Zawory kulowe – prosty, ale niezbędny element wielu instalacji

Zastosowanie zaworów kulowych

Zawory kulowe wykorzystuje się w wielu instalacjach budynkowych – wodociągowych, gazowych, grzewczych, klimatyzacyjnych, chłodniczych i solarnych oraz przemysłowych, np. gazowych, gazów technicznych, tlenu, sprężonego powietrza, paliwowych oraz prowadzących parę wodną i chemikalia. Zawory przemysłowe stosowane są także do urządzeń używających sprężonego powietrza (np. sprężarek czy młotowiertarek). Szerokie zastosowanie zaworów kulowych 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.

Zawory kulowe pełnią ważną funkcję w codziennej pracy instalacji, podczas ich konserwacji i serwisowania, a także w przypadku awarii. Często stosowane są jako armatura odcinająca, wymagana przy takich przyrządach pomiarowych, jak wodomierze czy gazomierze (kurek kulowy stanowi np. element zestawu wodomierzowego) [1], umożliwiając skuteczne odcięcie danego odgałęzienia instalacji bez wpływu na pozostałe odcinki. Możliwość łatwego odcięcia wybranego fragmentu instalacji pozwala często uniknąć znacznych strat materialnych czy zagrożenia dla zdrowia lub życia użytkowników (np. wycieku gazu lub zalania pomieszczeń).

Pod względem wykonania materiałowego zawory dopasowuje się do ich przeznaczenia. W przypadku instalacji sanitarnych, szczególnie wodociągowych, najczęściej stosowane są zawory mosiężne [2]. Dla zastosowań przemysłowych, a także przy prowadzeniu mediów agresywnych, zawory mogą być wykonane ze stali węglowej lub nierdzewnej, tworzywa sztucznego (często PVC) czy żeliwa. Przeznaczenie zaworu wpływa również na zastosowany materiał uszczelniający (np. teflon dla niższej temperatury, viton dla podwyższonej, a dla najwyższej – metal). Najdroższe, ale też najbardziej wytrzymałe na warunki otoczenia są zawory kulowe nierdzewne (kwasoodporne) przeznaczone do cieczy agresywnych (np. kwasów), obsługi basenów pływackich i zastosowań przemysłowych, m.in. w przemyśle chemicznym, spożywczym, przetwórczym, a także w stacjach uzdatniania wody czy wymiennikach ciepła.

Czytaj też: Armatura bezdotykowa »

Budowa i elementy zaworu kulowego

Typowy zawór kulowy składa się z korpusu, gniazda wraz z kulą, wałka zwrotnego (trzpienia) oraz napędu – dźwigni 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 (90°).

Kula zaworu, jako właściwy element roboczy, jest najbardziej narażona na kontakt z medium roboczym i zanieczyszczeniami przez nie przenoszonymi, dlatego producenci zwracają dużą uwagę na jej zabezpieczenie. Na przykład dla instalacji sanitarnych kulę wykonuje się z mosiądzu i pokrywa ochronną warstwą chromu, a dokładność wykonania tej warstwy wpływa na efektywność i trwałość zaworu. Kula powinna być także dokładnie wypolerowana. W przypadku wykonania tzw. antykamiennego kula jest dodatkowo chroniona warstwą teflonu przed osadzaniem się soli wapnia i magnezu. Zanieczyszczenia stałe mogą pogarszać stan kuli i warunki jej pracy, dlatego przed zaworem zaleca się stosowanie filtra siatkowego – osobnego lub zintegrowanego z zaworem.

Zawór kulowy jest wyposażony w uszczelnienia zapobiegające przeciekom wewnętrznym (uszczelnienia kuli) i przeciekom medium na zewnątrz (zastosowanie dławika i uszczelnienie trzpienia). Do uszczelnienia kuli zaworów obsługujących instalacje prowadzące media o temperaturze do 220°C służą najczęściej pierścienie teflonowe (PTFE – politetrafluoroetylenu) na wejściu i wyjściu medium. Na pierścienie uszczelniające działa ciśnienie przepływającego medium, dzięki czemu zwiększa się docisk i uszczelnienie. Natomiast w przypadku medium o wyższej temperaturze stosuje się uszczelnienia metalowe. Do uszczelnienia trzpienia zwykle stosowane są uszczelki typu O-ring z elastycznej i odpornej na paliwa i smary gumy NBR70. Trzpień może być także wyposażony w dławik, który umożliwia łatwą kompensację ewentualnych luzów.

Dźwignia do ręcznego otwierania i zamykania zaworu może mieć formę rączki (klasycznej dźwigni) lub niewielkiego pokrętła skrzydełkowego („motylka”). Kierunek jej obrotu jest przeciwny 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 mają najczęściej kolor niebieski (tylko do wody wodociągowej, np. do 40°C) lub czerwony, natomiast do instalacji gazowych – zawsze kolor żółty.

