ความรู้พื้นฐานก่อนการเลือกใช้วาล์ว

ความรู้พื้นฐานก่อนการเลือกใช้วาล์ว

การกันรั่ววาล์ว

          หน้าที่ของวาล์วที่สำคัญคือต้องสามารถกั้นการรั่วของของไหลระหว่างบ่าวาล์วกับลิ้นวาล์ว และการกันรั่วก้านวาล์ว เพื่อป้องกันของไหลเล็ดลอดการกันรั่วจึงถือว่ามีความสำคัญมากในการเลือกใช้วาล์ว

การกั้นรั่วไหลระหว่างบ่าวาล์วกับลิ้นวาล์ว

         ความหยาบของพื้นผิวประกอบด้วยสองส่วนได้แก่ ส่วนที่เป็นระลอกคลื่นที่เกิดจากการปรับแต่งด้วยเครื่องจักรโดยเปรียบเทียบจากแนวกว้างระหว่างยอดคลื่น และ ส่วนขรุขระเล็กที่ทาบอยู่บนลูกคลื่นซึ่งเป็นสภาพของพื้นผิววัสดุนั้น ๆ ซึ่งแม้แต่การแต่งผิวที่ละเอียดที่สุดสภาพขรุขระก็ยังคงมีอยู่ ถ้าวัสดุที่ใช้ทำหน้าวาล์วมีค่าความเครียด(Yield)สูงพอ เส้นทางการรั่วไหลจะถูกปิดกันด้วยการเปลี่ยนรูปอย่างยืดหยุ่น(Elastic)บริเวณยอดคลื่นทำให้เกิดพื้นที่สัมผัสมากขึ้นจนสามารถปิดส่วนที่ขรุขระบนยอดคลื่นได้ สำหรับความขรุขระที่มีทิศทางตามแนวรัศมีเป็นการยากหรือเป็นไปไม่ได้เลยที่จะกันการรั่ว

         วัสดุโลหะส่วนใหญ่มีค่าความเครียดต่ำมากดังนั้นในการปิดกันการรั่วโลหะจะได้รับความเค้นเกินกว่าขีดจำกัดซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างถาวรบริเวณยอดคลื่นทำให้ประสิทธิภาพในการปิดกั้นการรั่วในครั้งต่อไปลดลง สำหรับวัสดุปิดกันแบบอ่อนเช่นยางที่มีค่าความเครียดมากกว่าเหล็กประมาณ 1000 เท่าจะทำให้สามารถแทรกตัวได้อย่างสมบูรณ์ไปตามผิวหน้าที่ประกบกันอยู่จึงทำให้ความสามารถในกันรั่วเพิ่มมากขึ้นและยังสามารถทำการปิดกันซ้ำได้อีกเรื่อย ๆ แต่วัสดุดังกล่าวจะต้องสามารถทนต่อการกันกร่อนและอุณหภูมิของของไหลด้วย

         เนื่องจากการปิดตัวก่อให้เกิดการสึกหรอบริเวณผิวสัมผัสจากอนุภาคที่เสียดสี ถ้าอนุภาคมีขนาดเล็กเทียบกับขนาดความขรุขระของผิว การเสียดสีมีแนวโน้มที่จะทำให้พื้นผิวเรียบขึ้นประสิทธิภาพในการกันรั่วจะเพิ่มขึ้น แต่ถ้าอนุภาคมีขนาดใหญ่กว่าจะทำให้พื้นผิวหยาบมากขึ้นประสิทธิภาพในการกันรั่วจะลดลง ดังนั้นวัสดุที่ใช้ในการปิดวาล์วจะต้องทนต่อการเสียดสีได้ดี นอกจากนี้วัสดุดังกล่าวจะต้องสามารถทนการกัดเซาะและการกัดกร่อนของของไหลได้ดีด้วย

