Control Valves
المهندس أكرم صادق عبد المهدي – ماجستير تكنلوجيا التعليم الهندسي / الهندسة الكهربائية
مقدمة :
ان الحقول الصناعيه والمعامل تتضمن على عشرات او مئات من حلقات السيطرة (Control Loops) وان هذه الحلقات مصممه لتحافظ على جعل متغيرات السيطرة (Process Variables) ضمن مديات العمل المحددة او المرغوبه وبما يضمن الوصول الى تحقيق السيطرة المثلى على نوع المنتوج (Product Quality) وكميته (Product Quantity) . كل من هذه الحلقات تتحسس وتولد بذاتها اضطرابات (Disturbance) اضافه انها تتفاعل فيما بينها لتولد اضطرابات تؤثر في متغير السيطرة . ان هذه الاضرابات يتم تحسسها عن طريق المتحسسات (Sensors) ثم تكبر وترسل عن طريق المرسلات (Transmitters) الى اجهزة المسيطرات التي بدورها تقوم بالمقارنه والتعويض عن قيمه الحيود (Offset) الحاصلة في متغير السيطرة المقاس عن نقطه العمل (Set Point) . بالتالي يقوم المسيطر بارسال اشارة سيطرة (Control Signal) الى عنصر السيطرة النهائي (Final Control Element) والذي يكون في اغلب الاحيان صمام السيطرة لتصحيح قيمه المتغير المقاس والتعويض عن قيمة الحيود .
ان صمام السيطرة يتعبر جزء اساسي في حلقه السيطرة ويوجد انواع عديدة لصمامات السيطرة وان تنوعها يعود الى تنوع التطبيقات والخدمات التي يتعامل معها مثل نوع المائع (Fluid) وطبيعته اضافه الى الضروف التشغيليه المختلفه
يمكنكم مشاهدة هذا الفلم التعليمي عن صمامات السيطرة من قناة موقعنا على اليوتيوب:
المكونات الاساسية لصمام السيطرة :
يتألف صمام السيطرة النموذج بصورة عامه من خمسه اقسام وكما يلي :
1- جسم الصمام (Valve body )
2- المقلًم او المهذًب الداخلي (Internal Trim)
3- المشغل (Actuator)
4- موجه الصمام
5- الملحقات
صمام السيطرة يعمل على تنظيم معدل تدفق المائع المار بجسم الصمام اعتمادا على موضع السدادة (Plug) او القرص (Disk) التي تتغير حسب القوة المسلطة من المشغل وللقيام بهذه المهمة فان على الصمام ان :
1. يستوعب المائع او المادة دون حدوث تسريب.
2. يكون ذو سعه مناسبه للعمليه.
3. قادر على تحمل التآكل (Corrosion) والحرارة (Temperature) والتعامل مع الضغط (Pressure) و اللزوجة (viscosity) للمائع.
4. الاندماج المناسب مع التوصيلات النهائية (End Connections) للانبوب .
انواع صمامات السيطرة :
تقسم صمامات السيطرة بصورة عامه حسب جسم الصمام الى نوعين :
1- صمامات الساق المنزلق (Sliding-Stem Control valves)
2- صمامات الجذع الدوار (Rotary-Shaft Control Valves)
الشكل يبين أجزاء الصمام من النوع الاول حيث يتالف من الاجزاء التاليه :
غطاء الرق (Diaphragm Casing) وهو يستخدم كحجرة لاحتواء الرق او الغشاء والذي يتم دعمه بواسطة صحيفه معدنية (Diaphragm Plate ) وهذه الحجرة تحتوي على فتحه لتوصيل الهواء المضغوط الذي يسلط على الرق والصحيفه الداعمه حيث يتحول هذا الضغط الى عزم ميكانيكي يتناسب بصورة طردية مع المساحة السطحية للرق ومقدار ضغط الهواء المسلط . ينتقل هذا العزم الى ساق المشغل (actuator stem) والذي سوف يتحرك ويحرك بدوره ساق الصمام (valve stem) الذي يؤثر على موضع السدادة (plug) في جسم الصمام . اضافه الى ذلك يوجد نابض (spring) مرتبط بصحيفه الرق يقوم بمعادلة (معاكسة) اتجاه العزم لساق المشغل واعادة الرق الى وضعه الاصلي . يوجد هنالك مبين حركة (travel indicator) داخل المقرن (yoke) يبين وضع الصمام وتؤشر فيه تدريجات تبين الموضع الحالي للصمام .
عندما تكون فتحه توصيل الهواء من الاعلى بالنسبة للرق فيسمى المشغل بانه (direct acting) اي مشغل ذو تأثير أمامي . اما اذا كانت الفتحة من اسفل الرق فيسمى المشغل بانه (reverse acting) اي ذو تأثير عكسي .
