Przepustnice – przegląd konstrukcji

Zawory motylkowe (przepustnice) stanowią podstawowe wyposażenie większości układów rurociągów. Służą do odcinania przepływu, a także, dzięki korzystnym charakterystykom hydraulicznym, do regulacji. Znajdują zastosowanie w systemach transportu wody i ścieków oraz w instalacjach przemysłowych, gdzie pracują na takich mediach, jak oleje, kwasy czy alkohole. Przepustnice stosowane w układach wodociągowych różnią się od tych wykorzystywanych w przemyśle materiałami i specyficznymi szczegółami konstrukcyjnymi.

Zasada działania wszystkich dostępnych na rynku przepustnic centrycznych jest podobna. Różnice między wyrobami poszczególnych producentów polegają na wprowadzaniu modyfikacji elementów składowych zaworu, takich jak: korpus (1 na rys. 1), wrzeciono (4), dysk (3), manszeta (2), uszczelki (6), łożyska (5) oraz napęd (ręczny, elektryczny lub pneumatyczny).

Korpus

Korpus jest zasadniczym elementem zaworu. Stanowi swego rodzaju ramę do osadzenia pozostałych elementów zaworu, a także przenosi siły osiowe oddziałujące na zawór. Powszechnie stosowanym materiałem do budowy korpusu przepustnic jest żeliwo: szare oraz sferoidalne [1, 2]. Żeliwo sferoidalne ma lepsze własności wytrzymałościowe niż żeliwo zwykłe – może bez uszkodzeń ulegać odkształceniom, jest także odporne na zginanie i ściskanie.

Z tego powodu korpusy z żeliwa sferoidalnego mogą mieć cieńsze  ścianki niż zawory z żeliwa szarego, co ma istotny wpływ na wagę gotowego produktu. Z uwagi na bardziej skomplikowany proces odlewniczy zawory wykonane z żeliwa sferoidalnego są droższe. Zatem dokonując wyboru odpowiedniej przepustnicy, należy rozważyć zastosowanie zaworu z żeliwa zwykłego lub sferoidalnego – w zależności od indywidualnych warunków zabudowy.

Przepustnica międzykołnierzowa z przelotowymi otworami montażowymi przenosi wyłącznie naprężenia ściskające rurociągu. Naprężenia rozrywające przenoszone są przez dodatkowe kołnierze montażowe i ich śruby. Można zatem założyć, że do przeniesienia naprężeń ściskających wystarczy w zupełności zastosowanie żeliwa szarego. Inaczej jest w wypadku przepustnic o otworach montażowych gwintowanych (fot. 1), które powinny być odporne nie tylko na naprężenia ściskające, ale także rozrywające. W takim wypadku uzasadnione może być zastosowanie korpusu z żeliwa sferoidalnego.

Długość zabudowy (grubość) korpusu jest znormalizowana i nie występują tutaj większe odstępstwa [3]. Również wymiary i umiejscowienie otworów montażowych względem kołnierzy znormalizowano odpowiednio do wymaganych ciśnień nominalnych [4]. Istnieją jednak dwa elementy korpusu przepustnicy, które mogą być różne w zależności od producenta zaworu. W kilku typach przepustnic w dnie korpusu znajduje się korek służący do demontażu dolnej części wrzeciona – dotyczy to przepustnic z wrzecionem dwuczęściowym (rys. 2).

Innym elementem różniącym korpusy przepustnic jest długość szyjki. Istnieją przepustnice, w których szyjkę zaworu wydłużono tak, by umożliwić zamontowanie izolacji rurociągu, bez konieczności stosowania specjalnych nadstawek (fot. 2).

Wrzeciono

Materiałem powszechnie stosowanym do budowy wrzeciona zaworu jest stal, najczęściej gatunku 1.4122, 1.4104 i 1.4401 [6]. Wyróżnia się dwa rodzaje wrzecion stosowanych w przepustnicach – jednolite (4 na rys. 1) i dzielone (rys. 3). Wybór rodzaju wrzeciona zależy od wymiaru nominalnego zaworu oraz ciśnienia. W przepustnicach małych średnic (np. DN 50) uzasadnione jest stosowanie wrzeciona dzielonego, ponieważ zgrubienie dysku potrzebne do zamontowania go na wrzecionie powodowałoby wysokie straty ciśnienia nawet przy całkowicie otwartym zaworze. Przy wyższych średnicach zaworu zalecane jest stosowanie wrzeciona jednolitego z uwagi na wartość sił działających na dysk i wrzeciono, mogących doprowadzić do wyrwania dysku.

Dysk

Jak wspomniano, budowa dysku przepustnicy różni się w zależności od rodzaju wrzeciona. Stosuje się tu najczęściej żeliwo szare i sferoidalne (najpopularniejsze z nich to EN-GJL250, EN-GJS400-15 i EN-GJS500-7), stal (najczęściej 1.4301 i 1.4404) oraz inne materiały w wykonaniach specjalnych (np. brąz aluminiowy). Wymienione gatunki stali są nierdzewne, dlatego nie wymagają dodatkowych powłok antykorozyjnych.

