วาล์วควบคุมกับระบบมาตรวัดปริมาตรของเหลว
(Control Valves in Dynamic Measuring Systems)
ตอนที่ 2
เนื่องจากวาล์วประกอบด้วยชิ้นส่วนกลไกที่ถูกออกแบบมาเพื่อควบคุมการไหลของของไหลหลากหลายชนิดตั้งแต่ของไหลสถานะเดียว (Single Phase) คือถ้าของไหลเป็นของเหลวก็เป็นของเหลวเท่านั้น ถ้าเป็นก๊าซก็ต้องเป็นก๊าซอย่างเดียว ต้องไม่มีการผสมกันของเหลวกับก๊าซ หรือก๊าซผสมกับของเหลว ของไหล 2 สถานะ (2-Phase) คือของไหลที่มีทั้งของเหลวและก๊าซส่วนจะเป็นสัดส่วนเท่าใด สัดส่วนผสมกันคงที่หรือเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาก็สุดแล้วแต่ ยังรวมไปถึงของไหลที่มีอนุภาคของแข็งแขวนลอย เช่น ในกรณีอนุภาคของแข็งไหลร่วมอยู่ในของเหลวเราเรียก “Slurries” จนถึง 3 สถานะ (3-Phase) ภายใต้ความดันและอุณหภูมิที่แตกต่างกันในระบบท่อซึ่งถูกออกแบบเพื่อใช้งานที่แตกต่างกันไปในแต่ละกระบวนการนั้นๆ แต่ในงานชั่งตวงวัดตามข้อกำหนดของกฏหมาย (Legal Metrology) เราพิจารณาเฉพาะของไหลสถานะเดียว (Single Phase) เท่านั้น ดังนั้นการทำงานของวาล์วในภาพรวมในระบบหนึ่งหรือกระบวนการหนึ่งที่มีอุณหภูมิและความดันที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลานั้นจึงมีหน้าที่หลักๆ ได้แก่
ก. เพื่อการหยุดหรือเริ่มการไหลในระบบท่อ
ข. ควบคุมเปลี่ยนแปลงปริมาณการไหล (Throttling) ในระบบท่อ
ค. ควบคุมทิศทางการไหลในระบบท่อ
ง. ควบคุมแรงดันในระบบท่อสำหรับกระบวนการทำงานหนึ่งๆ
จ. ระบบความดันของระบบท่อเมื่อสูงกว่าค่าที่ตั้งไว้ อันนี้อาจกำกวมและทำให้นึกโยงไปถึง Safety Relief Valve
ด้วยการนำชิ้นส่วนที่เรียกว่า “ลิ้นวาล์ว” หรือ “Flow Control Element” ไปขวางทางช่องทางการไหล (Port) ภายในตัววาล์ว ด้วยเหตุนี้จากธรรมชาติการทำงานของลิ้นวาล์วจึงนำไปสู่การกำหนดชนิดของวาล์วและการควบคุมการทำงานนั้นเอง เช่นวาล์วชนิด Gate Valve, Glob Valve, Butterfly Valve, Ball Valve หรือ Check Valve เป็นต้น
นอกจากวาล์วต้องทำหน้าที่หลักๆ ดังที่กล่าวมาแล้วนั้น วาล์วแต่ละชนิดยังต้องทำหน้าที่สำคัญอีก 2 อย่างคือ ประการแรก ต้องไม่มีการรั่วไหลออกไปภายนอกตัววาล์ว เช่น รั่วไหลผ่านก้านวาล์วหรือรอยต่อชิ้นส่วนของตัววาล์ว ประการที่สอง คือวาล์วต้องไม่รั่วไหลระหว่างภายในของตัววาล์วเองในขณะทำงาน เช่น เมื่อปิดวาล์วของไหลต้องไม่รั่วไหลผ่านลิ้นวาล์วที่มันทำหน้าที่สกัดกั้นการไหลผ่านของไหล เป็นต้น จากหน้าที่ทั้ง 2 ประการนำไปสู่การออกแบบวาล์ว การเลือกใช้วัสดุสร้างวาล์ว ฯลฯ
แต่อย่างไรก็ตามถึงแม้วาล์วมีอยู่ด้วยกันหลายชนิดแต่ก็มีชิ้นส่วนหลักๆบางส่วนที่คล้ายกันและมีพื้นฐานวัตถุประสงค์ในการออกแบบที่คล้ายคลึงกัน ด้วยเช่นกัน (ดูรูปที่ 12) จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่เราต้องทำความเข้าใจในเบื้องต้นกันเสียก่อน ก่อนที่เราจะเข้าไปลงในรายละเอียดของวาล์วในแต่ละชนิด
1. ตัวเรือนวาล์ว (Valve Body) หรือในบางครั้งเรียกว่า “Shell” เป็นส่วนที่รองรับความดันจาก 2 แหล่งที่สำคัญ แหล่งแรกมาจากความดันของไหลภายในระบบท่อซึ่งวาล์วไปติดตั้งในระบบท่อนั้นๆ แหล่งที่ 2 คือความดันหรือแรงดันเชิงกลที่มากดอัดบนตัวเรือนวาล์วเนื่องจากการเชื่อมต่อวาล์วเข้ากับระบบท่อบริเวณทางเข้าและทางออกปลายตัวเรือนวาล์วทั้ง 2 ข้างทั้งขึ้นกับชนิดของปลายตัวเรือนของวาล์วว่าเป็นชนิดใด เช่น หน้าแปลน (Flange), เกลียว (Threaded), หรือหน้าแปลนแบบเชื่อมเข้ากับระบบท่อ (Welded Joint) รวมถึงช่องทางของไหล (Fluid Flow Passageway หรือ Port) ผ่านตัวเรือนวาล์ว และชุดขวางทางช่องทางของไหลซึ่งก็คือ ลิ้นวาล์ว กับ Seat Ring หรืออาจพบว่าในบางครั้งเรียกรวมกันว่า “Trim”
