Повышение ресурсной надежности полипропиленовых шаровых кранов

Напорные полипропиленовые трубопроводы благодаря своей дешевизне и относительной простоте монтажа прочно завоевали своё место во внутридомовых инженерных системах.

Кроме непосредственно самих труб и фитингов, соединяемых методом полифузионной сварки, стала применяться и широко использоваться также и специальная полипропиленовая арматура для таких трубопроводов: шаровые краны, вентили, фильтры, коллекторы и обратные клапаны.

Полипропиленовые шаровые краны являются наиболее распространенным видом арматуры, применяемой в системах полипропиленовых трубопроводов. Они устанавливаются и на каждом вводе в квартиру, и на разводящих трубопроводах, и на стояках. Кроме того, такие краны в несколько ином исполнении монтируются на входе и выходе отопительных приборов, позволяя отключать эти приборы в случае необходимости.

Сами по себе шаровые краны являются надёжными и долговечными устройствами. Огромное количество шаровых кранов с латунными и стальными корпусами успешно эксплуатируются десятки лет на объектах самого разного назначения.

Однако в процессе эксплуатации систем полипропиленовых трубопроводов стали выявляться определенные недостатки шаровых кранов, корпус которых выполнен из полипропилена.

Наиболее часто встречающийся дефект, как правило, связан с протечкой крана по штоку (рис. 1, 2).

Рис. 1. Негерметичность уплотнения штока. Проверка мыльным
раствором

Как оказалось, эта проблема может быть вызвана несколькими причинами. Первая причина связана с конструкцией и традиционной технологией изготовления таких кранов.

Латунный шаровой затвор (2) обычного полипропиленового крана (рис. 3) со штоком (4) и седельными кольцами из PTFE (тефлона) (3) помещается в составную пластиковую (полипропиленовую или нейлоновую) обойму (5), состоящую из двух половинок. На шток заранее устанавливаются эластомерные сальниковые кольца (6), выполненные из NBR, EPDM или FPM (витона). Обойма с затворным механизмом фиксируется в пресс-форме, после чего форма поступает в термопластаппарат. Здесь в пресс-форму подаётся под высоким давлением расплавленный полипропилен, формирующий корпус крана (1).

Именно в этот момент могут происходить непредсказуемые деформации обоймы, вызванные воздействием высокой температуры и давления.

В период эксплуатации эти деформации могут усугубляться от воздействия транспортируемой среды. В результате зазоры между обоймой и штоком увеличиваются и уже не могут компенсироваться эластичностью сальниковых колец. Возникает протечка.

Малейшее нарушение режима формования корпуса полипропиленового крана приводит к печальным последствиям. Превышение температуры расплава может привести к полному расплавлению обоймы, что вызовет неработоспособность готового изделия. Если температура расплава будет меньше расчетной, герметичной связи между корпусом и обоймой не возникнет, что вызывает общую потерю краном герметичности (рис. 4).

Рис. 3. Конструкция традиционного полипропиленового крана

Рис. 4. Распил бракованного шарового крана с отслоившейся обоймой   

Еще одной причиной потери герметичности полипропиленовых кранов является различие коэффициентов линейного расширения полимерных материалов и латуни.

Рис. 5. Конструкция крана VTp.743

Установка обычного полипропиленового крана в систему горячего водоснабжения или отопления приводит к следующему: пластиковая обойма и корпус шарового крана увеличиваются в размерах больше, чем латунный шаровой затвор и шток. Это ведет к образованию зазора между деталями, в результате чего появляется течь. Шаровой кран уже не представляет собой цельное изделие, а лишь набор отдельных, неплотно прилегающих друг к другу составных частей.

Ещё одним существенным недостатком пластиковой обоймы полипропиленового шарового крана является её гораздо меньшая прочность по сравнению с латунью, из которой выполняется шток. В процессе открытия-закрытия крана, латунный шток, поворачиваясь в обойме, постепенно сминает ее, как и более мягкий и податливый материал. Это вызвано тем, что при воздействии на флажковую рукоятку крана пользователь передаёт на шток не только крутящий, но и некоторый изгибающий момент. И этот изгибающий момент тем больше, чем туже открывается затвор. С течением времени, между штоком и обоймой образуется зазор, который уже не может компенсировать эластичность сальниковых эластомерных колец. Как следствие, возникает течь.