W wypadku zastosowania żeliwa niezbędne jest odpowiednie zabezpieczenie – producenci stosują najczęściej niklowanie i malowanie. Wybór materiału, z którego został wykonany dysk, zależy od rodzaju medium, na którym będzie pracować zawór. Dla czystej wody wodociągowej wystarczającym rozwiązaniem wydaje się dysk żeliwny z powłoką niklową. W wypadku ścieków, z uwagi na ich potencjalną agresywność, uzasadnione jest stosowanie stali nierdzewnej 1.4404 (316 wg AISI) [6].

Manszeta

Jest to podstawowy element odpowiedzialny za szczelność zaworu (2 na rys. 1). W większości konstrukcji dostępnych na rynku manszety są wyprofilowane w sposób niewymagający stosowania dodatkowych płaskich uszczelek do montażu między kołnierzami rurociągu. W zależności od typu zaworu rozróżnia się manszety wulkanizowane i wymienne.

W układach, w których występuje niebezpieczeństwo wystąpienia podciśnienia, zaleca się stosowanie przepustnic z manszetą wulkanizowaną, co pozwoli na  zniknięcie jej zassania do wnętrza zaworu. W rurociągach ciśnieniowych i grawitacyjnych wystarcza zastosowanie przepustnicy z manszetą wymienną. W razie uszkodzenia można ten element zastąpić bez konieczności wymiany całego zaworu.

Manszety przepustnic wykonuje się najczęściej z dwóch materiałów: kauczuku nitrylowego (NBR) oraz terpolimeru etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM) [5]. Do czystej wody pitnej wystarcza zastosowanie EPDM. Natomiast w wypadku ścieków, gdy występuje ryzyko zanieczyszczenia substancjami ropopochodnymi (oleje, smary, benzyny), uzasadnione jest stosowanie NBR z uwagi na odporność chemiczną tego materiału względem substancji ropopochodnych.

Uszczelki wrzeciona

Podobnie jak w wypadku manszet, uszczelki wrzeciona wykonuje się głównie z NBR lub EPDM [5]. Różnice konstrukcyjne związane są w tym wypadku z liczbą uszczelek – na krajowym rynku występują produkty mające od jednej do czterech uszczelek wrzeciona.

Łożyska

Producenci zaworów motylkowych, chcąc ułatwić użytkownikom obsługę tych elementów, stosują na wrzecionach nakładki, tzw. łożyska, wykonane z materiałów o niskim współczynniku tarcia, jak poliamid lub teflon. Elementem różniącym poszczególne produkty jest liczba zastosowanych łożysk – od dwóch do czterech. Większa liczba nakładek ślizgowych umożliwia stabilniejszą pracę wrzeciona w osi zaworu. Jest to szczególnie ważne w wypadku zaworów wyposażonych w różnego rodzaju napędy mechaniczne, często otwierane i zamykane. Można założyć, że zawory wyposażone w większą liczbę łożysk będą się zużywać wolniej.

Napędy

Współczesne zawory motylkowe wyposażane są w napędy ręczne lub mechaniczne. Ze względu na dużą liczbę różnych rozwiązań napędów mechanicznych w artykule scharakteryzowano pokrótce jedynie napędy ręczne. W praktyce występują dwa rodzaje takich napędów: dźwignia ręczna oraz przekładnia z kółkiem ręcznym (fot. 3). Dźwignię ręczną, z uwagi na momenty obrotowe potrzebne do obsługi zaworu, stosuje się zwykle do przepustnic o średnicy DN 300, chociaż wielu producentów zaleca jej stosowanie już od średnicy DN 250.

Zalecenie to jest o tyle ważne, że w zaworach dużych średnic dźwignia ręczna ma długość kilkudziesięciu centymetrów, co w zależności od warunków zabudowy może skutkować trudnościami eksploatacyjnymi lub komunikacyjnymi wokół rurociągu. Przekładnia z kółkiem ręcznym nie wymaga specjalnego miejsca do obsługi, zmniejsza ponadto wymaganą wartość siły potrzebnej do zmiany położenia dysku.

Podsumowanie

Na rynku zaworów motylkowych obecnych jest kilkunastu producentów krajowych i zagranicznych. Wybór właściwego zaworu spośród wielu oferowanych rozwiązań może wydawać się trudny. Poszukując właściwej przepustnicy, należy skrupulatnie porównać specyficzne rozwiązania konstrukcyjne poszczególnych urządzeń i wybrać zawór, który w danych warunkach pracować będzie długo i bezawaryjnie.

Literatura

1. PN-EN 1561:2000 Odlewnictwo. Żeliwo szare.
2. PN-EN 1563:2000 Odlewnictwo. Żeliwo sferoidalne.
3. PN-EN 558-1: 2001 Armatura przemysłowa. Długości zabudowy armatury metalowej prostej i kątowej do rurociągów kołnierzowych. Armatura z oznaczeniem PN.
4. PN-EN 1092-2:1999 Kołnierze i ich połączenia. Kołnierze okrągłe do rur, armatury, łączników i osprzętu z oznaczeniem PN. Kołnierze żeliwne.
5. PN-ISO 1629:2005 Kauczuki i lateksy. Nazewnictwo.
6. PN-EN 10027-2:1994 Systemy oznaczania stali. System cyfrowy.