Czytaj też: Bezdotykowa armatura i wyposażenie sanitarne »

Zawory kulowe stosowane często do odcinania przepływu do części instalacji lub urządzeń, np. w instalacjach HVAC lub 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

Zawory kulowe, od których wymaga się niezawodności i szczelności, muszą mieć odpowiednie badania i certyfikaty. 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, zostały wykonane z pełnowartościowych materiałów i prawidłowo wykończone. Inwestorzy czasem ulegają pokusie wyboru tańszego rozwiązania, szczególnie w przypadku „małych” zaworów dla instalacji budynkowych. Zawory kulowe niskiej jakości mogą ulec uszkodzeniu od razu po montażu (zwykle na skutek wady materiałowej – wykonania z zastosowaniem gorszych stopów stali czy uszczelek niskiej jakości), ale też po pewnym czasie eksploatacji, co zwykle związane jest z wadliwym wykonaniem.

Jak wynika z badań zaworów kulowych w instalacjach wodociągowych sprzed kilku lat [3], awarie często spowodowane są niedokładnym wykonaniem gwintu stożkowego łączącego części korpusu zaworu. Są one związane z niskocyklową wytrzymałością zmęczeniową. 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 kierować się nie tylko korzystną ceną, ale także renomą producenta i odpowiednią dokumentacją zaworów.

Wykonania zaworu kulowego dla różnych rozwiązań

W zależności od rodzaju instalacji, zastosowanego w niej materiału i sposobu łączenia przewodów, a także ich średnicy można dobrać odpowiednie wykonanie zaworu kulowego. W ofercie producentów są zawory nakrętno-nakrętne (obustronnie nakrętne), nakrętno-wkrętne, wkrętno-wkrętne (z obustronnym gwintem wewnętrznym), z półśrubunkiem, kołnierzowe (dla większych średnic instalacji), a także przeznaczone do lutowania. W miejscach, gdzie brakuje przestrzeni, stosuje się zawory kątowe.

Zawory kulowe mogą być wykonywane także jako czerpalne (z końcówką do podłączenia węża), spustowe (z kranikiem spustowym do odprowadzenia zatrzymanej cieczy) z uszczelkami lub bez, z odpowietrznikiem ręcznym i korkiem albo z króćcem (gwint metryczny) do podłączenia czujnika, np. temperatury.

Zawory kulowe dostępne są w bardzo szerokim zakresie średnic – od DN 15 do DN 200 i więcej. Na przykład zawór półcalowy (DN 15) często stosuje się przy podłączaniu wężyka hydraulicznego, zawór 3/4” (DN 20) przy wodomierzach mieszkaniowych, a zawory dwucalowe (DN 50) jako armaturę odcinającą w zestawie wodomierza głównego.

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 barów, a zakres temperatury pracy wynosi od –30 do 180°C. Jeśli chodzi o dolną granicę temperatury roboczej, trzeba zauważyć małą odporność zaworu na niskie temperatury, co wiąże się jednak nie tyle z samą wytrzymałością temperaturową elementów zaworu, ile z zamarzaniem czynnika. Oblodzenie kuli może skutkować jej zniszczeniem i nieszczelnościami.

Czytaj też: Łazienka dla osób o ograniczonej mobilności »

Zawory kulowe dla różnych warunków pracy można podzielić także na zawory standardowe i typu ciężkiego. W tym drugim przypadku mamy do czynienia z wykonaniem wzmocnionym o pełnym przelocie kuli – rozwiązania materiałowe i konstrukcyjne gwarantujące podwyższone parametry pracy, np. wytrzymałość na ciśnienie powyżej 30 barów, podczas gdy dla zwykłej instalacji wodnej wystarcza wytrzymałość do 16 barów. Zwykle im wyższe są parametry pracy (np. ciśnienie do 40 barów i temperatura do 140°C dla instalacji solarnych, a więc zawierających roztwór glikolu w porównaniu do ciśnienia 16 barów 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 też spełniać wymagania odpowiednich polskich i europejskich norm.

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 znajdują zastosowanie głównie w przemyśle – najbardziej zaawansowane urządzenia wykonywane są ze stali nierdzewnej i wytrzymują ciśnienie znacznie przekraczające parametry instalacji budynkowych, sięgające 400–500 barów.

Rozwój zaworów kulowych

Wydaje się, że w zaworach kulowych – ze względu na ich wielokrotnie podkreślaną prostotę – nie ma szczególnie miejsca na rozwiązania innowacyjne. Jednak producenci wciąż dopracowują rozwiązania materiałowe pod kątem pozornie drobnych szczegółów. Na przykład zastosowanie mosiądzu CW617N-4MS przyczynia się do poprawy zarówno wytrzymałości zaworu, jak i jego bezpieczeństwa ekologicznego i sanitarnego. Wynika to z faktu, że stop ten zawiera niewielkie ilości ołowiu i niklu. Niska zawartość ołowiu ma pozytywny wpływ na wytrzymałość oraz 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 zaledwie 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 spośród wielu oferowanych rozwiązań.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019, poz. 1065, z późn. zm.)
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” 12/2011
4. Materiały techniczne firm: Deante, Ferro, Invena, KFA, Perfexim, Profec, Sferaco, Socla/Watts, Taconova, Tubes International