ObwohlKunststoffventileKunststoffventile gelten mitunter als Spezialprodukt – die erste Wahl für Hersteller und Entwickler von Kunststoffrohrleitungen für industrielle Anlagen oder für Anwender mit höchsten Reinheitsanforderungen. Es ist jedoch ein Irrtum anzunehmen, dass diese Ventile nicht vielseitig einsetzbar sind. Tatsächlich bieten moderne Kunststoffventile ein breites Anwendungsspektrum, da die Materialvielfalt stetig wächst und Konstrukteure, die diese Materialien benötigen, immer neue Einsatzmöglichkeiten für diese multifunktionalen Werkzeuge eröffnen.

EIGENSCHAFTEN VON KUNSTSTOFF

Die Vorteile von thermoplastischen Ventilen sind vielfältig: Korrosions-, Chemikalien- und Abriebbeständigkeit, glatte Innenwände, geringes Gewicht, einfache Installation, lange Lebensdauer und niedrige Lebenszykluskosten. Diese Vorteile haben zu einer breiten Akzeptanz von Kunststoffventilen in kommerziellen und industriellen Anwendungen wie der Wasserverteilung, Abwasserbehandlung, Metall- und Chemieverarbeitung, Lebensmittel- und Pharmaindustrie, Kraftwerken, Ölraffinerien und der Automobilindustrie geführt. Kunststoffventile können aus verschiedenen Materialien in unterschiedlichen Ausführungen hergestellt werden. Die gängigsten thermoplastischen Ventile 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 Flanschverbindungen mit Rohrleitungssystemen verbunden. PP- und PVDF-Ventile hingegen erfordern die Verbindung von Rohrleitungskomponenten mittels Heiß-, Stumpf- oder Elektroschweißverfahren.

Thermoplastische Ventile eignen sich hervorragend für korrosive Umgebungen, sind aber auch für die allgemeine Wasserversorgung bestens geeignet, da sie bleifrei¹, entzinkungsbeständig und rostfrei sind. PVC- und CPVC-Rohrsysteme und -Ventile sollten gemäß NSF-Standard 61 (National Sanitation Foundation) auf gesundheitliche Auswirkungen geprüft und zertifiziert werden, einschließlich der Anforderungen an einen niedrigen Bleigehalt gemäß Anhang G. Die Wahl des geeigneten Materials für korrosive Flüssigkeiten kann durch Konsultation der Herstellerangaben zur chemischen Beständigkeit und durch Berücksichtigung des Temperatureinflusses auf die Festigkeit von Kunststoffen erfolgen.

Obwohl Polypropylen nur die halbe Festigkeit von PVC und CPVC aufweist, bietet es die vielseitigste chemische Beständigkeit, da keine Lösungsmittel bekannt sind. PP verhält sich in konzentrierter Essigsäure und Hydroxiden gut 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 abgebaut, Verbindungen mit einem Rußanteil von über 2,5 % sind jedoch ausreichend UV-stabilisiert.

PVDF-Rohrleitungssysteme werden aufgrund der Festigkeit, der hohen Betriebstemperatur und der chemischen Beständigkeit von PVDF gegenüber Salzen, starken Säuren, verdünnten Basen und vielen organischen Lösungsmitteln in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt, von der Pharmaindustrie bis zum Bergbau. Im Gegensatz zu PP wird PVDF durch Sonnenlicht nicht abgebaut; allerdings ist der Kunststoff für Sonnenlicht transparent und kann das Medium UV-Strahlung aussetzen. Während eine natürliche, unpigmentierte PVDF-Formulierung hervorragend für hochreine Anwendungen in Innenräumen geeignet ist, würde die Zugabe eines Pigments, beispielsweise eines lebensmittelechten roten Farbstoffs, die Exposition gegenüber Sonnenlicht ohne negative Auswirkungen auf das Medium ermöglichen.

Kunststoffsysteme stellen aufgrund ihrer Temperaturempfindlichkeit und der damit einhergehenden Wärmeausdehnung und -kontraktion besondere Herausforderungen an die Konstruktion. Dennoch haben Ingenieure bereits langlebige und kostengünstige Rohrleitungssysteme für allgemeine und korrosive Umgebungen entwickelt. Der wichtigste Aspekt bei der Konstruktion ist der deutlich höhere Wärmeausdehnungskoeffizient von Kunststoffen im Vergleich zu Metallen – der von Thermoplasten ist beispielsweise fünf- bis sechsmal so hoch wie der von Stahl.

