ObwohlKunststoffventilewerden manchmal als Spezialprodukt angesehen – die erste Wahl für Leute, die Kunststoffrohrleitungsprodukte für Industriesysteme herstellen oder konstruieren oder ultrareine Geräte benötigen – es liegt auf der Hand, dass diese Ventile nicht viele allgemeine Verwendungsmöglichkeiten haben. Tatsächlich haben die heutigen Kunststoffventile ein breites Anwendungsspektrum, da die Arten von Materialien ständig erweitert werden und gute Designer, die diese Materialien benötigen, bedeuten, dass es immer mehr Möglichkeiten gibt, diese multifunktionalen Werkzeuge einzusetzen.

Eigenschaften von Kunststoff

Ventile aus Thermoplast haben zahlreiche Vorteile: Sie sind korrosions- und chemikalienbeständig, abriebfest, haben glatte Innenwände, sind leicht, einfach zu installieren, haben eine lange Lebensdauer und sind kostengünstiger. Diese Vorteile haben zu einer breiten Akzeptanz von Kunststoffventilen in gewerblichen und industriellen Anwendungen geführt, beispielsweise in der Wasserversorgung, Abwasserbehandlung, Metall- und Chemieverarbeitung, Lebensmittel- und Pharmaindustrie, Kraftwerken, Ölraffinerien und anderen Industriezweigen. Kunststoffventile können aus zahlreichen unterschiedlichen Materialien hergestellt und in zahlreichen Konfigurationen verwendet werden. Die gängigsten Thermoplastventile bestehen aus Polyvinylchlorid (PVC), chloriertem Polyvinylchlorid (CPVC), Polypropylen (PP) und Polyvinylidenfluorid (PVDF). PVC- und CPVC-Ventile werden üblicherweise durch Kleben von Muffenenden oder Gewinde- und Flanschenden mit Rohrleitungssystemen verbunden, während PP- und PVDF-Ventile das Verbinden von Rohrleitungssystemkomponenten entweder durch Wärme-, Stumpf- oder Elektroschweißverfahren erfordern.

Thermoplastische Ventile eignen sich hervorragend für korrosive Umgebungen, sind aber ebenso nützlich in der allgemeinen Wasserversorgung, da sie bleifrei1, entzinkungsbeständig und rostfrei sind. PVC- und CPVC-Rohrsysteme und -Ventile sollten nach NSF-Standard 61 (National Sanitation Foundation) auf gesundheitliche Auswirkungen geprüft und zertifiziert sein, einschließlich der niedrigen Bleianforderungen gemäß Anhang G. Die Wahl des richtigen Materials für korrosive Flüssigkeiten kann anhand der Chemikalienbeständigkeitsrichtlinien des Herstellers und der Auswirkungen der Temperatur auf die Festigkeit von Kunststoffen getroffen werden.

Obwohl Polypropylen nur halb so stark ist wie PVC und CPVC, weist es die vielseitigste chemische Beständigkeit auf, da es keine bekannten Lösungsmittel enthält. PP verhält sich gut in konzentrierten Essigsäuren und Hydroxiden und eignet sich auch für mildere Lösungen der meisten Säuren, Laugen, Salze und vieler organischer Chemikalien.

PP ist als pigmentiertes oder unpigmentiertes (natürliches) Material erhältlich. Natürliches PP wird durch ultraviolette (UV-)Strahlung stark angegriffen, Verbindungen mit mehr als 2,5 % Rußpigmentierung sind jedoch ausreichend UV-stabilisiert.

PVDF-Rohrleitungssysteme werden aufgrund ihrer Festigkeit, Betriebstemperatur und chemischen Beständigkeit gegenüber Salzen, starken Säuren, verdünnten Basen und vielen organischen Lösungsmitteln in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt, von der Pharmaindustrie bis zum Bergbau. Im Gegensatz zu PP wird PVDF durch Sonnenlicht nicht angegriffen; der Kunststoff ist jedoch lichtdurchlässig und kann die Flüssigkeit UV-Strahlung aussetzen. Während sich eine natürliche, unpigmentierte PVDF-Formulierung hervorragend für hochreine Innenanwendungen eignet, ermöglicht die Zugabe eines Pigments, beispielsweise eines lebensmittelechten Rots, die Sonneneinstrahlung ohne negative Auswirkungen auf das Fluidmedium.

Kunststoffsysteme sind mit Herausforderungen bei der Konstruktion verbunden, wie z. B. Temperaturempfindlichkeit sowie Wärmeausdehnung und -kontraktion. Ingenieure können jedoch langlebige, kostengünstige Rohrleitungssysteme für allgemeine und korrosive Umgebungen entwickeln und haben dies auch bereits getan. Der wichtigste Aspekt bei der Konstruktion ist der höhere Wärmeausdehnungskoeffizient von Kunststoffen als der von Metallen – Thermoplaste sind beispielsweise fünf- bis sechsmal so hoch wie Stahl.

