Rola i nowoczesne rozwiązania zaworów kulowych

Zawory kulowe (czasami, szczególnie w przypadku mniejszych średnic instalacji sanitarnych, określane także jako kurki kulowe) stosowane są w licznych instalacjach budynkowych – wodociągowych, gazowych, grzewczych i OZE (zarówno wodnych, jak i pracujących na roztworze glikolu, np. instalacje solarne), klimatyzacyjnych i chłodniczych oraz przemysłowych, np. gazowych, gazów technicznych, tlenu, sprężonego powietrza, paliwowych, pary wodnej i chemikaliów. Pełnią ważną rolę w codziennej pracy instalacji, podczas ich konserwacji i serwisowania, a także w przypadku awarii. Często stosowane są jako armatura odcinająca, wymagana zgodnie z prawem [1] przy takich przyrządach pomiarowych jak wodomierze czy gazomierze (zawór kulowy stanowi np. element zestawu wodomierzowego). Umożliwiają w ten sposób całkowite odcięcie danego odgałęzienia instalacji, bez wpływu na pozostałe odcinki – często dzięki temu prostemu zabiegowi można uniknąć zagrożenia dla zdrowia lub życia lub znacznych strat materialnych (np. wycieku gazu lub zalania pomieszczeń).

Dostępne w szerokim zakresie średnic – od DN15 do DN200 i więcej. Na przykład zawór półcalowy (DN15) często stosuje się przy podłączaniu wężyka hydraulicznego, zawór 3/4" (DN20) przy wodomierzach mieszkaniowych, a zawory dwucalowe (DN 50) jako armaturę odcinającą w zestawie wodomierza głównego.

Czytaj także: Eksploatacja zaworów kulowych w instalacjach wodociągowych

Zasada działania zaworu kulowego

Typowy zawór kulowy składa się z korpusu, gniazda wraz z kulą, wałka zwrotnego (trzpienia) oraz napędu – dźwigni (uchwytu) otwarcia zaworu. Kula, sterowana napędem (najczęściej ręcznym, ale np. dla instalacji HVACR dostępne są także zawory z siłownikami), obraca się wokół osi prostopadłej do kierunku przepływu medium. Zawór kulowy może więc być albo całkowicie otwarty, albo całkowicie zamknięty – zmiany stanu dokonuje się poprzez obrót dźwigni o ¼ obrotu (90°).

Zawory mogą być wykonywane jako proste (2-drogowe) lub wielodrogowe (3-, 4- lub 5-drogowe). W przypadku zaworów wielodrogowych kula zamiast prostego otworu przelotowego ma otwór w kształcie umożliwiającym podział przepływającego medium na kilka strumieni. Zawory ­wielodrogowe mają zastosowania głównie w przemyśle – najbardziej zaawansowane urządzenia wykonane są ze stali nierdzewnej i wytrzymują ciśnienie znacznie przekraczające parametry instalacji budynkowych, sięgające 400–500 bar.

Zastosowania zaworów kulowych

Zawory kulowe dla instalacji wodnych i glikolowych dostępne są dla różnych zakresów parametrów roboczych – maksymalne wytrzymałości na ciśnienie mogą wynosić 10, 15, 20, 25, 30, 35 i 45 bar, natomiast zakres temperatury pracy wynosi od −30°C do +180°C. Zawory kulowe nie są odporne na niską temperaturę, co jednak nie wiąże się z wytrzymałością temperaturową elementów zaworu, lecz z zamarzaniem płynu roboczego. Oblodzenie kuli może skutkować jej zniszczeniem i nieszczelnościami.

Zawory kulowe mogą pracować w różnych warunkach – występują zawory standardowe i zawory typu ciężkiego. W tym drugim przypadku chodzi o wykonanie wzmocnione o pełnym przelocie kuli – rozwiązania materiałowe i konstrukcyjne gwarantujące podwyższone parametry pracy, np. ciśnienie powyżej 30 bar, podczas gdy dla zwykłej instalacji wodnej wystarczająca jest wytrzymałość na ciśnienie do 16 bar. Zwykle im wyższe są parametry pracy (np. ciśnienie do 40 bar i temperatura do 140°C dla instalacji solarnych, a więc zawierających roztwór glikolu w porównaniu z ciśnieniem 16 bar i temperatury do 100°C dla klasycznych instalacji wodnych), tym dłuższej gwarancji na urządzenia udziela producent.

Zawory dla instalacji gazowych muszą zostać przebadane w odpowiednim laboratorium, np. Instytucie Nafty i Gazu i mieć certyfikat stałości właściwości użytkowych. Powinny spełniać wymogi odpowiednich norm polskich i europejskich.