Bei der Auslegung von Rohrleitungssystemen und der Berücksichtigung der Auswirkungen auf die Ventilplatzierung und -halterungen ist die thermische Dehnung ein wichtiger Faktor bei Thermoplasten. Spannungen und Kräfte, die durch thermische Ausdehnung und Kontraktion entstehen, lassen sich durch Flexibilität der Rohrleitungssysteme reduzieren oder eliminieren. Dies kann durch häufige Richtungsänderungen oder die Einführung von Dehnungsschleifen erreicht werden. Dank dieser Flexibilität im Rohrleitungssystem muss das Kunststoffventil weniger Spannungen aufnehmen (Abbildung 1).

Da Thermoplaste temperaturempfindlich sind, sinkt die Druckfestigkeit eines Ventils mit steigender Temperatur. Verschiedene Kunststoffe weisen eine entsprechende Druckminderung bei höheren Temperaturen auf. Die Fluidtemperatur ist möglicherweise nicht die einzige Wärmequelle, die die Druckfestigkeit eines Kunststoffventils beeinflussen kann – die maximale Außentemperatur muss bei der Konstruktion berücksichtigt werden. In manchen Fällen kann die Nichtberücksichtigung der Außentemperatur der Rohrleitung zu übermäßigem Durchhängen aufgrund fehlender Rohrhalterungen führen. PVC hat eine maximale Betriebstemperatur von 60 °C (140 °F), CPVC von 104 °C (220 °F), PP von 82 °C (180 °F) und PVDF-Ventile können einen Druck bis zu 138 °C (280 °F) halten (Abbildung 2).

Am anderen Ende der Temperaturskala funktionieren die meisten Kunststoffrohrsysteme auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt einwandfrei. Tatsächlich steigt die Zugfestigkeit von thermoplastischen Rohren mit sinkender Temperatur. Allerdings nimmt die Schlagfestigkeit der meisten Kunststoffe mit sinkender Temperatur ab, und betroffene Rohrmaterialien werden spröde. Solange die Ventile und das angrenzende Rohrleitungssystem unbeschädigt bleiben, nicht durch Stöße oder Anstoßen beschädigt werden und die Rohre beim Umgang nicht fallen gelassen werden, lassen sich negative Auswirkungen auf die Kunststoffrohre minimieren.

ARTEN VON THERMOPLASTISCHEN VENTILEN

Kugelventile,Rückschlagventile,AbsperrklappenMembranventile sind in verschiedenen thermoplastischen Werkstoffen für Druckrohrleitungssysteme nach Schedule 80 erhältlich und bieten eine Vielzahl an Ausstattungsoptionen und Zubehör. Standard-Kugelhähne sind meist als echte Verschraubungen ausgeführt, um die Demontage des Ventilkörpers für Wartungsarbeiten ohne Unterbrechung der Rohrleitungen zu ermöglichen. Thermoplastische Rückschlagventile sind als Kugel-, Schwenk-, Y- und Kegelrückschlagventile verfügbar. Absperrklappen lassen sich problemlos mit Metallflanschen verbinden, da sie den Bolzenlöchern, Lochkreisen und Gesamtabmessungen der ANSI-Klasse 150 entsprechen. Der glatte Innendurchmesser der thermoplastischen Teile trägt zusätzlich zur präzisen Steuerung von Membranventilen bei.

Kugelhähne aus PVC und CPVC werden von verschiedenen US-amerikanischen und ausländischen Herstellern in Größen von 1/2 Zoll bis 6 Zoll mit Muffen-, Gewinde- oder Flanschanschlüssen gefertigt. Moderne Kugelhähne mit echter Verschraubung bestehen aus zwei Muttern, die auf das Gehäuse geschraubt werden und dabei elastische Dichtungen zwischen Gehäuse und Endverbindern zusammenpressen. Einige Hersteller verwenden seit Jahrzehnten dieselbe Einbaulänge und dasselbe Mutterngewinde für Kugelhähne, um den einfachen Austausch älterer Ventile ohne Änderungen an der angrenzenden Rohrleitung zu ermöglichen.

Kugelventile mit EPDM-Dichtungen (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) sollten für die Verwendung in Trinkwasser gemäß NSF-61G zertifiziert sein. Fluorkautschuk-Dichtungen (FKM) können als Alternative in Systemen eingesetzt werden, bei denen chemische Beständigkeit eine Rolle spielt. FKM ist auch in den meisten Anwendungen mit Mineralsäuren einsetzbar, mit Ausnahme von Chlorwasserstoff, Salzlösungen, chlorierten Kohlenwasserstoffen und Erdölen.

