کتاب طراحی شیر دروازه ای

فهرست
عنوان صفحه
فصـل اول 11
طراحی گیت 11
مقدمه 11
ورق دایره‌ای تحت بارگذاری یکنواخت، با لبه‌ی تکیه‌گاه ساده 12
تحلیل تنش گیت در نرم افزار ABAQUS 17
فصـل دوم 25
طراحی بدنه 25
مقدمه 25
بدنه به عنوان سیلندر استوانهای با سر بسته و تحت فشار یکنواخت داخلی 26
ورق دایره‌ای تحت بارگذاری یکنواخت، با لبه‌ی تکیه‌گاه گیردار 28
ضخامت پوستهی استوانهای بر اساس استاندارد ASME Section 8 Division 2 32
ضخامت هد دایرهای صاف بر اساس استاندارد ASME Section 8 Division 2 33
طراحی فلنج استاندارد بر اساس استاندارد API 6A 35
تحلیل تنش بدنه در نرم افزار ABAQUS 43
تحلیل تنش بدنه بر اساس استاندارد ASME Section 8 Division 2 50
فصـل سوم 59
طراحی سیت 59
مقدمه 59
سیت به عنوان سیلندر استوانهای دو سر باز و تحت فشار یکنواخت داخلی 60
تحلیل تنش سیت در نرم افزار ABAQUS 63
فصـل چهارم 69
طراحی بانت 69
مقدمه 69
ضخامت درپوش دایرهای صاف بر اساس استاندارد ASME Section 8 Division 2 70
تعیین نیروی پیچها 72
تحلیل تنش بانت در نرم افزار ABAQUS 76
فصـل پنجم 83
طراحی استم 83
مقدمه 83
گشتاور استم 83
شفت تحت گشتاور پیچشی 85
تحلیل تنش استم در نرم افزار ABAQUS 89
فصـل ششم 95
طراحی پیچ 95
مقدمه 95
اتصالات پیچ و مهره 96
منـابع و مآخـذ 109

مجرابند شیر دروازه¬ای یک گیت است که با بالا و پایین رفتن آن، شیر باز و بسته می¬شود. در این گیت یک سوراخ افقی، به قطر بور شیر، برای گذر کردن جریان ایجاد شده است و بر اساس سایز فلنج استاندارد شیر تعیین میشود. زمانی که شیر باز است، گیت در بالاترین وضعیت خود قرار گرفته و سیال از سوراخ آن عبور می‌کند و هنگامی که شیر بسته می‌شود، گیت پایین آمده و مانع عبور جریان خواهد شد. خاطر نشان می‌شود یک سوراخ عمودی رزوه‌دار هم برای جایگذاری استم در گیت موجود است و قطری معادل با قطر استم دارد. بیشترین تنش¬ها زمانی به گیت وارد می¬شوند که شیر کاملا بسته باشد.
در زمانی که شیر بسته است و گیت مسیر سیال داخل بور را مسدود کرده است می¬توان گیت را مثل یک ورق دایره¬ای تحت فشار یکنواخت فرض کرد. ساده¬ترین راه محاسبه¬ی ضخامت ورق دایره‌ای ضخیم که تحت ‌فشار یکنواخت است، استفاده از روش المان محدود (FEM) و نرم‌افزارهای تحلیل تنش مثل ¬ABAQUS است. می‌توان از نظریه¬ی ورق¬های نازک استفاده کرد و حداقل ضخامتی که به دست می¬¬آید را به عنوان فرض اولیه، جهت محاسبات نرم‌افزاری، در نظر گرفت.
ورق دایره‌ای تحت بارگذاری یکنواخت، با لبه‌ی تکیه‌گاه ساده
در وضعیتی که شیر بسته است و گیت مسیر عبور سیال را مسدود کرده است، اگر از بور شیر به گیت نگاه شود یک ورق دایره-ای دیده می¬شود. بنابراین در زمان بسته بودن شیر، می¬توان گیت را یک ورق دایره¬ای فرض کرد که تحت فشار یکنواخت سیال است. با مشاهده¬ و دقت در شکل¬های 1-1 و 1-2 این موضوع به خوبی درک می¬شود.
یک ورق دایره‌ای با شعاع r_i و ضخامت t تحت یک بار گسترده‌ی یکنواخت P در نظر بگیرید. مدول یانگ و نسبت پواسون به ترتیب با E و ϑ نشان داده شده‌اند.