Bei der Konstruktion von Rohrleitungssystemen und der Berücksichtigung der Auswirkungen auf Ventilplatzierung und Ventilhalterungen ist die thermische Ausdehnung bei Thermoplasten ein wichtiger Aspekt. Spannungen und Kräfte, die durch thermische Ausdehnung und Kontraktion entstehen, können durch Flexibilität der Rohrleitungssysteme durch häufige Richtungswechsel oder die Einführung von Dehnungsbögen reduziert oder eliminiert werden. Durch diese Flexibilität entlang des Rohrleitungssystems muss das Kunststoffventil weniger Spannungen aufnehmen (Abbildung 1).

Da Thermoplaste temperaturempfindlich sind, sinkt die Druckfestigkeit eines Ventils mit steigender Temperatur. Verschiedene Kunststoffmaterialien weisen bei steigender Temperatur eine entsprechende Minderung der Druckfestigkeit auf. Die Flüssigkeitstemperatur ist möglicherweise nicht die einzige Wärmequelle, die die Druckfestigkeit eines Kunststoffventils beeinflussen kann – die maximale Außentemperatur muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden. In einigen Fällen kann eine nicht auf die Außentemperatur der Rohrleitung abgestimmte Konstruktion aufgrund fehlender Rohrhalterungen zu übermäßigem Durchhängen führen. PVC hat eine maximale Betriebstemperatur von 140 °F, CPVC von maximal 220 °F, PP von maximal 180 °F und PVDF-Ventile können einem Druck von bis zu 280 °F standhalten (Abbildung 2).

Am anderen Ende der Temperaturskala funktionieren die meisten Kunststoffrohrsysteme bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt recht gut. Tatsächlich steigt die Zugfestigkeit thermoplastischer Rohre mit sinkender Temperatur. Die Schlagfestigkeit der meisten Kunststoffe nimmt jedoch mit sinkender Temperatur ab, und die betroffenen Rohrmaterialien werden spröde. Solange die Ventile und das angrenzende Rohrsystem ungestört sind, nicht durch Stöße oder Anstoßen von Gegenständen gefährdet werden und die Rohre bei der Handhabung nicht fallen gelassen werden, werden nachteilige Auswirkungen auf die Kunststoffrohre minimiert.

ARTEN VON THERMOPLASTISCHEN VENTILEN

Kugelhähne,Rückschlagventile,AbsperrklappenMembranventile sind in allen thermoplastischen Werkstoffen für Druckrohrleitungssysteme der Klasse 80 erhältlich und verfügen über eine Vielzahl von Innengarnituren und Zubehör. Der Standard-Kugelhahn ist meist als True-Union-Ausführung ausgeführt, um den Ausbau des Ventilkörpers zu Wartungszwecken zu erleichtern, ohne die Anschlussleitungen zu unterbrechen. Rückschlagventile aus thermoplastischem Kunststoff sind als Kugel-, Schwenk-, Y- und Kegelrückschlagventile erhältlich. Absperrklappen lassen sich problemlos mit Metallflanschen verbinden, da sie den Schraubenlöchern, Lochkreisen und Abmessungen der ANSI-Klasse 150 entsprechen. Der glatte Innendurchmesser thermoplastischer Teile trägt zusätzlich zur präzisen Steuerung von Membranventilen bei.

Kugelhähne aus PVC und CPVC werden von mehreren US-amerikanischen und ausländischen Unternehmen in den Größen 1/2 Zoll bis 6 Zoll mit Muffen-, Gewinde- oder Flanschanschlüssen hergestellt. Die True-Union-Konstruktion moderner Kugelhähne umfasst zwei Muttern, die auf das Gehäuse geschraubt werden und die Elastomerdichtungen zwischen Gehäuse und Endverbindern zusammendrücken. Einige Hersteller haben die gleiche Kugelhahn-Verlegelänge und die gleichen Muttergewinde über Jahrzehnte beibehalten, um einen einfachen Austausch älterer Ventile ohne Änderungen an den angrenzenden Rohrleitungen zu ermöglichen.

Kugelhähne mit Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Elastomerdichtungen sollten für den Einsatz in Trinkwasser nach NSF-61G zertifiziert sein. Fluorkohlenwasserstoff (FKM)-Elastomerdichtungen können als Alternative für Systeme verwendet werden, bei denen die chemische Verträglichkeit eine Rolle spielt. FKM kann auch in den meisten Anwendungen mit Mineralsäuren eingesetzt werden, mit Ausnahme von Chlorwasserstoff, Salzlösungen, chlorierten Kohlenwasserstoffen und Erdölen.

