Метален или пластмасов вентил? Кой е по-добър?

За голяма част от хората, сравняването на метал с пластмаса е най-малкото неуместно. 

Когато се каже пластмасов, често се прави асоциация с крехък, чуплив или некачествен детайл. 

В тази статия ще се опитам да ви обясня, че не винаги това е точно така. 

От многобройните си контакти в годините с клиенти и колеги се убедих, че пазарът е отрицателно настроен към пластмасовите електромагнитни вентили, когато става въпрос за сравнение с техните събратя – металните. 

Тъй като сигурно има причина за съмненията и тъй като нашата фирма полага големи усилия в това да произвежда и предлага на клиентите си електромагнитни вентили от пластмаса със завидно добри показатели, идеята на статията е, когато я прочетете да сте разбрали, че възможността да се замести метален вентил с пластмасов не винаги е по-лоша. 

Също така се надявам да сте разбрали и че преднамереността и непознаването на материята, често може да ви „бръкне“ в джоба, затова ако продължавате да се чудете, не се колебайте да ни потърсите за съвет. 

В изложението по-долу, за сравнение с ПЛАСТМАСАТА ще използвам МЕСИНГА като материал, тъй като той е най-популярен за производство на електромагнитни вентили. 

В годините месингът се е наложил заради лесната си механична обработка и универсалност. Сравнително подходящ е за водопроводни системи, отопление и газопроводи. Опитът от използването на месингови вентили показва, че тяхната функционална работоспособност при вграждането им във водопроводни и отоплителни системи трае над 30 години. 

Както и при полиамидните изпълнения, така и при месинговите вентили имат някой ограничения по отношение на приложението им. 

1. Не се препоръчват при води с много-високо или много-ниско pH; 
2. При много твърда вода се получават отлагания по работните части, което влошава работоспособността. 

Тук правя три уточнения: 

• От написаното по-долу ще стане ясно, че пластмасите могат да бъдат много и различни видове. Затова нататък в статията ще сравнявам само материалите, които се използват от фирма ЗИТА в нейното производство за електромагнитни винтили.
• Когато в статията пиша месингов или пластмасов вентил имам впредвид, че корпусът и капакът на вентила са изработени от един от двата материала, а не че всички части са изработени от месинг или пластмаса. Има детайли, които без значение от вида на тялото, задължително се изработват от специални неръждаеми стомани, месинг, мед и други.
• С цел статията да не доскучава, а аз имам огромното желание да стигнете до края и, от тук нататък маркираните текстове и таблици може да ги пропускате. Там ще „разтягам локуми“ с множество специализирана терминология, ще споменавам формули и числа, които със сигурност биха отегчили повечето читатели. Те ще бъдат за хората желаещи допълнителна техническа информация.

Пластмасата е материалът, който в последните години претърпя най-голямо развитие и усъвършенстване. По-доброто му познаване ще помогне в правилния избор за конкретния случай. Като важно уточнение може да се направи, че цените на цветните метали в последните години значително се покачиха и това явно ще е тенденция в бъдеще.

Именно поради тази причина в последните години с развитието на модерните технологии и с цел до голяма степен заместване на цветните метали(а и не само на тях), широко приложение зае използването на пластмаси в машиностроенето, приборостроенето, електрониката, битовата техника и др. Създадоха се модифицирани полимери с много добри технически показатели, които дори в голяма степен превъзхождат металите. Както в почти всички отрасли на производство съществуват производители и производители, материали с ниско качество на ниска цена; материали от среден клас качество на приемлива цена и материали от висок клас.

В следващите редове, пластмасата като название ще заменим с технически полимер за да не се правят излишни асоциации.

Материалът, който използваме за производството на електромагнитните вентили е от органичен (хетероверижен, при който основната верига е изградена освен от въглерод и от азот) синтетичен(чрез химичен синтез) полимер. За избягване на стареенето, което е характерно при съхраняване или експлоатация на изделия от полимер се прибавя ниско молекулни добавка, чрез която се прекъсва или забавя протичането на споменатите процеси. В процеса на изработка се спазват редица технологични изисквания с цел намаляване на вътрешните напрежения и получаване на равномерна структура, като се подлагат на допълнителна термообработка.

Предимства и недостатъци на двата материала

И месингът и техническият полимер, като материали за производство на електромагнитни вентили притежават определени предимства и недостатъци, което ги прави подходящи за употреба при едни или други условия. 

В зависимост от конкретния случай и приложение, качествата на всеки вид материал трябва да бъде разглеждан поотделно и на базата на комплексна оценка да се предпочете единия или другия вид. 

По долу ще направя опит да разгледам и оценя качествата на двата типа, което да ви позволи при конкретни ситуации на приложение да направите спомената по-горе комплексна оценка.

–       Устойчивост и продължителност на употреба

Устойчивост е явление, което се дефинира като взаимодействие между един материал и обкръжаващата го среда, в резултат на което се предизвикват промени в материала, които могат да доведат до неустойчивост на отделни компоненти или на цялата система. Това взаимодействие може да бъде електрохимическо, химическо и физическо.