การกันรั่วก้านวาล์ว

การกันการรั่วก้านวาล์วสามารถทำได้สองแบบได้แก่ แพ็กกิง และ แบบไดอะแฟรม

          โครงสร้างแพ็กกิงกดอัดประกอบด้วยปะเก็นที่เป็นวัสดุอ่อนนุ่มที่อัดเข้าไปในช่องอัดปะเก็นและกดอัดไว้ด้วยตัวอัดปะเก็น ปะเก็นจะขยายตัวออกด้านข้างจนติดกับผนังช่องอัดปะเก็นและก้านวาล์ว โดยปะเก็นที่ใช้จะต้องสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูง มีความต้านทานต่อของไหลที่มากระทำ มีความเสียดทานต่ำ ต้านทานการซึมผ่านของไหลที่กันรั่ว นอกจากนี้วัสดุที่ใช้ทำก้านวาล์วก็มีผลต่อการกันรั่วเช่นกันเนื่องจากถ้าก้านวาล์วเกิดการสึกหรอจะทำให้เกิดร่องซึ่งเป็นสาเหตุทำให้เกิดการรั่วบริเวณดังกล่าวได้เช่นกัน

          โครงสร้างแบบไดอะแฟรมจะมีลักษณะเป็น Dome หรือ Bellow ก็ได้โดยไดอะแฟรมจะปิดกั้นก้านวาล์วกับของไหลทำให้ของไหลไม่สามารถรั่วออกไปได้ สำหรับแบบ Dome วาล์วขณะปิดจะต้องเอาชนะแรงดันของของไหลที่เพิ่มขึ้นรวมถึงระยะเคลื่อนที่ขึ้นลงของก้านวาล์วทำได้น้อยจึงนิยมใช้กับวาล์วที่มีขนาดเล็ก ส่วนแบบ Bellow จะมีลักษณะตรงข้ามกับ Dome คือมีพื้นที่รับแรงดันของไหลน้อยจึ่งทำให้การปิดก้านวาล์วใช้แรงน้อยกว่านอกจากนั้นยังสามารถยืดหดในแนวแกนวาล์วได้มากจึงเหมาะกับวาล์วที่มีลักษะการปิดแบบยกขึ้นลงขนาดใหญ่ และเพื่อเป็นการป้องกันการรั่วไหลเนื่องจากไดอะแฟรมแตกจึ่งมักใช้ร่วมกับตัวกันรั่วแบบแพ็กกิงกดอัดด้วย

  

การหาอัตราการไหล

         สำหรับอัตราการไหลของของไหลผ่านวาล์วสามารถคำนวณได้จากค่า สัมประสิทธิ์การไหล (Flow coefficient) ซึ่งตามมาตรฐานมีสองแบบได้แก่ค่า K_v และ ค่า C_v โดยค่า K_v หมายถึงปริมาณการไหลของน้ำลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง ณ อุณหภูมิ 5^๐C ความดันสูญเสีย 1 bar ณ ตำแหน่งที่กำหนด โดยปกติจะคิดที่ตำแหนงเปิดสุดจะใช้สัญลักษณ์ K_vs ส่วนค่า C_v หมายถึงปริมาณการไหลของน้ำ gal(us)/min ณ อุณหภูมิ 60 ^๐F ความดันสูญเสีย 1 lb/in² โดยสมการด้านล่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า K_v และ ค่า C_v

          ในการหาอัตราการไหลสำหรับวาล์วที่สภาวะการใช้งานจะแบ่งเป็นสองประเภทได้แก่ ของเหลวที่อัดตัวไม่ได้(Incompressible fluid)เช่นน้ำ น้ำมัน และ ของไหลที่อัดตัวได้(Compressible Fluid)เช่นแก็ส ลม ไอน้ำ โดยสามารถหาได้จากสมการด้านล่าง

กรณีของไหลที่ไม่สามารถอัดตัวได้

โดยที่ Q₁ = อัตราการไหล m³/h

          = ความหนาแน่น kg/m³ (สำหรับน้ำเท่ากับ 1000 kg/m³ )

        = ความดันสูญเสีย bar

กรณีของไหลที่สามารถอัดตัวได้

           สำหรับของไหลที่อัดตัวได้จะต้องพิจารณาก่อนว่าการไหลที่เกิดขึ้นเป็น Critical flow หรือไม่ โดยปกติอัตราการไหลจะเพิ่มขึ้นเมื่อ ความดันสูญเสียเพิ่มขึ้นแต่เมื่อถึงจุด Critical flow อัตราการไหลจะไม่เพิ่มขึ้นอีกถึงแม้ว่าความดันสูญเสียจะเพิ่มขึ้น สำหรับจุดดังกล่าววาล์วจะมีเสียงดังจากฆ้อนน้ำ (Water hammer) และอาจเกิดโพรงไอได้ (Cavitations) จุดดังกล่าวสามารถหาได้จากสมการ