بارگذاری و تعیین شرایط مرزی
بحرانی¬ترین وضعیتی که ممکن است برای گیت اتفاق بیفتد زمانی است که شیر بسته است و سیال تست به آن وارد می¬شود. فشار سیال تست سیت به تمام قسمت¬هایی از سطح گیت که در معرض سیال داخل بور است اعمال می¬شود.
سطحی از جایگاه استم نات بر روی گیت که با استم نات در تماس است مقید می¬شود. همچنین جابه¬جایی آن قسمت از سطح گیت که بر روی سیت سیل سمت دیگر تکیه می-دهد در امتداد محور بور شیر بسته خواهد شد.

مش ¬بندی
با توجه به هندسه¬ی قطعه، شکل المان آن Tet، تکنیک آن Free و نوع المان آن به صورت C3D10: A 10-node quadratic tetrahedron انتخاب می¬شود. یک سایز اولیه‌ی مش جهت حل مسئله انتخاب و در چند مرحله‌ی متوالی ریزتر می‌شود تا همگرایی و دقت جواب‌ها بررسی شوند. جایی که با کوچک‌تر کردن اندازه‌ی مش جواب مسئله تغییری نکند اندازه‌ی مش مورد نظر قابل قبول است. لازم به ذکر است نتایج مسئله باید در نقطه‌ای بررسی شود که دور از تمرکز تنش‌ها و تکیه‌گاه‌ها باشد.

علاوه بر تحمل تنش ناشی از اعمال بار، جابه¬جایی گیت هم اهمیت دارد. مقدار حداکثر جابه¬جایی گیت باید به قدری کم باشد تا آب¬بندی بین گیت و سیت انجام شود ]18[. از کانتورهای جابه¬جایی می¬توان فهمید که حداکثر جابه¬جایی کلی، در مرکز صفحه دایره¬ای آن سمت گیت که در معرض جریان سیال است اتفاق می¬افتد و حداکثر مقدار آن برابر با 0.046 mm است.
بر اساس شبیه¬سازی صورت گرفته خطرناک¬ترین مناطق گیت، مرکز سطح تخت گیت و سطح داخلی سوراخ جایگیری استم هستند. از آن جا که قطر سوراخ گیت تابع سایز شیر و اندازه¬ی بور است تغییر اندازه¬ی آن ممکن نیست، بنابراین به منظور تحمل تنش، تنها می-توان ضخامت گیت را تغییر داد. یافتن ضخامت خارجی بهینه¬ای که هم بتواند حداکثر تنش را تحمل کند و هم شرایط نشت¬بندی بین بال و سیت رینگ را فراهم کند مهم¬ترین قسمت طراحی گیت است که صرفا از طریق شبیه¬سازی آن در نرم¬افزار و به شیوه¬ای که در این کتاب تشریح شد به دست می¬آید.