Вентилите от технически полимер са устойчиви на електрокорозия и корозия, дължаща се на агресивност на водата. При тях не се създават условия за задържане на отложения вследствие нестабилност на водата. Те са също така устойчиви и на органични и неорганични киселини в широк диапазон от концентрации. Явлението “корозия” в неговото по-широко разбиране се проявява при полимерни тръби под формата на:

–       остаряване под действие на температурата;

–       дифузия на въглеводороди.

По тази причина вентилите от технически полимер не са подходящи при открито полагане.

Предимства в полза на полимера:

 – Значително по-ниска плътност от металите (средно седем пъти по-малка от плътността на месинга).

 – Така наречената относителната якост (качествен номер), т.е. отношението между допустимата якост на опън на материала и неговата плътност (малката маса за една конструкция е често от първостепенно значение и във всички случаи е желателна).

1. Плътността при месинга е 8500 кг/м³, а при техническия полимер – 1140 кг/м³;

2. Якостта на опън при 105 Ра при месинга е 240, а при полиамида 400.

– Якостни показатели. 

По якост на опън техническият полимер превъзхожда месинга.

– Диелектрични свойства. 

Техническият полимер притежава високо повърхностно електрическо съпротивление.

– Топло физични свойства. 

Техническият полимер притежава много ниска топлопроводност 0,2 – 0,6 kcal/mh⁰C, която в много случаи е голямо предимство

–       Химическа устойчивост

По-надолу ще спомена някой химични съединения, където полимерът е устойчив, а месингът не (с някой условности разбира се):

Циановодородна киселина (HCN); Алуминиев сулфат (Al₂(SO₄)₃ – концентрация до 26%); Алуминиев хлорид (AlCl₃ – концентрация до 31,4%); Амониев нитрат (NH₄NO₃ – концентрация до 64%); Амониев сулфат ((NH₄)₂ SO₄ – концентрация до 43%); Амониев хлорид  (NH₄Cl – концентрация до 27%); Амониев хидроокис      (NH₄ ОН – до 26 – 30%); Калиев хидроокис (КОН – концентрация до 53%); Калциев хидроокис  (Ca(OH)₂ – концентрация до 0,16%); Натриев сулфат  (Na₂SO₄ – концентрация до 19,4%); Натриев хлорид (NaCl – концентрация до 26,4%); Натриев хидроокис (NaOH – концентрация до 52%)…

Техническият полимер притежава по-добра химическа устойчивост, което го прави ценен за химическото машиностроене. По-устойчив на агресивни среди в зависимост от тяхната концентрация, агрегатно състояние и температура на действие.

– Коефициент на триене и устойчивост на абразивно износване

Съществуват различни формули за пресмятане на коефициента на триене, като много често липсват данни за еквивалента грапавост, които трябва да се използват при конкретните пресмятания. 

Повечето формули са получени въз основа на експериментални изследвания и представляват емпирични зависимости. Накратко, чрез формулата на Колбрук-Уайт може да се определи коефициента на триене на турбулентния поток. Формулата обикновено се използва за създаване на диаграми, чрез които може да бъде отчетен коефициентът на триене. В случая коефициентът грапавост (Ks) се характеризира от вътрешната повърхност на тялото на вентила. Той не зависи пряко от размера на вентила, а от неговия тип и конструктивен материал. За различните видове материали на корпуса има следните стойности:

– за корпус от месинг Ks = 0,1mm

– за корпус от технически полимер Ks ≈ 0,015mm

Вижда се, че техническия полимер има по-нисък коефициент на грапавина, а следователно и по-добри хидравлични характеристики. 

Точните разчети показват, че стойности на коефициента на грапавина (Кs) в диапазона от 0,01 до 0,03 mm не оказват практическо влияние върху проводимостта и загубите на напор, докато при стойност Кs = 0,1 mm, влиянието е вече от порядъка на около 15%.

Устойчивостта на абразивно действие е важна характеристика. Тя оказва влияние върху продължителността на „живот“ на електромагнитните вентили и запазване на първоначалните им хидравлични характеристики. 

Резултати от проведени изпитвания за устойчивост срещу изтриване проведени в редица научноизследователски и технологични лаборатории показват, че най-добри характеристики срещу износване имат стъклопластовите, полипропиленовите и полиамидни тръби. Резултатите също така показват, че най-неустойчиви на изтриване са тръбите от ковък чугун с циментово покритие и медни тръби. Вероятно издръжливостта и на корпус произведен от месинг е от същия порядък, както при медните тръбите, тъй като месингът е сплав на медта.

–       Влияние на вида на вентилите върху стойността на повишаване на напора при хидравличен удар

Известно е, че хидравличният удар е явление, при което настъпва рязка промяна на напора в гравитачни или напорни тръбопроводи вследствие на внезапна промяна на скоростта на потока. 

Обикновено причина за появата на хидравлични удари е рязкото спиране и пускане на помпите, спиране на електрическия ток или бързо затваряне и отваряне на електромагнитните вентили или спирателни кранове.

Ще обясня накратко какво представлява хидравличният удар.