Critical flow = P₂ < P₁/2

โดยที่ P₁ = แรงดันขาเข้า (absolute pressure) bar

          P₂ = แรงดันขาออก (absolute pressure) bar

ไอน้ำ

Non-Critical flow

Critical flow

โดยที่ Q₂ = อัตราการไหล kg/h

แก๊ส

Non-Critical flow

Critical flow

โดยที่ Q₃ = อัตราการไหล m³/h (ที่ 0^๐C, 1 bar)

T = อุณหภูมิของไหล ^๐K (^๐K = 273 + ^๐C)

  

         การเลือกขนาดของวาล์วจะต้องทราบว่าในระบบต้องการอัตราการไหลของของไหลมากน้อยเพียงใด โดยขนาดของวาล์วจะเลือกให้การเปิดที่ประมาณ 80% เท่ากับอัตราการไหลที่ระบบต้องการ เพื่อเป็นการเผื่อสำหรับกรณีที่ระบบต้องการอัตราการไหลเพิ่ม โดยปกติอัตราการไหลที่ระบบต้องการจะน้อยกว่าอัตราการไหลของแหล่งกำเนิดดังนั้นวาล์วจะต้องทำหน้าที่ปรับอัตราการไหลให้เหมาะสมด้วย ถ้าเลือกขนาดวาล์วใหญ่เกินไปในการปรับอัตราการไหลจะต้องปิดวาล์วบางส่วนทำให้แรงดันตกคร่อมหน้าวาล์วมากขึ้นส่งผลให้เกิดการเสียดสีระหว่างของไหลกับบ่าวาล์วมากทำให้เกิดการสึกหรออายุการใช้งานลดลง นั้นจึงเป็นสาเหตุทำให้วาล์วส่วนใหญ่มีขนาดเล็กกว่าขนาดท่อ หรือ ทำให้ขนาดหน้าวาล์วเล็กลง (Reduce port)

    

ปัญหาที่พบในระบบท่อ

ปัญหาการเกิดโพรงอากาศ (Cavitations)

         เมื่อของเหลวไหลผ่านวาล์วที่ปิดลงบางส่วนทำให้ความดันจลน์เพิ่มขึ้นและความดันสถิตของของเหลวลดลงซึ่งอาจลดลงถึงความดันไอของของเหลวทำให้ของเหลวในย่านความดันต่ำเริ่มกลายเป็นฟองไอและรวมตัวกันกลายเป็นโพรงไอ เมื่อของเหลวและโพรงไอเลื่อนตัวออกห่างจากวาล์วความดันจลน์เริ่มลดลงความดันสถิตเพิ่มมากขึ้นทำให้โพรงไอดังกล่าวยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว จากปรากฏการดังกล่าวทำให้เกิดการกระแทกกันของอนุภาคของเหลวบริเวณที่โพรงไอยุบตัวทำให้แรงดับบริเวณดังกล่าวเพิ่มสูงขึ้นในช่วงสั้น ๆ ถ้าแรงดันดังกล่าวเกิดใกล้กับผนังท่อหรือวาล์วจะทำให้เกิดการสึกหรอได้ ปัญหาส่วนใหญ่มักเกิดในระบบท่อคอนเดนเซทเนื่องจากน้ำมีอุณหภูมิสูงความดันไอของของเหลวจะเพิ่มขึ้นทำให้เกิดฟองไอได้ง่าย

         การแก้ไขสามารถทำได้โดยการอัดอากาศเข้าที่ส่วนหลังของวาล์วเพื่อลดการรวมตัวของฟองไอแต่วิธีดังกล่าวอาจก่อให้เกิดปัญหาค้อนน้ำและการอ่านค่าผิดพลาดในอุปกรณ์ควบคุมของระบบได้ นอกจากวิธีอัดอากาศยังสามารถแก้ไขด้วยการเพิ่มขนาดท่อด้านหลังวาล์วอย่างทันทีดันใดเพื่อป้องกันโพรงไอยุบตัวใกล้กับผนังท่อโดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1.5 เท่า และ ความยาวประมาณ 8 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางท่อปกติ