นอกจากรองรับความดันแล้วตัวเรือนวาล์วยังมีหน้าที่สำคัญอีกหน้าที่หนึ่งก็คือเป็นตัวรองรับอุปกรณ์ชิ้นส่วนต่างๆ รวมเข้าด้วยกันเพื่อทำหน้าที่ “วาล์ว” ด้วยเหตุนี้ตัวเรือนจึงมักจะมีรูปทรงที่ค่อนข้างสลับซับซ้อนเพื่อให้สามารถทำหน้าที่ได้ครบกับความต้องการที่มากมายดังที่กล่าวมา และถือว่าตัวเรือนวาล์วมี Stiffness สูงมากตามมา
2. Bonnet คำนี้ไม่ต้องแปล ใช้ภาษประกิตกันไปเลย (เพราะไม่มีปัญญาแปล) เป็นส่วนที่รองรับความดันของไหลรองลงมาจากตัวเรือนวาล์ว ซึ่ง Bonnet อาจถูกใช้เพื่อรองรับหรือประคองก้านวาล์ว (Stem) รวมไปถึงเป็นที่รองรับ Packing box และซีลก้านวาล์ว (Stem Seal) เพื่อป้องกันการรั่วของของไหลจากภายในตัวเรือนวาล์วผ่านก้านวาล์วเนื่องจากก้านวาล์วซึ่งต่อเชื่อมกับลิ้นวาล์วทะลุผ่าน Bonnet ได้เเคลื่อนที่ไปพร้อมกับลิ้นวาล์วขณะวาล์วทำงาน (ดูรูปที่ 12) นอกจากนี้ Bonnet อาจถูกออกแบบให้เป็นช่องทางหลักในการเข้าถึงภายในตัวเรือนวาล์วเพื่อใช้ในการประกอบและติดตั้งชิ้นส่วนกลไกต่างๆภายในตัวเรือนวาล์วรวมถึงชิ้นส่วนที่ควบประกอบเข้ากับตัวเรือนวาล์ว สำหรับในวาล์วควบคุม (Control Valve) การออกแบบ Bonnet อาจถูกออกแบบให้เป็นส่วนติดตั้ง Actuator เข้ากับตัวเรือนวาล์วได้เช่นกัน
การยึด Bonnet เข้ากับตัวเรือนวาล์วก็มีวิธีการที่หลากหลายเช่น เกลี่ยว ยึดด้วย Bolts & Nuts หรือแม้แต่เชื่อมติดกันอย่างถาวรก็ได้ และเมื่อทำการยึดBonnet เข้ากับตัวเรือนวาล์วเป็นที่เรียบร้อยแล้ว ทั้ง Bonnet และตัวเรือนวาล์ว (Body) ทั้ง 2 ส่วนหลักนี้คือตัวที่รองรับและรักษาความดันของไหลที่กระทำภายในตัวเรือนวาล์วทั้งหมดนั้นเอง การรั่วไหลของไหลในตัวเรือนวาล์วโดยทั่วไปมักจะเกิดขึ้นบริเวณรอยต่อนี้เอง ในขณะเดียวกันการประกอบตัวเข้าด้วยกันระหว่าง Bonnet กับตัวเรือนวาล์วยังเป็นปัจจัยสำคัญและมีผลต่อความยากง่ายในการผลิตวาล์ว และ/หรือ ค่าใช้จ่ายในการผลิตวาล์วอีกด้วย นอกจากนี้บ่อยครั้งที่หลายคนสับสนระหว่าง Bonnet กับ Yoke (ดูรูปที่ 12) ก็ให้นึกถึงกระเหรี่ยงคอยาวเพราะคอกับลำตัวยึดติดกันเป็นชิ้นเดียวกัน ส่วนที่เป็น “Yoke” ให้ถือว่าเป็นคอยาวๆ ส่วน Bonnet กับ Body ให้ถือว่าเป็นลำตัวก็แล้วกัน จะไม่ได้สับสนกันกับคำว่า “Yoke” ในอนาคตนะ
.jpg)
รูปที่ 12 ชิ้นส่วนของวาล์วควบคุม
การออกแบบ Bonnet ที่อาจเจอ เช่น Extension Bonnet (ดูรูปที่ 13) ในตัว Bonnet จะประกอบด้วย Packing Box ซึ่งต่อยื่นออกเหนือรอยต่อ Bonnet กับตัวเรือนวาล์ว เพื่อต้องการรักษาอุณหภูมิของ Packing Box สูงกว่าหรือต่ำกว่าอุณหภูมิของไหลในตัววาล์วขณะทำงาน ทั้งนี้ความยาวของ Extension Bonnet จึงขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของไหลกับอุณหภูมิออกแบบใน Packing Box ที่ใช้ป้องกันการรั่วไหลของไหลออกจากวาล์วนั้นเอง