Когато при движение на течност в тръбопровод се измени рязко скоростта на потока (затвори се или рязко се намали сечението, включи се помпа и други), в тръбопровода възниква хидравличен удар. Той е свързан с рязко нарастване на налягането в областта на затваряне, което в някои случаи може да доведе до разрушаване на съоръженията.

Хидравличният удар може да нанесе сериозни поражения на хидравличните съоръжения. Съществуват много методи и средства за предотвратяване на вредните последици от това явления.

Нека си представим съд с течност и изтичане на течността от съда по тръбопровод с определена скорост. Някъде по тръбопровода се намира електромагнитен вентил, чрез който се затваря тръбопровода.

Първа фаза – В момента на затваряне на тръбопровода течността намираща се непосредствено до електромагнитния вентил прекратява своето движение. Започва уплътняване на масата на течността в това сечение, което води до намаляване на скоростта и прекратяване на движението на съседните слоеве течност. В резултат на това се повишава налягането на течността, което предизвиква разширение на тръбопровода (в зависимост от здравината на стените на тръбопровода). Вследствие на това, в тази област на тръбопровода постъпва допълнителна течност.

Границата на повишено налягане започва да се премества към съда с течност, защото течението от съда по тръбопровода продължава. След известно време, областта с повишено налягане достига до началното сечение на тръбопровода, т.е до съда. Ако резервоарът е с голям обем, нивото на течността не се изменя много и може да се смята, че налягането в съда остава постоянно.

При достигане на вълната на повишено налягане до съда ще започне изтичане на течност от тръбопровода в съда, тъй като в тръбопровода има по-високо налягане отколкото в съда. Тогава започва втора фаза на процеса.

Втората фаза започва с понижаване на налягането в тръбопровода, вследствие на изтичане на течност от тръбопровода към съда. Тази вълна на понижено налягане се придвижва от началото на тръбопровода към задвижващия механизъм. При достигане на вълната на разреждане края на тръбопровода, изтичането на течност към съда продължава под действие на инерцията на флуидните частици. Това води до понижаване на налягането под налягането в съда. Понижаването на налягането се придвижва от края на тръбопровода към съда.

Третата фаза завършва, когато пониженото налягане достигне до началото на тръбопровода. Тогава се създават условия за изтичане от съда към тръбопровода. Започва течение на течността при условия подобни на условията в началото на процеса (първата фаза). Така се получава един колебателен процес, който постепенно затихва поради хидравличното съпротивление на течността.

Стойността на ударната вълна зависи от геометричните и механичните характеристики на тръбопровода (включително и неговата арматура) и свойствата на течността.

Без да се спираме подробно на въпроса, ще отбележим, че стойността на ударната вълна за метални водопроводи е от порядъка на 1000, 1200 m/s, а за пластмасови тръби от порядъка на 400, 600 m/s. Това означава, че при равни други условия, повишаването на напора при електромагнитен вентил произведен от полимер при наличие на хидравличен удар ще бъде средно около два пъти по-малък в сравнение с електромагнитен вентил произведен от месинг, а това намалява вероятността от аварии, предполага по-лесна и ефективна защита и т.н.

–       Аварийност при различните видове вентили на база вътрешно-фирмени изпитания проведени в производствената площадката на ЗИТА.

В нашата фирма при лабораторни условия на стенд за изпитване на цикличност бяха поставени два електромагнитни вентила. Единият с корпус от технически полимер с присъединителни размери 1 цол, нормално затворен тип, индиректен (диафрагмен), с условен диаметър 25 милиметра, другият с корпус от месинг също с присъединителни размери 1 цол, нормално затворен тип, индиректен (диафрагмен), с условен диаметър 25 милиметра. 

Те работиха при едни и същи условия ( диференциално налягане в системата 1 бар, вътрешен диаметър на тръбопровода Ø 24 милиметра, протичащ в системата флуид – вода с температура между +14 до +16⁰С, температура на околната среда между +10 до +22⁰С, подаващо напрежение на електромагнита – 230 волта/50 херца) в продължение на 4 месеца при непрекъснато натоварване с продължителност на цикъла 10 секунди (един цикъл се състои от 5 секунден непрекъснат електрически сигнал, при който вентилът е отворен и през него протича вода, след което за 5 секунди сигналът се преустановява и вентилът е затворен). 

След направата на 1 000 000 цикъла, вентилите бяха спрени, демонтирани от стенда и разглобени.

Резултати от изследването: 

И двата електромагнитни вентила работят по един и същ безавариен начин. След визуален оглед се установява, че няма разлика в износването на работните повърхности на вътрешните детайли.   

И в заключение може да се каже, че изборът на вида материал на електромагнитни вентили трябва да се прави на базата на комплексна оценка на техните качества в зависимост от конкретните условия на приложение със задължителна технико-икономическа обосновка. 

Ако нямате възможност при вас да бъде направена такава, не се колебайте да ни потърсите. Бъдете сигурни, че нашето предложението ще бъде съобразено с конкретния случай.

Статията написа Станислав Джамбазов – Технически консултант на ЗИТА