Abbildung 3. Ein an einem Tank befestigtes Kugelventil mit Flanschanschluss. Abbildung 4. Ein vertikal installiertes Kugelrückschlagventil. PVC- und CPVC-Kugelventile (1/2" bis 2") eignen sich für Warm- und Kaltwasseranwendungen, bei denen der maximale stoßfreie Wasserdruck bis zu 250 psi bei 73 °F betragen kann. Größere Kugelventile (2-1/2" bis 6") haben einen niedrigeren Nenndruck von 150 psi bei 73 °F. PP- und PVDF-Kugelventile (Abbildungen 3 und 4), die häufig in der Chemikalienförderung eingesetzt werden und in Größen von 1/2" bis 4" mit Muffen-, Gewinde- oder Flanschanschlüssen erhältlich sind, sind üblicherweise für einen maximalen stoßfreien Wasserdruck von 150 psi bei Umgebungstemperatur ausgelegt.

Thermoplastische Kugelrückschlagventile nutzen eine Kugel mit geringerer Dichte als Wasser. Bei Druckverlust auf der Zulaufseite sinkt die Kugel gegen die Dichtfläche zurück. Diese Ventile können im selben System wie vergleichbare Kunststoffkugelventile eingesetzt werden, da sie keine neuen Materialien einbringen. Andere Rückschlagventile enthalten möglicherweise Metallfedern, die in korrosiven Umgebungen nicht beständig sind.

Abbildung 5. Absperrklappe mit Elastomerauskleidung. Die Kunststoff-Absperrklappe in Größen von 2 bis 24 Zoll ist für Rohrleitungssysteme mit größerem Durchmesser weit verbreitet. Hersteller von Kunststoff-Absperrklappen verfolgen unterschiedliche Ansätze hinsichtlich Konstruktion und Dichtflächen. Einige verwenden eine Elastomerauskleidung (Abbildung 5) oder einen O-Ring, andere eine elastomerbeschichtete Scheibe. Manche fertigen das Gehäuse aus einem einzigen Material, während die medienberührenden Komponenten aus dem gleichen Material bestehen. So kann beispielsweise ein Absperrklappengehäuse aus Polypropylen eine EPDM-Auskleidung und eine PVC-Scheibe enthalten oder verschiedene andere Konfigurationen mit gängigen Thermoplasten und Elastomerdichtungen aufweisen.

Die Installation einer Kunststoff-Absperrklappe ist unkompliziert, da diese Klappen in Wafer-Bauweise mit integrierten Elastomerdichtungen gefertigt sind. Eine zusätzliche Dichtung ist nicht erforderlich. Die Montage zwischen zwei Flanschen erfordert sorgfältiges Verschrauben der Kunststoff-Absperrklappe. Das Anziehen erfolgt in drei Stufen bis zum empfohlenen Drehmoment. Dadurch wird eine gleichmäßige Abdichtung über die gesamte Oberfläche gewährleistet und eine ungleichmäßige mechanische Belastung der Klappe vermieden.

Abbildung 6. Ein Membranventil. Fachleute für Metallventile kennen die Funktionsweise von Kunststoffmembranventilen mit Rad und Positionsanzeigen (Abbildung 6). Kunststoffmembranventile bieten jedoch einige Vorteile, darunter die glatten Innenwände des thermoplastischen Gehäuses. Ähnlich wie bei Kunststoffkugelhähnen haben Anwender dieser Ventile die Möglichkeit, eine echte Verschraubung zu installieren, was insbesondere bei Wartungsarbeiten am Ventil von Vorteil ist. Alternativ können Flanschverbindungen gewählt werden. Dank der vielfältigen Optionen für Gehäuse- und Membranmaterialien eignet sich dieses Ventil für eine breite Palette chemischer Anwendungen.

Wie bei jedem Ventil ist die Bestimmung der Betriebsanforderungen, z. B. pneumatisch oder elektrisch, Gleichstrom oder Wechselstrom, entscheidend für die Betätigung von Kunststoffventilen. Bei Kunststoffventilen müssen Konstrukteur und Anwender jedoch auch die Umgebungsbedingungen berücksichtigen. Wie bereits erwähnt, eignen sich Kunststoffventile hervorragend für korrosive Umgebungen, einschließlich solcher mit externer Korrosion. Daher ist das Gehäusematerial der Stellantriebe für Kunststoffventile ein wichtiger Faktor. Hersteller von Kunststoffventilen bieten verschiedene Optionen an, um den Anforderungen dieser korrosiven Umgebungen gerecht zu werden, beispielsweise mit kunststoffummantelten Stellantrieben oder epoxidbeschichteten Metallgehäusen.

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