3. ลิ้นวาล์ว (Valve Closure Member) หรือบางทีเรียก “Disk”, “Plug” หรือ “Flow Control Element” เป็นส่วนเคลื่อนที่ภายในตัวเรือนวาล์วโดยอยู่ในตำแหน่งขวางทิศทางการไหลของไหลที่เข้ามาภายในตัววาล์วเพื่อทำการปรับเปลี่ยนอัตราการไหลผ่านวาล์ว ลิ้นวาล์วเป็นส่วนที่รองรับความดันของไหลรองลงมาจากตัวเรือนวาล์วและ Bonnet (ถ้าวาล์วมีส่วนประกอบนี้) เนื่องจากเมื่อเราปิดวาล์วในขณะที่ความดันด้านทางออกมีความดันต่ำกว่าความดันทางเข้าลิ้นวาล์วเมื่อนั้นลิ้นวาล์วจะทำหน้าที่รองรับความดันทันทีเช่นเดียวกับตัวเรือนวาล์วและ Bonnet (ถ้ามี) การออกแบบลิ้นวาล์วเพื่อการใช้งานจึงแตกต่างกันออกไป ที่พบเห็นลิ้นวาล์วได้บ่อยคือ
3.1. Ball ลิ้นวาล์วชนิดนี้มีลักษณะทรงกลม โดยใช้ส่วนบริเวณผิวของทรงกลมภายนอกหรือส่วนผิวภายในลิ้นวาล์วเพื่อปรับเปลี่ยนอัตราการไหลด้วยการหมุนตัวลิ้นวาล์ว (Rotary Motion)
3.2. Disk เป็นแผ่นวงกลมราบเรียบทั้ง 2 ด้าน โดยใช้ความเป็นแผ่นขอบทรงกลมเพื่อใช้ในการปรับเปลี่ยนอัตราการไหลด้วยการหมุน (Rotary Motion) หรือเคลื่อนที่ในแนวเชิงเส้นตรง (Linear Motion) บนตัวลิ้นวาล์ว
3.3. Gate ลิ้นวาล์วอาจเป็นแผ่นราบเรียบทรงกลมหรือเป็นทรงลิ่มผิวราบเรียบ การทำให้ลิ้นวาล์วชนิดนี้เคลื่อนที่ในเส้นทางเส้นตรงตัดเส้นทางการไหลของไหลผ่านวาล์วเพื่อปรับเปลี่ยนอัตราการไหล
3.4. Plug ลิ้นที่มีลักษณะรูปทรงกระบอกและเผชิญหน้ากับทิศทางการไหลของไหลในแนวเดียวกัน โดยลิ้นชนิดนี้จะเคลื่อนที่ในลักษณะทิศทางเดียวกับทิศทางการไหลของไหลในแนวเส้นตรงเพื่อปรับเปลี่ยนอัตราการไหลซึ่งอาจใช้หรือไม่ใช้ผิวรูปลักษณ์ภายนอกรูปทรงกระบอกเพื่อใช้ในการกำหนดลักษณะรูปแบบการไหล นอกจากนี้อาจมีการออกแบบไม่เป็นแต่เพียงรูปทรงกระบอกเท่านั้นอาจเป็นกรวยตัด (Tapper) พร้อมปรับช่องทางการไหลผ่านลิ้นวาล์วดังกล่าว ส่วนการปรับเปลี่ยนอัตราการไหลของไหลผ่านวาล์วทำด้วยการหมุนลิ้นวาล์วชนิดนี้
|
.jpg)
|
.jpg)
|
|
ก. Extension Bonnet
|
|
.jpg)
|
.jpg)
|
|
ข. Bellows Seal Bonnet
|
รูปที่ 13 ตัวอย่างการออกแบบ Bonnet
4. ช่องทางการไหล (Flow Control Orifice หรือ Port) เป็นช่องทางช่องหนึ่งภายในตัวเรือนวาล์วที่ยอมให้ของไหลไหลผ่าน และเป็นช่องเปิดที่ถูกออกแบบให้ลิ้นวาล์วเคลื่อนที่ในช่องนี้เพื่อปรับเปลี่ยนอัตราการไหลผ่านวาล์ว ดังนั้นเพื่อให้วาล์วทำหน้าที่ครบสมบูรณ์สำหรับการหยุดหรือเริ่มการไหล, เปลี่ยนแปลงปริมาณการไหลด้วยการหรี่วาล์ว (Throttling), ควบคุมทิศทางการไหลในระบบท่อ หรือควบคุมแรงดันในระบบท่อ การแนบสนิทระหว่าง Port กับลิ้นวาล์วเป็นเรื่องสำคัญและจำเป็นที่สุด ด้วยเหตุนี้ในการออกแบบอาจต้องติดตั้ง Seat Valve หรือ Seat Ring และ Seat Gasket เอให้บดอัดกับลิ้นวาล์ว หรืออาจใช้วิธีการกลึง Port ให้เรียบสนิทกับกับลิ้นวาล์วไปเลยโดยไม่ต้องติดตั้ง Seat ring ก็ได้ โดยยังคงใส่ใจในเรื่องการบดอัดระหว่างลิ้นวาล์วกับ Port ด้วยเช่นกัน
นอกจากวิธีการติดตั้งเข้ากับตัวเรือนวาล์ว การบดอัดระหว่างลิ้นวาล์วกับ Seat Ring แล้ว ยังต้องพิจารณาถึงประเด็นอื่นเพิ่มเติมในกรณีที่เลือกติดตั้ง Seat Ring เช่น Seat Ring ต้องเป็นวัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อน ไม่ทำปฏิกริยากับของไหลใช้งาน เป็นต้น