ปัญหาค้อนน้ำ (Water Hammer)

         ในขณะที่วาล์วกำลังถูกปิดหรือเปิดเพื่อเปลี่ยนอัตราการไหล พลังงานจลน์ของลำของไหลจะถูกเปลี่ยนเป็นแรงดันสถิตในท่อ ซึ่งแรงดันสถิตจะทำให้เกิดการกระแทกกับวาล์วหรือผนังท่อก่อให้เกิดการสั่นสะเทือนและเกิดเสียงดังภายในท่อ การเปลี่ยนแปลงความดันจลน์เป็นแรงดันสถิตไม่ได้เกิดขึ้นอย่างทันทีทันใดตลอดเส้นท่อ แต่เป็นการคืบคลานจากจุดที่มีการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลอย่างทันทีทันไดโดยส่วนใหญ่จะเกิดที่วาล์ว ขณะที่เกิดแรงดันสถิตที่วาล์วของเหลวที่ต้นทางยังคงมีความเร็วและไหลเข้าสู่ท่ออยู่จนกระทั้งแรงดันสถิตเคลื่อนตัวมาถึงท่อต้นทางของเหลวทั้งหมดในท่อจึ่งจะหยุดนิ่ง แรงดันสถิตที่เพิ่มขึ้นในระบบท่อมากกว่าแรงดันสถิตปกติดังนั้นของเหลวในระบบท่อจะไหลส่วนทางออกโดยแรงดันสถิตจะลดลงเข้าสู่ภาวะปกติโดยเริ่มต้นจากท่อต้นทางจนถึงวาล์วปลายทางอีกครั้งหนึ่ง

         ปัญหาค้อนน้ำนอกจากเกิดจากการปิดหรือเปิดวาล์วอย่างรวดเร็วแล้วอาจเกิดจากปั๊มน้ำหยุดทำงานอย่างทันทีทันใด ซึ่งขณะที่ปั๊มหยุดทำงานลำน้ำภายในท่อยังคงเคลื่อนตัวไปด้านหน้าอยู่ทำให้แรงดันสถิตที่บริเวณปั๊มลดลงโดยแรงดันที่ลดลงดังกล่าวจะเคลื่อนตัวจากปั๊มไปยังปลายท่อและจะสะท้อนกับมายังปั๊ม ดังนั้นระบบจึงต้องมีการติดอุปกรณ์เช็ควาล์วที่บริเวณปั๊มเพื่อป้องกันความเสียหายของปั๊มที่เกิดจากการกระแทกของน้ำ

         การแก้ปัญหาค้อนน้ำนั้นทำได้ค่อนข้างยาก เนื่องจากการเปิดหรือปิดวาล์ว หรือ ปั๊มน้ำจะต้องทำอย่างช้า ๆ วิธีที่ง่ายที่สุดและได้ผลดีคือการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันการเกิดค้อนน้ำ อุปกรณ์ดังกล่าวมีลักษณะเป็นท่อสั้น ๆ ยื่นออกมาจากระบบท่อโดยภายในบรรจุด้วยก๊าซที่แยกจากของเหลวด้วยผนังอ่อน โดยอุปกรณ์ดังกล่าวจะช่วยลดแรงกระแทกของน้ำได้ ในระบบอาจมีการติดหนึ่งจุดหรือมากกว่านี้ก็ได้

ปัญหาเสียงดัง

         การลดแรงดันของก๊าซหรือไอน้ำผ่านวาล์วจะทำให้เกิดการไหลปั่นป่วนที่ทางออกของวาล์ว ส่งผลให้เกิดเสียงดัง ในการแก้ปัญหาดังกล่าวสามาระทำได้โดยการติดตั้งตัวระงับเสียงที่มีลักษณะรูพรุน โดยอุปกรณ์ดังกล่าวจะช่วยลดเสียงความถี่ต่ำและกลาง แต่จะเพิ่มความถี่สูง นอกจากนี้ยังช่วยให้เกิดการไหลอย่างราบเรียบตลอดหน้าตัดท่อมากยิ่งขึ้นด้วย

