Eksploatacja zaworów kulowych w instalacjach wodociągowych

Zawory kulowe, zwane niekiedy kurkami kulowymi, zabudowywane na podejściach zimnej i ciepłej wody oraz w instalacjach grzewczych, to najczęściej produkty azjatyckie i włoskie, rzadziej polskie. Na rynku znaleźć można wiele zaworów kulowych o średnicach DN 15 i 20, kosztujących od kilku do kilkunastu złotych. Są one powszechnie stosowane w budownictwie i fakt ten narzuca ich wytwórcom konieczność zastosowania się do przepisów dotyczących procedury wprowadzania materiałów i urządzeń dopuszczonych do stosowania w budownictwie. Podstawowym aktem prawnym jest w tym zakresie ustawa o wyrobach budowlanych [5], a elementami procedury wprowadzania produktów na rynek są konieczne atesty, w tym wypadku aprobaty ITB i deklaracje zgodności wyrobu z normą lub certyfikatem albo aprobatą. Atest higieniczny wydawany przez PZH potwierdza dopuszczenie wyrobu do stosowania jako nieszkodliwego dla zdrowia ludzi, co w przypadku wody pitnej ma niezwykle istotne znaczenie.

Wyrób objęty aprobatą techniczną i atestem, rzeczywiście spełniający wymagania zawarte w deklaracji zgodności, a ściślej – w dokumencie odniesienia, powinien być w zasadzie niezawodny. Tak jednak niestety nie jest. Zbadano kilkanaście aprobat ITB dla zaworów kulowych mających takie same parametry i stwierdzono, że są one literalnie identyczne w całym zakresie wymogów, także w zakresie przenoszonych momentów gnących i skręcających. A jednak jedne zawory pękają, a inne nie.

Ankieta przeprowadzona wśród instalatorów potwierdziła dość dużą awaryjność tych urządzeń. Awarie często spowodowane są wadliwym wykonaniem gwintu stożkowego na końcu rury wkręcanej. Gwint wewnętrzny zaworu nie jest stożkowy, wobec tego niewłaściwe wykonanie gwintu stożkowego rury (nadmiar materiału) oraz szczeliwo przy zetknięciu z mosiężnym korpusem zaworu powodować mogą zdeformowanie króćca i w fazie końcowej wkręcania jego pękniecie.

Stwierdzono jednak, że pęknięcia kurków mają też miejsce w instalacjach, w których nie występują naprężenia wynikające z wadliwego wykonania gwintu i połączenia, rozszerzalności termicznej rur czy też użycia niewłaściwych narzędzi do montażu. Przyczynami pęknięć zaworów w takich wypadkach zajęto się w ramach zleconych badań.

Analizy i badania

W trakcie ekspertyz przebadano partię zaworów, które wykazywały szczególną awaryjność. Zawory zamontowane były w instalacji wodociągowej, głównie na podłączeniach wodomierzy mieszkaniowych. Instalacja wykonana została z tworzywa sztucznego (PP, typoszereg PN 16), a samo podłączenie (rury) miało we wszystkich badanych przypadkach średnicę zewnętrzną 20 mm.

Badano zawory o średnicy 1/2" (DN 15), których typoszereg odpowiada ciśnieniu nominalnemu PN 16. Na fot. 1 pokazano te zawory w stanie fabrycznym. Składają się one z dwóch części z połączeniem gwintowanym, do którego producenci stosują dodatkowo kleje. Problem polega na tym, że w obrębie połączenia gwintowego pęknięcia pojawiają się po krótkim czasie od rozpoczęcia eksploatacji. Skutkuje to niestety zalaniem obiektów, w których zawory takie zostały zamontowane.

Kolejne zdjęcie (fot. 2) przedstawia zawór, który zaraz ulegnie awarii, a następne (fot. 3) zawór w fazie pękania – został on na szczęście w porę wymontowany z instalacji. Znamienne, że awarie nie występowały tuż po uruchomieniu instalacji, ale po niedługim okresie eksploatacji. Jak widać, z fazą pękania zaworu łączy się pojawienie wycieku z miejsca uszczelnienia wrzeciona (fot. 3 i 4).