Выявив и изучив вышеизложенные недостатки, компания VALTEC внесла существенные изменения в конструкцию полипропиленовых шаровых кранов.

В полипропиленовом кране VTp.743 (рис. 5) в конструкцию крана включена сальниковая обойма (7), выполненная из латуни CW614N, в которой помещён шток (4) и сальниковые кольца (6). Такая обойма уже не покоробится при формовке и не потеряет герметичности из-за силовых и абразивных воздействий штока. В нижней части штока имеется опорный буртик, который упирается в латунную сальниковую обойму. Таким образом давление рабочей среды, а также возможные гидравлические удары, воспринимает не пластик, как в традиционном кране, а латунь. Обойма, в которой располагается шаровой затвор (2) и седельные кольца (3) выполнена из полипропилена, армированного стекловолоконной фиброй.

Масса фибры составляет 17 % от общего веса материала обоймы. Армированный полипропилен обоймы имеет коэффициент линейного расширения 6,2х10-5 1/°С, что более чем в два раза ниже чем у неармированного полипропилена (13х10-5 1/°С). Таким образом, обойма компенсирует скачок в линейных деформациях латуни и полипропилена, не позволяя появляться в конструкции крана зазоров, ведущих к потере герметичности. Это обеспечивает заявленный класс герметичности шарового затвора (класс «А») как в системах отопления, так и в системах горячего водоснабжения. Эти же решения использованы в конструкции радиаторных шаровых кранов VTр.717 (прямой) и VTр.718 (угловой) (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция шарового крана VTр.717

Единственным отличием от крана VTp.743 у радиаторных кранов является наличие дополнительного интегрированного в корпус резьбового патрубка, к которому присоединяется полусгон с накидной гайкой. Полусгон служит для непосредственного соединения полипропиленового крана с отопительным прибором.

Чтобы ещё больше приблизить эксплуатационные и прочностные качества полипропиленового шарового крана к его латунным аналогам, компанией VALTEC был разработан усиленный шаровой кран VTp.744 (рис. 7), представляющий некий гибрид латунного и полипропиленового шаровых кранов, сочетающий в себе достоинства каждого из них.

Рис. 7. Конструкция крана VTp.744

В кране VTp.744 пластиковая обойма затвора и шара заменена на латунную, изготовленную из горячепрессованной никелированной латуни CW.617N. В сущности, получился латунный шаровой кран, заключенный в полипропиленовую оболочку. Для защиты от протечек, вызванных разностью коэффициентов линейного теплового расширения латуни и пластика, в местах возможного негативного проникновения рабочей среды в обойму интегрированы уплотнительные кольца из EPDM. Сальниковый узел такого крана теперь ничем не отличается от сальникового узла обычного латунного крана, например серии VALTEC COMPACT. Такой кран хоть и несколько дороже обычных полипропиленовых кранов, но по эксплуатационным свойствам, прочности и долговечности значительно превосходит их.

Внешний вид кранов VTp.744 и VTp.743 одинаковый. Различаются они маркировкой на корпусе («744» и «743»).

Стендовые испытания в Лаборатории комплексных испытаний элементов инженерных систем (ЛаКИЭлИС) подтвердили ресурсную надёжность шаровых полипропиленовых кранов, о которых мы рассказали в этой статье.

В частности, при циклических испытаниях краны VTp.743, VTp.717 и VTp.718 выдержали по 13 000–15 000 циклов открытия/закрытия на горячей (70 °С) воде, а кран VTp.744 – 24 000 циклов.

Таким образом, используя полипропиленовые шаровые краны VALTEC, пользователь может быть твёрдо уверен в их длительной безаварийной эксплуатации.