Zawory regulacyjne - jak je dobierać?

Środa, 17 czerwca 2015 | Technika

Zawory regulacyjne, niezależnie od tego, czy są ręczne, automatyczne czy półautomatyczne, składają się zazwyczaj z grupy podzespołów - elementu dławiącego, siłownika, pozycjonera, obudowy i innych części. Pozwalają one na zmianę parametrów przepływu cieczy i gazów przez nie płynących, co umożliwia regulację ciśnienia, kontrolę poziomu napełnienia zbiorników czy dozowanie określonej substancji.

Zawory charakteryzuje wiele różnych parametrów i cech, od których zależy nie tylko jakość regulacji, ale też możliwość użycia z danym medium i w określonych warunkach. W artykule wyjaśniamy, na co warto zwrócić uwagę, wybierając dany produkt, aby uniknąć problemów, które będą skutkiem błędnej decyzji.

Co sprawdzić przed rozpoczęciem wybierania zaworu?

Zacząć należy od zebrania podstawowych informacji o właściwościach płynu oraz instalacji, której częścią będzie zawór. Znać powinno się m.in. wymiary i materiały użyte do budowy tej ostatniej. Jeżeli chodzi o medium, to określić trzeba jego m.in. natężenie przepływu, stan skupienia (gazowy, ciekły), gęstość, lepkość, ciepło właściwie, temperaturę krytyczną, ciśnienie krytyczne oraz ciśnienie robocze i temperaturę roboczą.

Szczególnej uwagi wymagają media o bardzo wysokiej (rzędu kilkuset stopni Celsjusza) oraz bardzo niskiej temperaturze. W wyniku kontaktu zaworu z tymi pierwszymi elementy konstrukcji mogą ulec rozszerzeniu, co skutkuje naprężeniami i odkształceniami, a w rezultacie grozi wyciekiem.

W czasie na przykład dławienia cieczy węglowodorowych może z kolei dojść do zamarznięcia płynu wewnątrz zaworu. Jeżeli urządzenie to reguluje przepływ cieczy kriogenicznych, liczyć się trzeba natomiast ze zmianą stanu skupienia wilgoci z otoczenia, która przeniknęła do środka zaworu.

Sposoby na erozję zaworów

Żeby uniknąć spowodowanego tym zablokowania ruchomych części tego urządzenia, należy je zaizolować. Sprawdzić powinno się również, czy medium jest agresywne chemicznie albo czy powoduje erozję. Z powodu specyfiki konstrukcji niektórych typów zaworów nie wolno wówczas używać (przykłady przedstawiamy w dalszej części artykułu).

W urządzeniach dozwolonych postęp erozji próbuje się hamować, wzmacniając ich wewnętrzne komponenty powłokami ze stopów niklu albo stopu kobaltu z chromem. Już na etapie eksploatacji trzeba ponadto pamiętać, że urządzenia używane do regulacji przepływu płynów z niszczącymi drobinami trzeba częściej czyścić.

Wymagania, jakie są stawiane zaworom regulacyjnym jako elementom układu sterowania, to z kolei m.in.: możliwość pracy w szerokim zakresie przepływów (duży zakres regulacji), odpowiednio szybka (nie zawsze natychmiastowa, ponieważ czasem zbyt nagłe otwarcie albo zamknięcie zaworu może skutkować falą uderzeniową) i dokładna reakcja na sygnał sterujący w całym zakresie roboczym, krótki czas martwy i duża rozdzielczość.

Różne branże, to różne wymagania dla zaworów regulacyjnych

Zawory regulacyjne wykorzystywane są w różnych branżach i warunkach. Na przykład w wodno-kanalizacyjnej, gdzie regulują przepływ wody i ścieków, mają kontakt z erozyjnymi i chemicznie agresywnymi substancjami, zwykle o niskim ciśnieniu. Popularnym materiałem używanym do ich budowy jest żeliwo.

Z kolei w systemach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji temperatury robocze płynów mieszczą się w zakresie od sporo poniżej 0°C do kilkuset stopni Celsjusza. Komponenty zaworów używanych w instalacjach HVAC wykonywane są m.in. z żelaza, stali i brązu. W przemyśle zawory regulacyjne używane są w szeregu aplikacji, m.in. w obrębie automatycznych linii montażowych, w sprzęcie hydraulicznym oraz w instalacjach wykorzystujących sprężone powietrze.

W energetyce, tam gdzie regulują przepływ pary wodnej, zawory narażone są na wysokie temperatury i duże ciśnienia. Przykładowe materiały konstrukcyjne tych urządzeń to stal węglowa i stal niskostopowa. W energetyce jądrowej z kolei najczęściej elementy zaworów wykonywane są ze stali nierdzewnej, natomiast nie używa się m.in. stellitu (stopu kobaltu, chromu i wolframu, jest twardy, ale kruchy).

Największa różnorodność warunków i materiałów konstrukcyjnych występuje w przemyśle wydobycia i przetwórstwa ropy naftowej oraz gazu. Zawory w nim używane wykonywane są zarówno na bazie stali, jak i superstopów. Regulują one przepływ różnych mediów, od "zwykłej" wody po różnego typu kwasy, zarówno płyny kriogeniczne, jak i o temperaturach sięgających tysięcy stopni Celsjusza, o niskich po bardzo duże ciśnienia.

Dobór charakterystyki zaworu do pełnionego zadania

Ważny parametr to także współczynnik przepływu Cv oraz charakterystyka przepływu. Ta ostatnia może być: szybkootwierająca (dwustawna), liniowa (proporcjonalna) albo stałoprocentowa, inaczej zwana logarytmiczną.