Moment wystąpienia stanu awaryjnego wyklucza ewidentną wadę montażową, ale także wadę materiałową, gdyż w takiej sytuacji pęknięcie nastąpiłoby natychmiast po napełnieniu instalacji. W badanych przypadkach awarie zaworów występowały w różnych miejscach i w różnych odstępach czasowych, dlatego ich przyczyna musi leżeć gdzie indziej. 

Na rys. 1 schematycznie zestawiono najważniejsze przyczyny awarii zaworów. Ponieważ w trakcie badań wykluczono niewłaściwy montaż, występowanie naprężeń na skutek oddziaływania instalacji na zawór, a także fizyczną wadę materiałową korpusu zaworu, postanowiono zbadać czwartą możliwą przyczynę – wadliwą konstrukcję zaworów.

Analizę rozpoczęto od zbadania partii zaworów fabrycznie nowych, a następnie dokonano badań i pomiarów zaworów uszkodzonych. W pierwszym etapie porównano wymiary zewnętrzne – w przypadku 20 losowo wybranych zaworów były one zgodne, z dokładnością do ± 0,5 mm. Kolejnym krokiem było porównanie masy zaworów (tab.).

Okazało się, że pozornie identyczne zawory mają jednak różną masę: od 119,260 do 122,694 g. Pozwoliło to na sformułowanie pierwszego wniosku, że poszczególne urządzenia różnią się zawartością materiału – w skrajnych wypadkach różnica wyniosła ponad 3,468 g. Jest to pozornie niewiele, zaledwie 2,5% dla skrajnych wartości, jeśli jednak przeliczymy to na objętość materiału, uwzględniając gęstość mosiądzu ? = 8,43 g/cm³, różnica objętości wyniesie aż 0,411 cm³. Pojawia się kolejne pytanie: czy jest to różnica w ilości użytego materiału w korpusie, czy też w procentowych ilościach poszczególnych składników w stopach.

Zaworów uszkodzonych nie ważono, gdyż ilość zanieczyszczeń, w tym konopi i pasty uszczelniającej, dawałaby wyniki absolutnie niemiarodajne. Zgodnie z aprobatą ITB, atestem higienicznym i deklaracją zgodności korpus zaworu został wykonany z mosiądzu CuZn40Pb₂ (CW617N). Materiał ten ma określony skład chemiczny zgodny z PN-H- 87025:1992 Stopy miedzi z cynkiem [1]. Zgodnie z normą dopuszczalna zawartość ołowiu (Pb) dla tego stopu wynosi 2,5%. W opinii metalograficznej dostarczonej przez producenta zawartość tę określono na 2,8%. Podobnie różniły się wyniki procentowego składu cynku (Zn) – w skrajnym przypadku różnica ta wyniosła aż 40,9%. Różne ilości ołowiu w stopie wydają się niewielkie i nieistotne, ale tylko pozornie, gdyż wraz ze wzrostem zawartości ołowiu dość znacznemu zmniejszeniu ulegają wskaźniki wytrzymałościowe odlewu. A więc stop mający 1,5% zawartości ołowiu ma wyższe wskaźniki wytrzymałościowe od stopu zawierającego 2,8% ołowiu, oczywiście przy założeniu, że pozostałe istotne składniki danego materiału są takie same. Zwiększona zawartość ołowiu ma niewątpliwie swój udział w zachowywaniu się konstrukcji wykonanej z tego materiału, ale na pewno nie jest główną przyczyną awarii, zbadano zatem zawór w przekroju. Badania przeprowadzono z użyciem lupy oraz mikroskopu stereoskopowego. Wykonano również pomiary gwintów przy pomocy mikroskopu warsztatowego. Obserwacje mikroskopowe pozwalają sformułować generalny wniosek, że gwinty elementów wykonane zostały niedokładnie, na co wskazuje zarówno różnica średnic obu części, jak i wzajemne położenie zarysów gwintów (fot. 5, 6 i 7). Zwoje gwintów stykają się tylko częściowo, a zatem na zmniejszone powierzchnie styku występują naciski. W tzw. części roboczej gwintów brakuje wystarczającej ilości kleju, występuje on natomiast w nadmiarze w części końcowej wkrętki. Niedokładnie też wykonano powierzchnie zwojów gwintu, co może się wiązać z wystąpieniem zjawiska mikrokarbów. Stwierdzić należy, że tak wykonane połączenie gwintowe nie może przenieść sił występujących w przekroju wkrętki, tym bardziej że, jak zmierzono, grubość ścianki we wrębie wynosi jedynie 1,19 mm. Wyniki pomiarów połączenia gwintowego zamieszczono na rys. 2. Obliczenie naprężeń w tak wadliwie wykonanym połączeniu gwintowym za pomocą znanych metod obliczeniowych nie jest możliwe. Nie można też ustalić wystarczająco dokładnie choćby geometrii styku zwojów, a tym samym wyliczyć dokładnych naprężeń w przekrojach. W tak wykonanym połączeniu wystąpią różne naprężenia złożone, może też dojść do przekroczenia wytrzymałości zmęczeniowo-kształtowej. Analiza wykazała ponadto, że długość części użytkowej połączenia gwintu wyniosła w badanych przypadkach 2,63 mm (mniej niż dwa zwoje). Zdaniem autorów jest to zbyt mało, nawet jeśli uwzględnić fakt, że dotyczy to połączenia spoczynkowego. Ten fragment części styku, a więc części roboczej, powinien mieć zgodnie z normami i zasadami przynajmniej 7 mm.

