Zawory membranowe w technice procesowej i dozującej: budowa i wybór

Zawór membranowy z tworzywa sztucznego należy w technice procesowej i dozującej do najbardziej niezawodnych armatur odcinających i regulacyjnych dla mediów agresywnych, wysokiej czystości lub zawierających ciała stałe. Powód leży w zasadzie działania: elastyczna membrana całkowicie oddziela napęd od przestrzeni przepływu, dzięki czemu medium styka się wyłącznie z chemicznie odpornymi materiałami, takimi jak PVC-U, PP, PVDF lub PTFE. W tym poradniku wyjaśniamy budowę zaworów membranowych, porównujemy popularne rodzaje budowy i materiały, pokazujemy najważniejsze kryteria wyboru i doboru oraz wskazujemy typowe błędy, które w praktyce prowadzą do przedwczesnej awarii membrany.

Budowa i zasada działania zaworu membranowego

Zawór membranowy składa się w swej istocie z trzech zespołów: korpusu zaworu (części dolnej), membrany i części górnej z napędem. Korpus zaworu prowadzi medium i posiada – zależnie od rodzaju budowy – przegrodę (grzbiet) lub gładkie przejście. Membrana leży między częścią dolną a górną i jest dociskana w dół przez talerz zaworu (kompresor). Przy zamykaniu przylega uszczelniająco do przegrody lub dna korpusu i tym samym przerywa przepływ.

Decydująca zaleta konstrukcyjna: membrana jest jedynym ruchomym miejscem uszczelniającym, które styka się z medium. Trzpień, talerz zaworu i napęd znajdują się powyżej membrany, bez kontaktu z medium. Dzięki temu odpadają stykające się z medium uszczelnienia trzpienia i dławnice, medium nie jest zanieczyszczane przez smary, a armatura nadaje się również do zastosowań o wysokich wymaganiach czystości. Zawór jest uruchamiany ręcznie za pomocą kółka ręcznego lub automatycznie za pomocą napędu pneumatycznego lub elektrycznego.

Membrana jako element centralny

Membrana pełni jednocześnie funkcję uszczelniającą, rozdzielającą i ruchową, i jest tym samym elementem najbardziej obciążonym. Jest planowaną częścią zużywającą się i musi być dobrana do medium, temperatury i liczby cykli przełączania. Powszechne są dwa typy podstawowe:

• Membrany elastomerowe (np. EPDM, FPM/FKM, NBR): elastyczne, ekonomiczne, o dobrej sile powrotnej i długiej żywotności przy umiarkowanych mediach.
• Membrany PTFE z tylną warstwą wspierającą z elastomeru: chemicznie niemal uniwersalnie odporne i przeznaczone do agresywnych kwasów, ługów i rozpuszczalników; od strony medium PTFE zapobiega bezpośredniemu kontaktowi z elastomerem.

Przy wymagających mediach często łączy się membranę PTFE z membraną wspierającą EPDM, aby połączyć odporność chemiczną z elastycznością mechaniczną.

Rodzaje budowy: zawór membranowy z przegrodą i zawór przelotowy

W zakresie rodzaju budowy rozróżnia się przede wszystkim dwie zasady, wyraźnie różniące się prowadzeniem przepływu i głównym obszarem zastosowania.

Zawór z przegrodą (typu Weir)

W zaworze z przegrodą pośrodku korpusu wznosi się przegroda (grzbiet), na której membrana przylega przy zamykaniu. Skok membrany jest niewielki, obciążenie membrany niskie, a zachowanie regulacyjne delikatne – zawór z przegrodą nadaje się zatem dobrze do dławienia i regulacji małych do średnich strumieni objętości. Przegroda powoduje jednak nieco wyższą stratę ciśnienia i przestrzeń resztkową, której nie da się całkowicie opróżnić.

Zawór przelotowy (Straight-Through)

Zawór przelotowy posiada gładki, ciągły otwór bez przegrody. Membrana jest dociskana na całym przekroju do dna korpusu. Ten rodzaj budowy oferuje niemal pełne przejście, niską stratę ciśnienia i dobre samoopróżnianie – zaleta w przypadku zawiesin, udziału ciał stałych, mediów włóknistych lub lepkich. Większy skok membrany prowadzi do wyższego obciążenia membrany.

Zawór membranowy z tworzywa sztucznego w zastosowaniu procesowym: prawidłowy wybór materiałów

Wybór materiału decyduje o odporności chemicznej, wytrzymałości temperaturowej i ciśnieniowej, a tym samym o żywotności armatury. Dla zaworu membranowego z tworzywa sztucznego w zastosowaniu procesowym materiał korpusu i membrany należy rozpatrywać osobno i zawsze sprawdzać na podstawie tabeli odporności dla konkretnego medium, uwzględniając stężenie i temperaturę.

Materiały korpusu (tworzywa termoplastyczne)

• PVC-U: ekonomiczny, dobrze odporny na wiele kwasów, ługów i roztworów soli; standard w technice wodnej i ściekowej. Ograniczony zakres temperatury pracy (z reguły do ok. 60 °C).
• PVC-C: chemia podobna do PVC-U, jednak wyższa odporność temperaturowa.
• PP (polipropylen): dobra odporność na ługi i wiele mediów organicznych, wyższy zakres temperatur, dla agresywnej chemii często w wykonaniu PP-H lub wzmocnionym.
• PVDF (fluorek poliwinylidenu): wysoka odporność chemiczna na agresywne kwasy, halogeny i rozpuszczalniki, wysoki stopień czystości, zastosowanie do wyższych zakresów temperatur – pierwszy wybór dla wymagających zastosowań chemicznych i mediów wysokiej czystości.

Materiały membran

• EPDM: dobrze odporny na wodę, rozcieńczone kwasy i ługi, media polarne; nieodporny na oleje mineralne i wiele węglowodorów.
• FPM/FKM (kauczuk fluorowy): odporny na wiele olejów, paliw i agresywnych mediów; ograniczony przy gorącej wodzie i ługach.
• PTFE (z warstwą wspierającą z elastomeru): niemal uniwersalna odporność chemiczna, dla mediów wysoce agresywnych i wysokiej czystości; wyższa sztywność, stąd inna charakterystyka przełączania i regulacji.

Dobór: średnica nominalna, współczynnik Kv i klasa ciśnienia

Prawidłowy dobór zapewnia, że zawór poradzi sobie z wymaganym strumieniem objętości przy akceptowalnej stracie ciśnienia i że membrana nie zostanie przeciążona. Decydującymi wielkościami są średnica nominalna (DN), współczynnik przepływu (współczynnik Kv lub Cv), klasa ciśnienia (PN) i dopuszczalny zakres ciśnienie-temperatura.

Współczynnik Kv opisuje strumień objętości w m³/h wody, przepływający przez zawór przy stracie ciśnienia 1 bar. Służy do dopasowania zaworu do punktu pracy. Dla zadań regulacyjnych należy dodatkowo uwzględnić charakterystykę zaworu – zawory z przegrodą oferują tu delikatniejsze zachowanie regulacyjne. Zasadniczo: nie średnica nominalna rurociągu determinuje zawór, lecz wymagany punkt pracy wynikający z przepływu i dopuszczalnej straty ciśnienia.