Mnogość zastosowań zaworów kulowych wpływa na różnorodność wykonania materiałowego korpusu, trzpienia, kuli i dźwigni. W instalacjach sanitarnych najczęściej stosowane są zawory mosiężne [2], natomiast w przemyśle – zawory wykonane ze stali węglowej lub nierdzewnej, tworzywa sztucznego, np. PVC, czy żeliwa. Najbardziej kosztowne, ale jednocześnie najbardziej wytrzymałe na warunki otoczenia są zawory kulowe nierdzewne (kwasoodporne), przeznaczone do cieczy agresywnych (np. kwasy), do obsługi basenów pływackich i zastosowań przemysłowych, m.in. w przemyśle chemicznym, spożywczym, przetwórczym, a także w stacjach uzdatniania wody czy wymiennikach ciepła.

Wpływ kuli zaworu na jego trwałość

Kula zaworu jako właściwy element roboczy jest najbardziej narażona na kontakt z płynem roboczym i niesionymi przez niego zanieczyszczeniami, dlatego powinna być zabezpieczona przed ich szkodliwym oddziaływaniem, a także cechować się gładką powierzchnią. Na przykład dla instalacji sanitarnych kulę wykonuje się z mosiądzu pokrytego ochronną, dokładnie wypolerowaną ochronną warstwą chromu. Dokładność wykonania tej warstwy wpływa na efektywność i trwałość zaworu. W zaworach przeznaczonych do instalacji wody pitnej stosuje się wykonanie antykamienne – kula jest dodatkowo chroniona przed osadzaniem soli wapnia i magnezu, tworzących kamień kotłowy, powłoką zabezpieczającą. Najczęściej stosuje się teflon lub warstwę nanoceramiki (składającą się z tlenków metali lub półmetali). Zanieczyszczenia stałe mogą pogarszać stan kuli i warunki jej pracy, dlatego przed zaworem zaleca się stosowanie filtra siatkowego – osobnego lub zintegrowanego z zaworem.

Uszczelnienia zaworu

Zawór kulowy jest wyposażony w uszczelnienia zapobiegające przeciekom wewnętrznym (uszczelnienia kuli) i przeciekom medium na zewnątrz (dławik i uszczelnienie trzpienia). Do uszczelnienia kuli zaworu pracującego z mediami o najniższej temperaturze służą najczęściej pierścienie teflonowe (PTFE – politetrafluoroetylenu) na wejściu i wyjściu medium. Stosuje się także viton (kauczuk fluorowy) w instalacjach o temperaturze medium do 200°C czy uszczelnienie ze sznura grafitowego lub metalu dla najwyższej temperatury. Na pierścienie uszczelniające działa ciśnienie przepływającego medium, przez co zwiększa się docisk i uszczelnienie. Do uszczelnienia trzpienia przeznaczone są np. uszczelki typu o-ring z elastycznej i odpornej na paliwa i smary gumy NBR70, stosowany jest też dławik, wyposażony w materiał uszczelniający (np. o-ring lub sznur grafitowy). Przewagą zaworów z dławikiem nad bezdławikowymi jest możliwość dokręcenie lub wymiany dławika w przypadku zużycia materiałów uszczelniających, bez konieczności wymiany całego zaworu. Pozwala to na skompensowanie luzów i przywrócenie szczelności, co wydłuża okres użytkowania zaworu kulowego.

Dźwignie zaworu do różnych zastosowań

Dźwignia (uchwyt) do ręcznego otwierania i zamykania zaworu może mieć formę rączki (klasycznej dźwigni) lub niewielkiego pokrętła skrzydełkowego (motylka). Kierunek obrotu jest przeciwny w stosunku do ruchu wskazówek zegara. Dźwignię można obrócić ręcznie – aż do wyczuwalnego oporu zapewnionego przez ogranicznik. Dźwignie ręczne wykonuje się z aluminium lub ze stali (ta wersja jest mniej podatna na wygięcie czy złamanie) z powłoką z tworzywa sztucznego w odpowiednim kolorze. Dźwignie zaworów do instalacji wodnych najczęściej mają kolor niebieski (tylko do wody wodociągowej, np. do 40⁰C) lub czerwony, natomiast do instalacji gazowych – zawsze kolor żółty.

W budynkach użyteczności publicznej lub zamieszkania zbiorowego cenną funkcją jest możliwość odłączenia uchwytu (bez użycia narzędzi), co uniemożliwia używanie zaworu przez osoby niepowołane. Funkcja ta jest przydatna także w przypadku montażu zaworu w trudno dostępnym miejscu. Założenie uchwytu na nasadę uszczelniającą (połączoną z korpusem) jest równie łatwe.