Zaleca się, aby z zaworów o charakterystyce stałoprocentowej korzystać m.in. w pętlach sterowania temperaturą oraz wtedy, gdy spadek ciśnienia na tych urządzeniach nie będzie tym największym w danej instalacji. Zawory o charakterystyce liniowej z kolei najlepiej sprawdzają się w zadaniach regulacji poziomu cieczy oraz jej przepływu, wtedy gdy spadek ciśnienia na nich będzie mniej więcej stały, a przy tym będzie tym największym w całym systemie.

Zawory o szybkootwierającej charakterystyce przepływu nadają się natomiast tam, gdzie będą często otwierane oraz zamykane. Przykładem jest sterowanie procesami nieciągłymi albo kiedy wymagane jest, na przykład w sytuacji awaryjnej, nagłe "zrzucenie" dużej ilości płynu.

O czym warto pamiętać, stosując zawory regulacyjne?

Istotny jest też spadek ciśnienia na zaworze. Na przykład w urządzeniu zamontowanym w przewodach parowych do turbin i kotłów przyjmuje się, że powinien on wynieść około 10% względnego ciśnienia, dla jakiego zaprojektowano daną instalację.

Z kolei tam, gdzie płyn przemieszcza się z jednego zbiornika ciśnieniowego do drugiego pod wpływem ciśnienia statycznego, spadek ciśnienia na zaworze powinien mieć wartość około 10% ciśnienia na dolnych zaciskach zasobnika lub około 50% dynamicznych strat w systemie, jeżeli są większe.

Tam, gdzie częścią instalacji jest pompa, spadek napięcia na zaworze powinien wynieść około 1/3 dynamicznych strat w całym systemie przy znamionowym przepływie. W wypadku zaworów zamontowanych na wlocie albo wylocie sprężarek wielkość ta powinna być rzędu kilku procent względnego ciśnienia ssania albo około połowy dynamicznych strat w systemie, w zależności od tego, która z tych wartości jest większa.

Materiały konstrukcyjne zaworów

Wybierając zawór, dobrze jest się orientować w podstawowych właściwościach materiałów użytych do jego konstrukcji. Na przykład brąz charakteryzuje dobra odporność na korozję, ale może pracować tylko przy stosunkowo niskich ciśnieniach i temperaturach. Materiał ten jest dość tani w produkcji, ale niestety równocześnie trudnonaprawialny. Żeliwo z kolei jest kruche i nadaje się tylko do pracy przy niskim ciśnieniu roboczym. Nie sprawdza się też w zakresie bardzo niskich temperatur.

Stal węglowa jest plastyczna, trwała, łatwa do odlewania i średnio droga. Stal nierdzewną charakteryzuje natomiast wysoka odporność na większość chemikaliów, nadaje się do pracy w bardzo niskich temperaturach, jest łatwa w obróbce. Tzw. superstopy (nadstopy) są odporne na korozję, wysokie temperatury i ciśnienie. Są niestety bardzo drogie, a czasem trudne w obróbce. Przykłady to ha stelloy i inconel.

Hałas generowany przez zawory

Jakość użytkowa zaworu zależy m.in. od łatwości konserwacji i wymiany jego części - tego, czy w tym celu wymagany jest jego demontaż - oraz hałasu, którego jest on źródłem. Ten ostatni powstaje zazwyczaj w wyniku wibracji mechanicznych lub zjawiska kawitacji. Do przyczyn drgań zalicza się m.in. oscylacje ciśnienia, nierównomierny przepływ i nadmierne luzy elementów konstrukcyjnych zaworu.

Hałas generowany przez wibracje ma natężenie, które odpowiada głośności dźwięków słyszalnych w miejscach publicznych (sklep, restauracja), na ulicy albo głośnej muzyki. Podobne jest natężenie hałasu towarzyszącego zjawisku kawitacji (charakterystycznego stukotu). Najgłośniejsze, a przez to najdokuczliwsze, są jednak dźwięki emitowane podczas mieszania się płynów o przepływie turbulentym z tymi o przepływie laminarnym.

Zawory regulacyjne - przegląd

Przykłady zaworów regulacyjnych to: kurkowe / kulowe (plug / ball), grzybkowe (globe), przepustnicowe (butterfly) i membranowe (diaphragm). Do zalet tych pierwszych zalicza się: lekkość oraz kompaktowość konstrukcji, dużą przepustowość, szeroki zakres regulacji i szczelne odcięcie. W celu konserwacji trzeba je jednak zdemontować, a naprawa jest średnio droga. Nie zaleca się ich do silnie korozyjnych płynów, natomiast sprawdzają się dla zawiesin.

Zawory grzybkowe z kolei charakteryzuje duża przepustowość, szeroki zakres regulacji, równe sterowanie, cicha praca, łatwość konserwacji bez konieczności odłączania od instalacji i niskie koszty naprawy. Ich wadą są natomiast duże straty ciśnienia, nie zaleca się ich również do regulacji płynów z okruchami, ponieważ takie drobiny mogą zniszczyć uszczelnienia trzpienia zaworu. Urządzenia te najlepiej sprawdzają się w regulacji przepływu oraz gdy wymagane jest szczelne odcięcie.

Do zalet zaworów przepustnicowych zalicza się m.in.: lekką, kompaktową konstrukcję, małe straty ciśnienia, niską cenę oraz dużą przepustowość. Szczelne odcięcie wymaga jednak dodatkowych rozwiązań konstrukcyjnych, a ich naprawa jest dość droga. Zalety zaworów membranowych to z kolei: brak przecieków i izolacja pomiędzy płynem a trzonem zaworu. Główne ich wady to: ograniczony zakres ciśnienia roboczego oraz temperatury, szybkie zużywanie się i łatwość uszkodzenia.

Monika Jaworowska