5. Stem (ก้านวาล์ว) มีด้วยกันหลายรูปแบบแต่หน้าที่หลักคือเป็นแกนแท่งซึ่งถูกออกแบบให้เชื่อมติดกับลิ้นวาล์วและเชื่อมต่อกับ Actuator หรือมือหมุนวาล์ว ด้วยเหตุนี้ก้านวาล์วจึงเป็นส่วนที่อยู่ภายใต้สภาวะเช่นเดียวกับของไหลภายในตัวเรือนวาล์ว อีกทั้งมีส่วนที่เชื่อมต่อออกมาภายนอกตัวเรือนวาล์วซึ่งอาจสัมผัสหรือไม่สัมผัสกับบรรยากาศภายนอกสถานที่ติดตั้งวาลว์ ส่งผลให้การออกแบบเพื่อป้องกันหรือแบ่งเขตแดนความแตกต่างของความดันและอุณหภูมิดังกล่าวรอบก้านวาล์วรวมทั้งขณะซีลป้องการรั่วไหลของไหลผ่านก้านวาล์วขณะก้านวาล์วเคลื่อนที่และหยุดนิ่งจึงเป็นเรื่องวิกฤตมากทีเดียว เราจึงต้องพิจารณาในเรื่องการซีลของไหลรอบก้านวาล์วดังกล่าวที่เรียกว่า Stem Seal พอแบ่งวิธีการซีลได้ 3 หลักการใหญ่ๆ คือ
5.1. Packing เป็นระบบซีลที่ใช้วัสดุที่มีความยืดหยุ่นให้ตัวจำพวกไฟเบอร์หรือพวก Teflon 1 ชั้นหรือหลายชั้นอัดรอบก้านวาล์วให้อยู่ภายใน Packing Box (ช่องโพรงที่เจาะภายใน Bonnet ที่ก้านวาล์วทะลุผ่านไป) พร้อมจัดให้มีวิธีการเพิ่มแรงกดอัดเข้ากับซีลดังกล่าวจนกว่าสามารถซีลรอบก้านวาล์วได้สมบูรณ์ไม่มีการรั่วไหลของไหลออกมาจากตัวเรือนวาล์วผ่านก้านวาล์ว แต่อย่างไรก็ตามต้องพึ่งระวังไม่ทำการอัดซีลแน่นมากจนเกินไปจนทำให้เกิดความเสียหายกับก้านวาล์วหรือจนหมุนก้านวาล์วต้องใช้แรงมากเกินกว่ากำหนด ทั้งนี้ต้องมีการเตรียมผิวที่ราบเรียบของก้านวาล์วบริเวณติดตั้งซีลรอบก้านวาล์วด้วยเพื่อป้องกันการรั่วและการแนบสนิทระหว่างซีลรอบก้านวาล์ว
5.2. Pressure Energized Stem Seal เป็นระบบซีลที่ใช้วัสดุที่มีความยืดหยุ่นให้ตัวเช่นเดียวกับ 5.1 แต่ใช้ความดันของไหลจากในระบบท่อหรือนอกระบบท่ออัดซีลแทนเพื่อให้ซีลแนบสนิทรอบก้านวาล์ว
5.3. Back Seat หน้าผิวสัมผัสของซีลใน Bonnet ซึ่งขบอัดกับลิ้นวาล์วหรือแกนวาล์วในตำแหน่งที่เปิดสุดเพื่อใช้ความดันอัดในการซีล
6. Actuator ในตลาดขายสินค้าในบ้านเราดูเหมือนจะเรียกว่า “หัวขับวาล์ว” โดยต่อเชื่อมตัว Actuator กับก้านวาล์วเพื่อทำหน้าที่ขับเคลื่อนลิ้นวาล์ว สำหรับตัว Actuator อาจมีหลักการทำงานที่แตกต่างกัน เช่น Motor Operator, Solenoid Operator, Pneumatic Operator หรือ Hydraulic Ram เป็นต้น
ก่อนที่เราจะกล่าวในเนื้อหาต่อไปจำเป็นต้องปูพื้นฐานความเข้าใจในเบื้องต้นว่าการออกแบบระบบท่อในภาคอุตสาหกรรมนั้นจะยึดเอาอุณหภูมิและความดันของไหลในระบบท่อเป็นเกณฑ์ ผลที่ตามมาก็คือวัสดุอุปกรณ์ที่ประกอบอยู่ในระบบท่อที่ออกแบบไว้จึงต้องสามารถทำงานได้ในสภาวะอุณหภูมิความดันเดียวกันกับระบบท่อที่ออกแบบ จากนั้นก็เป็นการเลือกวัสดุที่ไม่ทำปฏิกริยากับของไหล และ ฯลฯ ดังนั้นเมื่อพูดถึงวาล์วเราก็จะพูดคุยเพื่อความเข้าใจตรงกันทุกฝ่ายโดยใช้ควำว่า “Nominal Pipe Size (NPS)” สำหรับการอ้างถึงขนาดวาล์วและขนาดของท่อมีหน่วยเป็น “นิ้ว” (ดูรูปที่ 14) ส่วนการทนแรงดันที่กระทำต่อวาล์วให้มีหน่วยเป็น “psi” (ดูรูปที่ 15) ล้วนเป็นหน่วยอังกฤษ เหตุที่ไม่ได้เป็นหน่วยเมตริกเพราะเราตามหลังประเทศที่พัฒนาซึ่งประเทศของเค้าใช้หน่วยอังกฤษเป็นเวลานานจนกลายไปเป็นมาตรฐานโดยมีหน่วยงาน American National Standards Institute (ANSI) เค้าออกมาเป็นมาตรฐานรองรับ แต่ในขณะเดียวกันในฝั่งของ International Standards Organization (ISO) ก็กำหนดการขนาดวาล์วและขนาดของท่อมีหน่วยเป็น “Nominal Diameter (DN)” ขึ้นมา ส่วนการทนแรงดันที่กระทำต่อวาล์ว (Pressure Ratings) ได้กำหนดเป็น “Nominal Pressure (PN)” เมื่อเราต้องอยู่ท่ามกลางระบบ 2 หน่วยเราจึงจำเป็นต้องทำความรู้จักและปรับตัวกันไป แต่ดูเหมือนประเทศส่วนใหญ่จะคุ้นเคยหน่วยอังกฤษกันเสียมากกว่า