بدنه¬ ی شیرهای دروازه¬ای شامل یک سیلندر و دو فلنج است. فلنج¬ها استاندارد هستند و به صورت جداگانه بررسی می¬شوند، اما در حالت کلی می¬توان بدنه را یک سیلندر استوانه¬ای تحت فشار یکنواخت داخلی فرض کرد ]24[.
با مشخص شدن اندازه¬های گیت، قطر داخلی سیلندر بدنه هم قابل تعیین است. در وضعیتی که شیر نیمه¬باز باشد، بدنه متحمل بیشترین فشار می¬شود. با دانستن فشار و قطر داخلی و تخمین قطر خارجی سیلندر، تنش¬ها قابل محاسبه¬اند. همچنین با داشتن فشار و قطر داخلی سیلندر و استحکام تسلیم قطعه، می¬توان قطر خارجی و ضخامت سیلندر را تعیین کرد.
بدنه¬ی شیر توپی یک محفظه¬ی تحت فشار محسوب می¬شود، بنابراین می¬توان جهت محاسبه¬ی ضخامت پوسته از استاندارد ASME BPVC استفاده کرد و جواب آن را با نتیجه¬ی تئوری سیلندرهای استوانه¬ای تحت فشار مقایسه کرد. مزیت دیویژن دوم این استاندارد آن است که علاوه بر طراحی بر اساس فرمول، دستورالعمل طراحی بر اساس FEM هم ارائه شده است.
استاندارد طراحی شیرآلات API 6A علاوه بر قطر بور شیر و فاصله¬ی سطح تا سطح فلنج¬ها، اندازه¬های فلنج و گسکت آن را هم تعیین کرده است، اما طراحی قسمت های میانی و داخلی بدنه را به محاسبات و نظر طراح واگذار کرده است.
بدنه به عنوان سیلندر استوانه¬ای با سر بسته و تحت فشار یکنواخت داخلی
در سیلندرهای استوانه‌ای تحت ‌فشار، تنش¬های شعاعی و مماسی به صورت همزمان اتفاق می¬افتند که مقدار آن¬ها بستگی به شعاع جزء مورد بررسی دارد.
برای تعیین تنش شعاعی σ_r و تنش مماسی σ_θ فرض می¬کنیم که افزایش طول سیلندر در سراسر محیط آن ثابت است. به عبارت دیگر، یک مقطع صاف از سیلندر، پس از تنش مسطح باقی می¬ماند.

بارگذاری و تعیین شرایط مرزی
بحرانی¬ترین وضعیتی که ممکن است برای بدنه اتفاق بیفتد زمانی است که شیر نیمه¬باز است و سیال تست به آن وارد می¬شود. فشار سیال تست به تمام سطح داخلی قطعه وارد می¬شود. نیروی پیچ¬های فلنج¬های استاندارد طرفین شیر از طریق مهره¬ها به فلنج¬ها اعمال می¬شود. همچنین قسمت رزوه¬دار پیچ¬های فلنج بدنه به بانت در داخل سوراخ¬های بدنه قید Tie می¬خورند و نیروی پیچ¬ها به صورت کششی به آن¬ها وارد می¬شود.
جابه¬جایی سطح گسکت¬خور فلنج¬های استاندارد طرفین شیر در تمام جهت¬ها مقید می¬شود. علاوه بر این جابه¬جایی سطح گسکت¬خور فلنج بدنه که به بانت پیچ می¬شود در جهت عمود بر آن بسته می¬شود.

مش¬بندی
با توجه به هندسه¬ی قطعه، شکل المان آن Tet، تکنیک آن Free و نوع المان آن به صورت C3D10: A 10-node quadratic tetrahedron انتخاب می¬شود. یک سایز اولیه‌ی مش جهت حل مسئله انتخاب و در چند مرحله‌ی متوالی ریزتر می‌شود تا همگرایی و دقت جواب‌ها بررسی شوند. جایی که با کوچک‌تر کردن اندازه‌ی مش جواب مسئله تغییری نکند اندازه‌ی مش مورد نظر قابل قبول است.
بررسی نتایج
از کانتورهای تنش پیداست که حداکثر تنش فون¬مایزز در سطح داخلی بدنه و در محل برخورد هاب فلنج¬ها به سیلندر بدنه اتفاق می¬افتد. آن¬گونه که پیداست مقدار آن از 414 MPa که استحکام تسلیم فولاد AISI 4130 است، بیشتر می¬باشد. اگر صرفا مقدار تنش فون ¬مایزز مبنای طراحی در نظر گرفته شود لازم است ضخامت و قطر خارجی بدنه تا اندازه¬ای اضافه شود که تنش آن کمتر از استحکام تسلیم ماده¬ بدنه شود و این راه حل مستلزم افزایش قابل ملاحظه¬ی ضخامت است.