Abbildung 3. Ein an einem Tank befestigter FlanschkugelhahnAbbildung 4. Ein vertikal installiertes KugelrückschlagventilPVC- und CPVC-Kugelhähne von 1/2 bis 2 Zoll sind eine praktikable Option für Warm- und Kaltwasseranwendungen, bei denen der maximale Wasserdruck ohne Stoß bis zu 250 psi bei 73 °F betragen kann. Größere Kugelhähne von 2-1/2 bis 6 Zoll haben einen niedrigeren Nenndruck von 150 psi bei 73 °F. PP- und PVDF-Kugelhähne (Abbildungen 3 und 4) werden häufig in der Chemikalienförderung verwendet und sind in den Größen 1/2 bis 4 Zoll mit Muffen-, Gewinde- oder Flanschanschlüssen erhältlich. Sie sind üblicherweise für einen maximalen Wasserdruck ohne Stoß bei Umgebungstemperatur von 150 psi ausgelegt.

Kugelrückschlagventile aus Thermoplast basieren auf einer Kugel mit einem geringeren spezifischen Gewicht als Wasser. Bei Druckverlust auf der Zulaufseite sinkt die Kugel zurück auf die Dichtfläche. Diese Ventile können im gleichen Umfang wie ähnliche Kunststoffkugelhähne eingesetzt werden, da sie keine neuen Materialien in das System einbringen. Andere Rückschlagventile können Metallfedern enthalten, die in korrosiven Umgebungen nicht haltbar sind.

Abbildung 5. Eine Absperrklappe mit Elastomer-Auskleidung. Die Kunststoff-Absperrklappe in den Größen 2 bis 24 Zoll wird häufig für Rohrleitungssysteme mit größerem Durchmesser verwendet. Hersteller von Kunststoff-Absperrklappen verfolgen unterschiedliche Ansätze hinsichtlich der Konstruktion und der Dichtflächen. Einige verwenden eine Elastomer-Auskleidung (Abbildung 5) oder einen O-Ring, während andere eine elastomerbeschichtete Scheibe verwenden. Einige fertigen das Gehäuse aus einem einzigen Material, aber die inneren, benetzten Komponenten dienen als Systemmaterialien. Das bedeutet, dass ein Absperrklappengehäuse aus Polypropylen eine EPDM-Auskleidung und eine PVC-Scheibe oder verschiedene andere Konfigurationen mit gängigen Thermoplasten und Elastomerdichtungen enthalten kann.

Die Installation einer Kunststoff-Absperrklappe ist unkompliziert, da diese Ventile in Waferbauweise mit integrierten Elastomerdichtungen gefertigt werden. Eine zusätzliche Dichtung ist nicht erforderlich. Die Verschraubung einer Kunststoff-Absperrklappe zwischen zwei Gegenflanschen muss sorgfältig erfolgen, indem das empfohlene Schraubendrehmoment in drei Schritten erhöht wird. Dies geschieht, um eine gleichmäßige Abdichtung über die gesamte Oberfläche zu gewährleisten und eine ungleichmäßige mechanische Belastung der Klappe zu vermeiden.

Abbildung 6. Ein Membranventil. Metallventilprofis werden die Funktionsweise von Kunststoffmembranventilen mit dem Rad und den Positionsanzeigen kennen (Abbildung 6). Kunststoffmembranventile bieten jedoch einige entscheidende Vorteile, darunter die glatten Innenwände des thermoplastischen Gehäuses. Ähnlich wie beim Kunststoffkugelhahn haben Anwender dieser Ventile die Möglichkeit, eine True-Union-Ausführung zu installieren, die besonders bei Wartungsarbeiten am Ventil nützlich sein kann. Alternativ können Flanschanschlüsse gewählt werden. Dank der vielfältigen Auswahl an Gehäuse- und Membranmaterialien eignet sich dieses Ventil für eine Vielzahl chemischer Anwendungen.

Wie bei jedem Ventil liegt der Schlüssel zur Betätigung von Kunststoffventilen in der Bestimmung der Betriebsanforderungen, z. B. pneumatisch oder elektrisch und Gleich- oder Wechselstrom. Bei Kunststoff müssen Konstrukteur und Anwender jedoch auch die Umgebung des Antriebs verstehen. Wie bereits erwähnt, eignen sich Kunststoffventile hervorragend für korrosive Umgebungen, einschließlich korrosiver Umgebungen. Daher ist das Gehäusematerial der Antriebe für Kunststoffventile ein wichtiger Aspekt. Hersteller von Kunststoffventilen bieten Optionen, um den Anforderungen dieser korrosiven Umgebungen gerecht zu werden, z. B. mit kunststoffummantelten Antrieben oder epoxidbeschichteten Metallgehäusen.

Wie dieser Artikel zeigt, bieten Kunststoffventile heute vielfältige Möglichkeiten für neue Anwendungen und Situationen.