.jpg)
รูปที่ 14 ขนาดวาล์วและขนาดของท่อ หน่วยตาม ANSI เทียบกับ ISO
.jpg)
รูปที่ 15 ชั้นทนแรงดันใช้งานของวาล์ว หน่วยตาม ANSI เทียบกับ ISO (โดยประมาณ)
ลักษณะการติดตั้งวาล์วกับระบบท่อ (Body End Connections)
การออกแบบวิธีการเชื่อมต่อวาล์วเข้ากับระบบท่อมีอยู่ด้วยกันหลายวิธี ซึ่งนอกจากพิจารณาในปัจจัยด้านอุณหภูมิ, ความดันและอัตราการไหลของไหลภายในระบบท่อแล้วยังต้องคำนึงปัจจัยอื่นๆ พร้อมกันไปด้วย เช่น คุณสมบัติทางเคมีในด้านการกัดกร่อน เป็นต้น แต่ที่สำคัญต้องได้รับการออกแบบเพื่อให้สอดรับกับการเชื่อมต่อระบบท่อด้วย สำหรับการออกแบบในอุดมคติแล้วรูปแบบการเชื่อมต่อและชนิดวัสดุของทั้งวาล์วและระบบท่อที่เชื่อมต่อนั้นต้องเป็นชนิดเดียวกัน แต่ในความเป็นจริงมักเป็นอีกเรื่องหนึ่ง
กฏทั่วไปของการออกแบบรูปแบบการเชื่อมต่อปลายตัวเรือนวาล์วที่มีขนาดเล็กกว่า 2 นิ้ว สามารถใช้ข้อต่อชนิดเกลียว (Threaded Connection) ได้ สำหรับวาล์วที่มีขนาดตั้งแต่ 2 นิ้วขึ้นไปใช้เป็นข้อต่อหน้าแปลน (Flanged Connection) ซึ่งกฏเกณฑ์ดังกล่าวนี้เป็นที่ยอมรับในทางปฏิบัติในภาคอุตสาหกรรมปิโตรเลียมเนื่องจากต้องคำนึงถึงการฟุ่งกระจายและอันตรายจากการรั่วไหลของไหลในระบบท่อแต่ในขณะเดียวกันหากของไหลดังกล่าวเป็นน้ำ เราสามารถใช้ระบบข้อต่อแบบเกีลยวได้กับท่อขนาดถึง 4 นิ้วเนื่องจากถึงแม้เกิดการรั่วไหลของน้ำเกิดขึ้นก็ไม่เป็นอันตรายเหมือนเช่นของไหลปิโตรเลียม วิธีการเชื่อมต่อปลายตัวเรือนวาล์วเข้าระบบท่อที่เรามักพบเจอ พอแบ่งออกได้ 4 ประเภท คือ
1. ข้อต่อเกลียว (Threaded End Connections) มักจะพบข้อต่อเกลียวบนปลายทั้ง 2 ด้านของวาล์วที่มีขนาดเล็ก 1.5 นิ้ว (DN 40) ลงมา (ดูรูปที่ 16) โดยการขึ้นเกลียวส่วนใหญ่เป็นไปตามมาตรฐาน National Pipe Thread (NPT) ดังในรูปที่ 18 และใช้มาตรฐาน National Hose Thread (NHT) สำหรับงานดับเพลิง หรือใช้มาตรฐาน Garden Hose Thread (GHT) สำหรับงานสวนซึ่งคงไม่เกี่ยวกับเรางานชั่งตวงวัดตามข้อกำหนดของกฎหมาย แต่ด้วยข้อจำกัดในการรองรับความดันด้วยระบบเกลียวทำให้ข้อต่อประเภทนี้โดยทั่วไปแล้วจะทนแรงดันสูงไม่เกินชั้นทนแรง ANSI Class 600 อีกทั้งไม่เหมาะสมกับของไหลในกระบวนการที่มีความกัดกร่อนสูง วาล์วข้อต่อแบบเกลียวปกติแล้วจะมีขนาดเล็กและเบาสะดวกต่อการติดตั้งเพราะเราต้องหมุนทั้งท่อและวาล์ว สุดท้ายราคาถูก
.jpg)
รูปที่ 16 ข้อต่อปลายตัวเรือนวาล์วเป็นข้อต่อเกลียว (Threaded Connection)
2. ข้อต่อหน้าแปลน (Flanged End Connections) ถูกใช้กับวาล์วที่มีขนาดใหญ่ตั้งแต่ 2 นิ้วขึ้นไป (DN 50) เพราะสะดวกในการติดตั้งโดยไม่ต้องหมุนทั้งวาล์วและท่อในการประกอบเข้าด้วยกัน ข้อต่อหน้าแปลนโดยทั่วไปสามารถรองรับอุณหภูมิและความดันภายในระบบท่อสูงจนถึง 815 °C (1500 °F) โดยอาศัยแรงยึดด้วย Blots & Nuts กดอัดหน้าแปลนของวาล์วและหน้าแปลนของระบบท่อที่ราบเรียบ (Flat Face) เข้าด้วยกันโดยมีประเก็นคั่นกลางเพื่อซีลหน้าสัมผัสโลหะทั้ง 2 (ดูรูปที่ 17 ก.) มาตรฐานของหน้าแปลนประจำวาล์วชนิดนี้จะถูกผลิตตามมาตรฐาน ANSI B16.5 หรือ API 6A การเลือกใช้หน้าแปลนจึงต้องพิจารณาถึงชนิดลักษณะการใช้งาน วัสดุที่เลือกใช้ทำหน้าแปลน อุณหภูมิและความดันสูงสุดที่ใช้งาน แต่อย่างไรก็ตามถึงแม้ข้อต่อหน้าแปลนจะมีข้อดีสำหรับการติดตั้งหรือถอดวาล์วออกจากระบบท่อก็ตามแต่หน้าแปลนเองก็ไม่เหมาะและไม่สามารถรองรับภาระแรงที่กระทำเป็นวงรอบ (มีจังหวะแรงกระทำและจังหวะหยุดกระทำสลับกัน; cyclic load) หรืออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเป็นวงรอบขึ้นๆลงๆ หากต้องใช้งานในลักษณะดังกล่าวให้ไปพิจารณาเลือกใช้ข้อต่อวาล์วแบบเชื่อมโลหะ (Weld End Connection)