. اما بالنسبة الى جسم الصمام فيتألف من ساق الصمام الذي يرتبط بالسدادة التي تستقر على ما يسمى بالمقعد (seat) ، و بدن الصمام (valve bonnet) . احيانا تسمى الحجرة الداخليه من بدن الصمام والتي يمر من خلالها المائع بالقفص (cage) ويوجد انواع من الاقفاص الخاصه بالصمامات وكذلك انواع من السدادت تختلف بحسب اسلوب السيطرة على تدفق المائع داخل الصمام وستشرح لاحقا . كما ويوجد بين الساق وجسم الصمام مجموعه من الحشوات (packing) تستخدم لمنع حدوث تسرب للمائع .
جسم الصمام (valve body)
يوجد عدة انواع من اجسام الصمامات وكما يلي :
1- الصمامات الكروية Globe valves
في هذا النوع من الصمامات يكون عنصر الغلق (closure member) على شكل كروي ويتحرك بشكل خطي داخل جسم الصمام والذي يأخذ شكل فجوة كروية (Spherical shaped Cavity) وتوجد عدة انواع من الصمامات الكروية :
- ثنائية الاتجاه احادية المرفأ (two-way single-ported) : وتعتبر من اشهر انواع الصمامات الكروية بسبب بساطه التصميم والكلفه القليلة نسبيا ويستخدم للتطبيقات التي تتطلب غلق محكم للصمام (stringent Shutoff) ويمكن ان تصمم هذه الصمامات باحجام صغيرة نسبيا وتبدأ ب 2 عقدة .
- ولغرض استخدام المفعل المناسب لهذا النوع يجب الاخذ بنظر الاعتبار القوة المتولدة من المائع ذو الضغط العالي الذي يملىء هذا الصمام بحيث يستطيع المشغل ان يولد القوة المعادلة للتحكم بوضع الصمام .
- ثنائية الاتجاه ثنائية المرفأ (two-way double-ported) : لا تحتاج هذه النوعيه من الصمامات الى مشغل كبير نسبه الى الصمامات احادية المرفا لان القوة الديناميكية داخل الصمام تكون متعادله تقريبا . ولكنها تكون عادة باحجام اكبر حيث تبدأ احاجمها ب 4 عقد . الميزة الهامة في هذا النوع انه يمكن عكس عملها (reversible) فبدلا من ان تعمل باسلوب (push-down to close) يعكس ربطها لتصبح (push-down to open) راجع الشكل
- 2- جناح الفراشه (butterfly bodies)في هذا النوع من الاجسام لا يوجد سدادة ومقعد وانما يكون تكون عبارة عن قرص معدني من معدن الاستيل غير القابل للصدأ ، ومن ميزات هذا النوع :- سعه عالية وفقدان قليل للضغط داخل الصمام.
– التكلفة الاقتصادية اقل بكثير من النوع الاول.
– تحتاج الى مشغلات كبيرة ذات عزم عالي عندما يكون حجم الصمام عاليا او عندما يكون – الفقد في الضغط عالي.يمكن ان تصنع وتتوفر باحجام كبيرة ( لغايه 72 عقدة )3- جناح الفراشة من نوع ذنب السمكة (FishTail) :ومن ميزات هذا النوع:التحكم داخل الصمام يكون بزاوية 90 درجة لحركة الصمام مما يعطي (rangeability) عالية أي إمكانية واسعة للتحكم بالمدى .4- الصمامات ذات الحز على شكل حرف (V) :ومن ميزاتها :
– المدى عالي (high rangeability) والتحكم بالصمام خلال 90 درجة
– غلق محكم .
– امكانية استخدامها في السوائل ذات اللزوجة العالية او المساعدة على التاكل .
- التوصيلات النهائية للصمام
- 1- التوصيلات الملولبة (screwed Pipe thread) : هذا النوع شائع في الصمامات صغيرة الحجم والتي لا يتعدى حجمها 2 عقدة وهي طريقه اكثر اقتصادية من استخدام الفلنجات . وفي هذا النوع لا يحتاج الى استخدام مانع (seal) ولكن هذه الطريقه غير محبذه في درجات الحرارة العالية . ولكن صيانة هذا النوع من الربط معقدة لانه هنالك حاجة الى كسر ال (Join) او (union) لغرض فتح الصمام .2- الفلنجات المتبرسة (Bolted Casketed flanges) : وهي اكثر الطرق شيوعا . وفي هذا النوع من السهل رفع الصمام عن المكان . وهنا يمكن ان يستخدم الصمام في الضغوط العاليه والحرارات العاليه من الصفر مئوي الى 815 درجة مئوية . وهنالك ثلاثه طرق للربط flat face , raised face ,ring type joint .