Podsumowanie

Jak wynika z przeprowadzonych badań i analiz, przyczyną awaryjności badanych zaworów są niedokładnie wykonane gwinty łączące elementy korpusu, powodujące zwiększone naciski na powierzchnie styku gwintów, i związana z tym niskocyklowa wytrzymałość zmęczeniowa materiału, co wyjaśniałoby odległy w czasie moment wystąpienia awarii. Zagadnienie to warto poddać pod rozwagę producentom zaworów kulowych. Zapraszamy również Czytelników do podzielenia się na łamach „Rynku Instalacyjnego” swoimi doświadczeniami w opisywanej materii.

Literatura

1. PN-H-87025:1992 Stopy miedzi do przeróbki plastycznej. Stopy miedzi z cynkiem. Gatunki.

2. PN-EN ISO 228-1:2005 Gwinty rurowe połączeń ze szczelnością nie uzyskiwaną na gwincie. Cz. 1: Wymiary, tolerancje i oznaczenie.

3. PN-EN 10226-1:2006 Gwinty rurowe połączeń ze szczelnością uzyskiwaną na gwincie. Cz. 1: Gwinty stożkowe zewnętrzne i gwinty walcowe wewnętrzne. Wymiary, tolerancje i oznaczenie.

4. 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.

5. Ustawa z dnia 16 kwietnia 2004 r. o wyrobach budowlanych (DzU nr 92/2004, poz. 881, ze zm.).

6. Ustawa z dnia 30 sierpnia 2002 r. o systemie oceny zgodności (DzU nr 166/2002, poz. 1360, ze zm.).

7. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU nr 89/1994, poz. 414, ze zm.).

8. Ustawa z dnia 23 kwietnia 1964 r. Kodeks Cywilny (DzU nr 16/1964, poz. 93, ze zm.).

9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 8 kwietnia 2011 r. w sprawie sposobu prowadzenia Krajowego Wykazu Zakwestionowanych Wyrobów Budowlanych (DzU nr 87/2011, poz. 486).

10. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 11 sierpnia 2004 r. w sprawie sposobów deklarowania zgodności wyrobów budowlanych oraz sposobu znakowania ich znakiem budowlanym (DzU nr 198/2004, poz. 2041, ze zm.).