ข้อต่อหน้าแปลนของวาล์วชนิดนี้แบ่งเป็น 2 ลักษณะคือ
· แบบ “Integral Flange” คือเป็นข้อต่อหน้าแปลนที่ถูกหล่อเป็นชิ้นเนื้อเดียวกับตัวเรือนวาล์ว (Body) ดูรูปที่ 17
.jpg)
ก. หน้าแปลนหน้าเรียบ (Flat-Face Flanged Connection)
.jpg)
ข. หน้าแปลนหน้ายก (Raised-Face Flanged Connection)
รูปที่ 17 ข้อต่อหน้าแปลนปลายตัวเรือนวาล์ว (Integral Flange Connection)
.jpg)
.jpg)
รูปที่ 18 ข้อต่อชนิดเกลียวตามมาตรฐาน National Pipe Thread (NPT)
· แบบ “Separable Flange” จะเป็นหน้าแปลนแยกต่อกันเคลื่อนไปมาบนกระดุม (Hub) ของตัวเรือนวาล์ว ดูรูปที่ 19 หน้าแปลนของตัวเรือนวาล์วจึงไม่สัมผัสของไหลโดยตรง หน้าแปลนชนิดนี้สามารถถูกใช้เพื่อแก้ไขปัญหาการติดตั้งวาล์วเข้าไปในระบบท่อที่เดินท่อไม่ได้แนวตรง (Alignment) ด้วยการยอมให้ตัวของหน้าแปลนได้ระดับหนึ่งประกอบกับหน้าแปลนชนิดนี้ทนแรงดันไม่สูงมากนัก เช่น วาล์วขนาด 4 นิ้วลงมา ทนแรงดันได้ ANSI Class 150-600 (PN 16- PN 100), วาล์วขนาด 6-8 นิ้ว ทนแรงดันได้ ANSI Class 150-300 (PN 16- PN 40) เป็นต้น ข้อระวังหากเราต้องใช้หน้าแปลนแบบนี้ก็คือการคลายตัวได้ง่ายหากกวดน๊อตหน้าแปลนไม่แน่นเพียงพอ
.jpg)
.jpg)
รูปที่ 19 ข้อต่อหน้าแปลนแบบ “Separable Flange”
สำหรับข้อต่อหน้าแปลนเองก็แบ่งรูปแบบของผิวสัมผัสหน้าแปลนออกเป็น “หน้าเรียบ (Flat Face; FF)” (ดูรูปที่ 17 ก.) ใช้กับงานที่ทนแรงดันภายในระบบท่อต่ำทำด้วยวัสดุทองเหลืองในระบบท่อน้ำและทำด้วยเหล็กหล่อ ส่วนหน้าแปลนอีกแบบที่เรียกว่า “หน้ายก (Raised Face; RF)” (ดูรูปที่ 17 ข.) หน้าแปลนชนิดนี้จะถูกทำให้ส่วนที่เป็นหน้าสัมผัสจริงๆยกสูงขึ้นจากหน้าแปลนเล็กน้อยโดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางวงในหน้ายกเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อและมีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของหน้ายกมีขนาดเล็กกว่ารูร้อย Bolts & Nuts ซึ่งมาตรฐาน ANSI กำหนดให้ความสูงของหน้ายกสูงจากหน้าแปลน 1.5 มม. สำหรับในกรณีที่ชั้นทนแรงดันต่ำกว่า ANSI Class 600 (PN 100) และให้ความสูงของหน้ายกสูงจากหน้าแปลน 6.0 มม. ในกรณีที่ชั้นทนแรงดันสูงว่า ANSI Class 600 (PN 100)
การออกแบบให้หน้าแปลนมีหน้ายกเพื่อแก้ไขปัญหาที่ว่า หากหน้าแปลนแบบหน้าเรียบทั้ง 2 บังเอิญเกิดมีหน้าสัมผัสบิดตัวจนประกบกันไม่สนิททำให้แรงกดอัดบริเวณหน้าสัมผัสกระจายตัวไม่สม่ำเสมอทำให้ของไหลรั่วผ่านบริเวณที่ซึ่งมีแรงกดอัดน้อยเมื่อเทียบกับบริเวณใกล้เคียง ดังนั้นเมื่อออกแบบหน้าแปลนมีหน้ายกปัญหาดังกล่าวก็ถูกกำจัดไปเพราะสามารถสร้างแรงกดอัดหน้าแปลนได้เพิ่มขึ้นและแรงกดอัดกระจายตัวได้สม่ำเสมอตลอดทั่วทั้งหน้าสัมผัสของหน้าแปลนชนิดหน้ายก ข้อต่อหน้าแปลนวาล์วชนิดนี้จึงสามารถทนอุณหภูมิละแรงดันในระบบท่อได้ถึงประมาณ 6,000 psi (400 bar) ทีเดียว และเป็นที่นิยมในการใช้งานกับระบบท่อขนส่งของเหลวปิโตรเลียมน้ำมันสำเร็จรูป