      

ประเภทของวาล์ว

         หน้าที่หลักของวาล์วในระบบควบคุมของไหลมีสามหน้าที่ได้แก่ หยุดและเริ่มการไหล การควบคุมอัตราการไหล และ การเบี่ยงเบนเปลี่ยนทิศทางการไหล โดยวาล์วได้ถูกออกแบบมาหลายชนิดเพื่อให้เหมาะกับการใช้งานในแต่ละการทำงาน การจัดกลุ่มวาล์วตามวิธีการไหลสามารถแบ่งออกได้เป็น 4 กลุ่มดังแสดงในตารางด้านล่าง

     

ปิดลง (Closing down)	โกล์บวาล์ว (Globe Valve)
เลื่อนลง (Sliding)	เกทวาล์ว (Gate Valve)
หมุน (Rotating)	ปลั๊กวาล์ว (Plug Valve) บอลวาล์ว (Ball Valve) วาล์วปีกผีเสื้อ (Butterfly Valve)
อ่อนตัว (Flexing)	พินช์วาล์ว (Pinch Valve) ไดอะแฟรมวาล์ว (Diaphragm Valve)

       

การเลือกใช้งานวาล์ว

วาล์วสำหรับหยุดและเริ่มการไหล

         วาล์วที่ออกแบบสำหรับการทำงานเช่นนี้มีลักษณะสภาพต้านทานการไหลที่ต่ำ มีเส้นทางการไหลผ่านที่ตรงเช่น วาล์วเลื่อนลง วาล์วหมุน และวาล์วอ่อนตัว สำหรับวาล์วปิดลงให้เส้นทางการไหลที่คดเคี้ยวกว่าจึงมีสภาพการต้านทานการไหลสูงไม่นิยมนำมาใช้

วาล์วสำหรับควบคุมอัตราการไหล

         วาล์วประเภทนี้จะออกแบบให้สามารถปรับแต่งอัตราการไหลได้ง่าย ดังนั้นวาล์วปิดลงจึ่งมีแนวโน้มที่จะใช้กับงานลักษณะนี้ได้ดีเนื่องจากขนาดของการเปิดวาล์วสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของก้านวาล์วเป็นสัดส่วนตรงกัน วาล์วในกลุ่มหมุนและอ่อนตัวสามารถใช้ในการควบคุมได้มีเหมือนกันแต่ไม่นิยมนำมาใช้เนื่องจากมักเกิดการสึกหรอบริเวณซีลยาง

วาล์วสำหรับเบี่ยงเบนการไหล

        วาล์วประเภทนี้จะมีช่องการไหลมากกว่า 3 ช่องขึ้นไปขึ้นอยู่กับหน้าที่ในการใช้งาน โดยวาล์วที่ใช้ทำหน้าที่ส่วนใหญ่อยู่ในกลุ่มหมุนซึ่งได้แก่ ปลั๊กวาล์ว และ บอลวาล์ว

วาล์วสำหรับของไหลที่มีของแข็งแขวนลอย

        วาล์วที่เหมาะสมที่สุดต้องมีชิ้นส่วนปิดที่เลื่อนไถลคร่อมบ่าวาล์วที่มีลักษณะการเคลื่อนที่แบบเช็ดถูบ่าวาล์วซึ่งจะช่วยทำให้ของแข็งไม่ติดค้างอยู่บนบ่าวาล์ว ส่วนใหญ่จะใช้ในกลุ่มเลื่อนลง สำหรับกลุ่มหมุนก็สามารถใช้ได้เช่นกันแต่ไม่นิยมเนื่องจากอนุภาคของแข็งอาจทำให้เกิดการสึกหรอที่บริเวณซีลยางได้

  

การเชื่อมต่อท่อปลายวาล์ว

        การเชื่อมต่อของวาล์วแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ ๆ ได้แก่ การเชื่อมต่อด้วยเกลียว การเชื่อมต่อด้วยหน้าแปลน และ การเชื่อมต่อด้วยการเชื่อม

