או "הסתימה".

אטמים אלו נדחסים או מופעלים באמצעות פעולת משיכת הגבעול עם אום גזע, אשר בו זמנית דוחס את האטמים העליונים עם עוקב אריזה. רוב העיצובים הללו משלבים קפיצי Belleville כדי להעמיס חיים על החותמות. זה הופך את מכלול אטם הגזע להתאמה-עצמית ולפיצוי טמפרטורה, מה שמאפשר חיי מחזור ארוכים יותר לפני צורך בהתאמה מחדש.

גוף מלא אנרגיה.בתכנון זה, האיטום מתבצע מעל גבול הלחץ בקופסת המילוי, שוב באמצעות טבעות איטום בודדות או מרובות. חלק מהיצרנים עשויים להשתמש במסב דחף על הגבעול מתחת לגבול הלחץ, אך למעשה לא מבוצע איטום שם.

אטמים אלו נטענים באמצעות "עול" או "לוחית בלוטות", דוחסים את האטמים בקופסת המילוי באמצעות ברגים מושחלים בגוף. התכנון משתמש בדרך כלל במספר קפיצי בלוויל על הברגים כדי שוב "להעמיס" את לוחית הבלוטה, מה שהופך את אטם הגזע להתאמה עצמית-.

היתרון של עיצוב זה הוא שהגזע חופשי לצוף בתוך האטמים, מפחית את המומנט ומגדיל את חיי אטם הגבעול. עיצוב זה מאפשר גם שילוב של עיצובי "פליטה נמלטת", המשתמשים במספר קבוצות של אטמים, ויוצרים אטמים נוספים או מיותרים עבור יישומים רעילים ובעלי מחזור- גבוה.

יישומים

עם העיצובים והחומרים המתקדמים המוצעים בשסתומי הכדור המודרניים, הם מנוצלים בשירותים ותעשיות רבות. הצלחה ביישומים אלה תלויה במפרט הנכון של כל העיצובים והרכיבים הללו כפי שנדון.

עיצובי כדור אינם מוגבלים לשירות הפעלה/כיבוי. ניתן להשתמש בהם כדי להסיט, לשלוט או לערבב זרימות. ניתן לבצע פונקציות שונות על ידי יציאות מרובות להסטה וערבוב, או על ידי יציאה מאופיינת, כגון יציאת V- לבקרת זרימה.

השימוש בשסתום כדור בקרת רבע-סיבוב הופך נפוץ יותר ביישומי בקרת זרימת ירידה- מתונה בלחץ. זה נובע מיתרונות התהליך של עלות נמוכה יותר, כיבוי חזק ודיוק גבוה בשילוב עם בקרה דיגיטלית על הפעלה חשמלית ופנאומטית.

ישנם גם עיצובים מיוחדים של שסתום כדור ליישומים ייחודיים. אלה יכולים לכלול שסתומים לשירות קריוגני, שחייבים להתמודד עם טמפרטורות נמוכות במיוחד, ושסתומים לקיטור בלחץ- גבוה, שחייבים להתמודד עם טמפרטורות ולחצים גבוהים במיוחד.

יישומי שסתום כדור אחרים כוללים את השימוש בהם בתעשיות כמו תרופות, תעופה וחלל, גרעין, ביוטכנולוגיה ועיסה ונייר. יישומים שבהם הם משמשים כוללים חומצות וכימיקלים, תמיסות, נוזלים תרמיים, קיטור וקריוגניקה.

מַסְקָנָה

העיצוב הקומפקטי, פשטות השימוש, קלות התיקון ויכולת הביצועים הרחבה סייעו להפוך את השסתום הכדורי לעיצוב דומיננטי ביישומים תעשייתיים מודרניים. ושסתומי כדור ממשיכים להתפתח על מנת לעמוד בדרישות חדשות וקשות יותר.

המגזר התעשייתי שם דגש יותר ויותר על בטיחות, איכות הסביבה, שיפור היעילות והוזלת העלויות. לפיכך, הנכסים של שסתום הכדור ימשיכו להפוך אותו לשחקן חשוב עם תפקידים עתידיים רבים.