ยังมีหน้าแปลนอีกแบบเรียกว่า “Ring-Type Joint (RTJ)” (ดูรูปที่ 20) เป็นการออกแบบปรับปรุงจากหน้าแปลชนิดหน้ายก (Raised Face) ด้วยการเซาะร่องบริเวณส่วนที่เป็นหน้ายกบางส่วนเพื่อใส่ประเก็นเพิ่มพื้นที่หน้าสัมผัสของประเก็น หน้าแปลนชนิดนี้จึงสามารถทนแรงดันได้สูงถึง 15,000 psi (1,000 bar) แต่อาจไม่สามารถทนที่อุณหภูมิสูงได้มากเช่นเดียวกับความดัน
.jpg)
รูปที่ 20 ข้อต่อหน้าแปลนหน้าสัมผัสชนิด Ring-type Joint (RTJ)
.jpg)
รูปที่ 21 หน้าแปลนท่อโลหะและโลหะอัลลัอย์แบบต่างๆ ที่รองรับการติดตั้งวาล์ว
.jpg)
รูปที่ 22 ตัวอย่างขนาดหน้าแปลนท่อโลหะและโลหะอัลลัอย์แบบต่างๆ ที่รองรับการติดตั้งวาล์ว ASME B16.5, Class 150
3. ข้อต่อเชื่อม (Weld End Connection) เมื่อไหร่ที่นึกถึงหรือต้องการป้องกันการรั่วซึม 100% เต็มในระบบท่อจะด้วยเหตุผลด้านสิ่งแวดล้อม ด้านความปลอดภัย เป็นต้น ขอให้นึกถึงข้อต่อแบบเชื่อมเนื่องจากเป็นข้อต่อวาล์วที่ออกแบบให้เชื่อมโลหะตัวเรือนวาล์วเข้ากับระบบท่อ หรือในกรณีระบบที่มีแรงดันสูงๆ ตั้งแต่ ANSI Class 900 (PN 160) ขึ้นไป โดยเฉพาะของไหลในระบบท่อที่อุณหภูมิยิ่งสูงด้วยแล้วข้อต่อเชื่อมของวาล์วแทบเป็นตัวเลือกเดียวก็ว่าได้ ดังนั้นเราจะเห็นวาล์วที่มีข้อต่อเชื่อมประเภทนี้ในโรงผลิตไฟฟ้าพลังงานความร้อนซึ่งมีระบบท่อไอน้ำที่อุณหภูมิและความดันที่สูงมากระดับ Super Heat (สถานะไอล้วนๆ) สิ่งที่สำคัญมากที่สุดของวาล์วที่มีข้อต่อเชื่อมนี้ก็คือการเลือกวัสดุข้อต่อ (ซึ่งโดยปกติแล้วจะเป็นส่วนเดียวกับตัวเรือนวาล์ว) ให้เป็นวัสดุเช่นเดียวกับวัสดุท่อที่ติดตั้งวาล์วหรือหากไม่สามารถเลือกได้ก็ต้องให้เป็นวัสดุชนิดต่างกันแต่ต้องสามารถทำการเชื่อมโลหะเข้าด้วยกันได้อันนี้ต้องใช้นักโลหะวิทยาหรือดูมาตรฐานอ้างอิง เราพอจะแบ่งข้อต่อเชื่อมตายตัวออกเป็น
· Socketweld End Connection เหมาะกับระบบท่อขนส่งของไหลที่มีอุณหภูมิและความดันสูงและมีขนาดตั้งแต่ 2 นิ้วลงมา เป็นไปตามมาตรฐาน ANSI B16.11 ลักษณะการเชื่อมต่อทำโดยสอดท่อเข้าไปในช่อง (Socket) ซึ่งทำไว้บนหน้าแปลนวาล์วแต่ต้องไม่ยันให้สุดต้องปล่อยให้มีช่องว่างเล็กน้อยเพื่อการให้ตัวเนื่องจากโลหะขยายตัวขณะทำการเชื่อมโลหะ จากนั้นทำการเชื่อมโลหะข้อต่อวาล์วเข้ากับท่อตลอดแนววงรอบที่ท่อสอดเข้ามาได้เพียงแนวเชื่อมโลหะแนวเดียว (แต่แนวเชื่อมจะมีกี่ชั้นขึ้นกับการออกแบบ) ผลที่ได้คือเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อกับทางเข้าวาล์วจะเสมอเรียบเท่ากันดังรูปที่ 23
· Buttweld Connection เหมาะกับระบบท่อขนส่งของไหลที่มีอุณหภูมิและความดันสูงเช่นกันแต่มีขนาดตั้งแต่ 3 นิ้วขึ้นไป ใหญ่ขึ้นมาหน่อย เป็นการเชื่อมแบบต่อชนกันระหว่างปลายด้านทางออกของวาล์วกับปลายท่อที่มาเชื่อมเข้าด้วยกันดังแสดงในรูปที่ 24 โดยอาจเจียรหน้าสัมผัสให้เป็นร่องบากลงจะเป็นรูป V-shaped, J–bevel หรือ U-bevel เพื่อรองรับแนวเชื่อมโลหะตามแต่การออกแบบแนวเชื่อมโลหะว่าให้รองรับแรงดันเท่าใด
.jpg)
รูปที่ 23 ข้อต่อเชื่อมวาล์วแบบ Socketweld End Connection
.jpg)
รูปที่ 24 ข้อต่อวาล์วแบบ Buttweld Connection