การเชื่อมต่อด้วยเกลียว (Threaded)

        เนื่องจากรอยต่อลักษณะนี้มีเส้นทางการไหลมากจึงต้องใช้สารกันรั่ว หรือ ซีลแล็นท์ (Sealant) ปิดตามเส้นทางการรั่วไหลนี้ ถ้าโครงสร้างของตัวเรือนวาล์วสามารถเชื่อมได้อาจทำการเชื่อมปิดผนึกด้วยก็ได้ สำหรับวาล์วที่เชื่อมต่อด้วยเกลียวมักมีขนาดไม่เกิน 2 นิ้ว เนื่องจากวาล์วที่มีขนาดใหญ่การปิดเส้นทางการรั่วไหลสามารถทำได้ยาก

การเชื่อมต่อด้วยหน้าแปลน (Flanged)

        การเชื่อมต่อประเภทนี้มีข้อดีที่สามารถติดตั้งและถอดออกจากท่อได้ง่าย อย่างไรก็ตามวาล์วที่มีหน้าแปลนมีน้ำหนักวัสดุมากกว่าแบบเกลียวทำให้มีราคาที่แพงกว่า การเชื่อมต่อด้วยหน้าแปลนจะทำการยึดด้วยสลักเกลียวจำนวนมาก โดยแรงบิดที่ใช้ในการขันสลักเกลียวแต่ละตัวน้อยกว่าการบิดวาล์วประเภทเกลียวทำให้การเชื่อมต่อด้วยหน้าแปลนสามารถใช้ได้กับวาล์วทุกขนาดในทุกช่วงความดัน อย่างไรก็ตามการใช้งานที่อุณหภูมิมากกว่า 350^๐C สลักเกลียว ปะเก็น และ หน้าแปลน จะมีอาการ Creep Relaxation คือวัสดุมีการยืดออกเมื่อได้รับแรงมากขึ้น ซึ่งถ้าแรงดันภายในระบบสูงรอยต่อหน้าแปลนจะมีความเค้นสูงทำให้อาจเกิดปัญหาการรั่วไหลได้

การเชื่อมต่อด้วยการเชื่อม (Welding)

         การเชื่อมต่อด้วยการเชื่อมเป็นวิธีที่น่าเชื่อถือที่สุดเนื่องจากสามารถใช้งานได้ทุกช่วงความดันและอุณหภูมิ อย่างไรก็ตามการถอดออกและการติดตั้งด้วยวิธีนี้ทำได้ยากมาก ดังนั้นการใช้วาล์วแบบเชื่อมจึงนิยมใช้เฉพาะงานที่มีอุณหภูมิสูง หรือ งานที่ไม่ต้องการให้เกิดการรั่วไหลได้ สำหรับวาล์วที่มีขนาดไม่เกิน 2 นิ้ว มักออกแบบให้ปลายมีลักษณะเป็นเบ้าสำหรับเชื่อมซึ่งรับกับปลายท่อเรียบ แต่เนื่องจากการเชื่อมแบบเบ้าก่อให้เกิดรอยแยกระหว่างเบ้าและท่อ ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้ที่อาจเกิดการกัดกร่อนที่รอยแยก

     

มาตรฐานที่ใช้ในวาล์ว

        ประสิทธิภาพของวาล์วที่ใช้เป็นมาตรฐานในอเมริกาจะบอกเป็นค่า 2 ค่าได้แก่ WOG (น้ำ, น้ำมัน, ก๊าซ) และ WSP (ความดันไอน้ำ) โดยอัตราส่วน WOG อ้างอิงที่อุณหภูมิห้องขณะที่ WSP อ้างอิงที่อุณหภูมิไอน้ำ เมื่อไหลที่มีการกำหนดความสัมพันธ์ทั้งสองจุดจะเป็นที่เข้าใจว่า ความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับอุณหภูมิเป็นเส้นตรงอยู่ระหว่าง 2 จุดนี้ สำหรับวาล์วที่มีการเชื่อมต่อแบบหน้าแปลนการกำหนดมาตรฐานของวาล์วส่วนใหญ่จะอ้างอิงตามมาตรฐานของหน้าแปลน