- المشغلات (Actuators) :توجد اربعه انواع رئيسيه للمشغلات وهي :- المشغل الهوائي (Pneumatic Actuator) : وهو اكثر الانواع شيوعا نتيجة البساطة (Simplicity) والاعتمادية (dependability) وهنالك نمطان او تصميمان للمشغلات الهوائية وهما :أ – المشغل نوع الرق والنابض (diaphragm and spring actuator) ومن ميزاته سهوله العمل وسهوله اجراء الصيانه لمكوناته كما انه اقتصادي اما بالنسبة الى اشارة السيطرة على الصمام فانها تكون غالبا بمدى يتراوح بين ( 3-15 psi) حيث تسلط هذه الاشارة على سطح الرق العريض مما يكسبه قوة تتحول الى عزم كافي للتغلب على العزم المعاكس للنابض وبالتالي يتحرك ساق الصمام ، ومن الميزات الهامه في هذا النوع من المشغلات ايضا انه تصنع بنمطين من انماط السيطرة الامامي (direct acting ) والعكسي (reverse acting)ب – المشغل من نوع المكبس (Piston Actuator) : ومن ميزات هذا النوع انه يحتاج الى اشارة هوائية اعلى تتراوح بين (80-150 PSI) ، وان العزم المتولد في هذا النوع من المشغلات يكون اكبر وسرعه حركة ساق الصمام تكون اكبر .
- الحشوات (Packings) :تستخدم الحشوات كعوازل لمنع تسرب المائع من جسم الصمام ولتقليل الاحتكاك في نفس الوقت . ويوجد نوعان رئيسيان للحشوات وهما :1- حشوات التفلون (PTFE) : وهي عبارة عن حشوات بلاستيكية لها قابلية لمنع الاحتكاك ومن ميزاتها انها لا تحتاج الى تزييت كما انها تتحمل مواد كيميائة عديدة وتعمل بدرجة حرارة ( -40 الى 450 درجة مئوية ) الا انها لا تستخدم في التطبيقات النووية وتحتاج الى عنق صمام ناعم جدا لكي تمنع الاحتكاك وتعمل على العزل .2- حشوات الكرافيت (Graphite ): ويمكن ان تستخدم في التطبيقات النووية وتتحمل درجات حرارة عالية تصل الى 680 درجة مئوية كما انها لا تحتاج الى تزييت ايضا وتعتبر مانع تسريب جيد جدا ولكنها لا تقلل من الاحتكاك لعنق الصمام بشكل جيد . موجهات الصمام :موجه الصمام جهاز يستخدم مع صمامات السيطرة لغرض ضمان موضع الصمام نسبة لاشارة السيطرة . وهو يستخدم لتحسين الخصائص التشغيلية للصمام ولتقليل الهسترة . وهو يعتبر بمثابة مسيطر تغذية عكسية (Feedback controller) حيث انه يتحسس فتحة الصمام او موضعه من خلال توصيلة (link) مرتبطة بساق الصمام (stem) وتمثل اشارة الدخول له(input) ، اما اشارة السيطرة القادمة من غرفة السيطرة للموجه فتعتبر اشارة التحديد (set point) وان الفرق بين اشارة التحديد واشارة الدخول يمثل اشارة الخطأ (error signal) والتي سوف تجعل الموجه يوجه الصمام للحركة باتجاه الموضع الصحيح لتقليل الخطأ وصولا الى الصفر .وفي بعض الحالات توجد انواع من الصمامات تحتاج الى قيمة اشارة سيطرة اعلى من قيمة اشارة السيطرة الداخلة للموجه . وفي هذه الحالة يستخدم الموجه كمكبر للاشارة بنفس الوقت.
أختيار صمام السيطرة :
العوامل التي تؤثر في اختيار الصمام هي :-
1- نوع المائع المراد التعامل معه .
2- درجة حرارة المائع .
3- لزوجة المائع .
4- الكثافة النوعية للمائع .
5- سعة التدفق ( max. , min. ) للمائع المار من خلال الصمام .
6- ضغط المائع قبل الصمام (max. , min) .
7- ضغط المائع بعد الصمام (max. , min) .
8- مقدار الهبوط في الضغط من خلال الصمام في حالة العمل الاعتيادي وفي حالة الغلق الكامل للصمام .
9- حدود الضوضاء المتولدة المسموحة .
10- حجم الانبوب المراد ربط الصمام به ونوع التوصيلات النهائية .
11- نوع المعدن الخاص بجسم الصمام .
12- وضع الصمام في حالة الفشل .
13- نوع جسم الصمام المطلوب .
14- حجم المشغل المطلوب .
15- مدى اشارة السيطرة المتوفرة .
معادلة أختيار الصمام :
المصادر (References):
1- ” CONTROL VALVE HANDBOOK” , 3RD EDITION , FISHER CONTROLS INTERNATIONAL, INC , 2001 .
2- NOUVOPIGNONE CONTROL VALVES HADBOOK, 1941 .
3- EMERSON PROCESS MANAGEMENT WEBSITE.