4. ข้อต่อชนิดอื่นๆ (Other End Connection) สำหรับข้อต่ออื่นๆ ที่มีอยู่มากมาย เช่น Union End Connection ใช้เชื่อมต่อวาล์วพลาสติก หรืออาจเป็น Clamp Coupling ที่สอดรัดกับร่องที่มีขนาดและร่องลึกเข้ากับ Clamp ได้ ซึ่งข้อต่อชนิดนี้จะใช้กับระบบท่อ Stainless Steel ในงานความปลอดภัยด้านอาหารซึ่งสะดวกต่อการถอดประกอบเพื่อการทำความสะอาดวาล์วอยู่เสมอ (ดูรูปที่ 25) เป็นต้น ในบางครั้งเราจะพบเป็นแบบ Lug-Style คือมีรูหน้าแปลนให้รอย Bolts & Nuts (ดูรูปที่ 26)
รูปที่ 25 ข้อต่อวาล์วแบบ Tri-Clamp Sanitary
รูปที่ 26 ข้อต่อวาล์วแบบ Lug-Style
การแบ่งชั้นทนแรงดันของวาล์ว (Pressure Classes)
ในการออกแบบวาล์วเพื่อใช้งานในระบบท่อปัจจัยที่ต้องคำนึงคืออุณหภูมิและความดันที่วาล์วสามารถทำหน้าที่ได้อย่างถูกต้องและปลอดภัย สำหรับความดันภายในตัวเรือนวาล์วที่วาล์วสามารถทนได้จนถึงจุดหนึ่งโดยวาล์วยังคงทำหน้าที่ถูกต้องและปลอดภัยนั้นเราเรียกว่า “Valve’s Pressure Rate” ดังนั้นยิ่งมีค่า Pressure Rate สูง ยิ่งทนแรงดันได้สูงแต่ขณะเดียวกันผนังวาล์วก็ต้องหนาขึ้นไปด้วยเพื่อให้วาล์วสามารถรองรับการติดตั้งชิ้นส่วนอุปกรณ์ภายในตัวเรือนวาล์วให้ทนแรงดันดังกล่าวได้และเป็นสิ่งที่แน่นอนว่าอุณภูมิภายในวาล์วเองก็มีผลกระทบต่อขีดความสามารถในการรองรับแรงดัน Pressure Rate ของวาล์วดังกล่าวด้วยเช่นกัน นั้นคือของไหลในระบบท่อยิ่งมีอุณหภูมิสูงมากขึ้นยิ่งส่งผลให้วาล์วรองรับความดันน้อยลง ดังตัวอย่างกราฟความสัมพันธ์ของการทนแรงดันของวาล์วที่ทำด้วย Carbon steel เมื่ออุณหภูมิของไหลเปลี่ยนไปในแต่ละชั้นทนแรงดันของวาล์ว แสดงไว้ในรูปที่ 27 ดังนั้นเราต้องทำความเข้าใจถึง Pressure Class Rating กับ Pressure Rating มีความสำคัญในการทำงานของเราอย่างไร
.jpg)
รูปที่ 27 Pressure-Temperature Rating สำหรับ Carbon steel (Fisher control instrument, Inc.)
1. Standard Classification มาตรฐานชั้นทนความดันของไหล (Pressure Class) เป็นไปตาม ANSI B16.34 ซึ่งแบ่ง Pressure Class ออกเป็น 6 Standard Class คือ Pressure Class 150, 300, 600, 900, 1500 และ 2500 (ดูรูปที่ 28 และ รูปที่ 29) ซึ่งชั้นทนแรงดันดังกล่าวใช้ได้กับข้อต่อวาล์วทั้งแบบเกลียว (NPT Threaded), หน้าแปลน (Flange), Socketweld และ Buttweld End Connection ในงานชั่งตวงวัดตามข้อกำหนดของกฏหมายสำหรับน้ำมันสำเร็จรูประบบท่อส่วนใหญ่เป็น Pressure Class 150 ส่วนระบบท่อก๊าซปิโตเลียมเหลว (LPG) ระบบท่อส่วนใหญ่เป็น Pressure Class 300 และ 600
.jpg)
รูปที่ 28 ตัวอย่างการแบ่งกลุ่มวัสดุของวาล์วตามอุณหภูมิและการใช้งาน ตาม ASME B16.34 สำหรับผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียมสำเร็จรูป Group 1.1
2. Special Classification เมื่อติดตั้งวาล์วในระบบท่อที่มีอุณหภูมิและแรงดันสูง ประกอบกับเป็นไปตามข้อกำหนดผ่านการทดสอบแบบไม่ทำลาย (Nondestructive Examination; NDT) เช่น X-ray แนวเชื่อม 100% บริเวณแนวเชื่อมข้อต่อแบบ Buttweld End Connectionของวาล์วเข้ากับระบบท่อแล้ว ตามเอกสาร ANSI B16.34 ยอมให้วาล์วดังกล่าวยกชั้นทนแรงดันเป็น Pressure Special Class 150, 300, 600, 900, 1500, 2500 และ 4500 ได้ ส่วนรายละเอียดเราต้องไปศึกษาเพิ่มเติมเองหากต้องการรู้
.jpg)
รูปที่ 29 ชั้นทนแรงดันของวาล์ว (Pressure Classes) ของกลุ่มวัสดุของวาล์ว Group 1.1 ตาม ASME B16.34
ชั่งตวงวัด; GOM MOC
นนทบุรี
20 ก.ย. 2560