Zawory kulowe stosowane do odcinania przepływu do części instalacji lub urządzeń – np. w instalacjach HVAC lub w instalacjach przemysłowych – mogą być napędzane pneumatycznie. Są one sterowane siłownikami (w trybie „otwarty/zamknięty” lub w trybie przełączania kierunku), a zamiast dźwigni mają napęd pneumatyczny. W takim wypadku za przełączenie pozycji – bez możliwości ustawienia pozycji pośrednich – odpowiada element sterujący (termostat lub przełącznik). Dostępne są także zawory ze sterowaniem elektrycznym.

Jakość zaworów kulowych

Mimo prostej budowy i zasady działania, zawory kulowe przechodzą obowiązkowe badania – poddawane są kontroli szczelności. Na korpusach muszą mieć odpowiednie (zgodne z normą) trwałe oznaczenia, natomiast w przypadku zaworów do wody pitnej konieczny jest dopuszczający takie zastosowanie atest PZH.

Prosta budowa zaworu kulowego przekłada się na jego niezawodność, jednak pod warunkiem, że wszystkie komponenty są wysokiej jakości, wykonane z pełnowartościowych materiałów i prawidłowo wykończone. 

Inwestorzy czasem ulegają pokusie wyboru tańszego rozwiązania. Zawory kulowe niskiej jakości mogą ulec uszkodzeniu w krótkim czasie po montażu, zwykle wskutek wady materiałowej – wykonania z zastosowaniem gorszych stopów stali czy uszczelek niskiej jakości. Jak wynika z badań zaworów kulowych w instalacjach wodociągowych [3], przyczyną awarii zaworów kulowych są niedokładne wykonania gwintu stożkowego łączącego części korpusu zaworu. Pęknięcia zaworów – a wraz z nimi awarie niedawno wykonanych instalacji – pojawiały się w obrębie połączenia po rozpoczęciu eksploatacji, w wyniku naprężeń oddziałujących na nierówną powierzchnię styku. Przy wyborze konkretnego zaworu należy więc się kierować nie tylko korzystną ceną, ale też renomą producenta i odpowiednią dokumentacją zaworów.

Rozwój zaworów kulowych

Producenci wciąż dopracowują stosowane materiały i detale konstrukcyjne, osiągając ulepszenia istotne dla trwałości, funkcjonalności i zrównoważenia środowiskowego. Przykładowo stosuje się mosiądz odporny na odcynkowanie, co przekłada się na poprawę trwałości zaworu w różnych warunkach pracy. Z kolei mosiądz CW617N-4MS przyczynia się do poprawy zarówno wytrzymałości zaworu, jak i jego bezpieczeństwa ekologicznego i sanitarnego. Wynika to z tego, że stop ten zawiera niewielkie ilości ołowiu i niklu. Niska zawartość ołowiu ma dodatni wpływ na wytrzymałość oraz na walory zdrowotne zaworu pod kątem czystości przepływającej przez niego wody. 

W przypadku niskiej zawartości niklu ważny jest ten drugi aspekt – nikiel jest materiałem mogącym powodować lub nasilać alergię u osób wrażliwych na ten pierwiastek. Jego śladowa obecność w częściach zaworu mających kontakt z wodą pitną jest więc bardzo korzystnym rozwiązaniem. Ciekawymi cechami są też odpowiednie oznakowania zaworów, które umożliwiają instalatorom zarówno szybszy montaż (np. opaski do identyfikacji wody ciepłej/zimnej lub zasilania/powrotu), jak i (podczas zakupów) łatwy wybór odpowiedniego zaworu w mnogości oferowanych rozwiązań.

Szerokie zastosowanie zaworów wynika z ich prostej budowy, jasnej zasady działania i wysokiej niezawodności, a także niewielkich wymiarów i małej masy, niskich oporów przepływu, bardzo uproszczonej konserwacji i łatwej obsługi.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. Dz.U. 2022, poz. 1225)
2. PN-EN 13828:2005 Armatura w budynkach. Ręcznie otwierane i zamykane kurki kulowe ze stopów miedzi i stali nierdzewnej do instalacji wodociągowych w budynkach. Badania i wymagania
3. Czyżyk Mirosław, Bylicki Jan, Eksploatacja zaworów kulowych w instalacjach wodociągowych. „Rynek Instalacyjny” 2011, nr 12
4. Materiały techniczne firm: Arka, Caleffi, Deante, Ferro, Flamco, Invena, KFA, Perfexim, Profec, Sferaco, Socla, Taconova, Tubes international, Valvex