Zawór upustowy w pneumatyce

Zawór upustowy (znany także jako zawór nadmiarowy, bocznikowy lub zrzutowy) to rodzaj zaworu, którego zadaniem jest kontrolowane odprowadzenie nadmiaru medium (np. sprężonego powietrza) z układu w momencie przekroczenia zadanej wartości parametru – zazwyczaj ciśnienia. Innymi słowy, zawór upustowy utrzymuje ciśnienie w instalacji pneumatycznej poniżej określonego limitu, wypuszczając nadmiar sprężonego powietrza do atmosfery lub do innej części układu (recyrkulacja) w sposób proporcjonalny do stopnia przekroczenia dopuszczalnego ciśnienia. Dzięki temu zapewnia redukcję ciśnienia w układzie do bezpiecznego poziomu i stabilizację warunków pracy. W pneumatyce przemysłowej zawory upustowe pełnią rolę jako elementy zabezpieczające i regulacyjne, podnosząc bezpieczeństwo pracy instalacji oraz chroniąc komponenty przed uszkodzeniem.

Co to jest zawór upustowy?

Zawór upustowy jest bezpośrednim regulatorem ciśnienia – reaguje samoczynnie na wzrost ciśnienia medium w układzie i otwiera się, gdy ciśnienie to przekroczy ustaloną wartość nastawy. Typowy zawór upustowy zbudowany jest z korpusu, sprężyny dociskającej element zamykający (tłoczek lub grzybek) oraz elementu uszczelniającego. Gdy ciśnienie działające na element zamykający przewyższy siłę nacisku sprężyny, zawór zaczyna się otwierać, umożliwiając upływ nadmiaru powietrza. Stopień otwarcia zaworu rośnie wraz z dalszym wzrostem ciśnienia, co oznacza, że otwiera się on w sposób proporcjonalny – niewielkie przekroczenie progu powoduje uchylenie zaworu, a większe nadciśnienie skutkuje szerszym otwarciem i większym przepływem upuszczanego medium. Gdy ciśnienie w układzie spadnie poniżej ustawionej wartości, sprężyna ponownie dociska grzybek do gniazda i zawór się zamyka.

Dla prawidłowego działania zaworu upustowego kluczowe jest wywarcie przez medium siły na element zamykający (bezpośrednio lub za pośrednictwem membrany) oraz przeciwdziałająca siła sprężyny ustalającej próg otwarcia. Wiele zaworów upustowych ma konstrukcję membranową, tzn. ciśnienie oddziałuje na elastyczną membranę połączoną z grzybkiem. Taka budowa poprawia czułość i szczelność – membrana pełni rolę czujnika ciśnienia, a sprężyna działa po przeciwnej stronie membrany, utrzymując zawór zamknięty do momentu przekroczenia nastawy. Niezależnie od konstrukcji, prawidłowo dobrany i zamontowany zawór upustowy otworzy się zawsze wtedy, gdy ciśnienie przekroczy wartość dopuszczalną, i zamknie się po powrocie ciśnienia do bezpiecznego poziomu, zapobiegając potencjalnie niebezpiecznym wzrostom ciśnienia.

Różnice między zaworem upustowym a zaworem bezpieczeństwa

Pojęcia zawór upustowy i zawór bezpieczeństwa bywają niekiedy używane zamiennie, jednak w technice pneumatycznej i hydraulicznej istnieją istotne różnice między tymi urządzeniami. Zasadniczo każdy zawór bezpieczeństwa jest rodzajem zaworu upustowego nastawionego na ochronę układu przed przekroczeniem dopuszczalnego ciśnienia – ale nie każdy zawór upustowy spełnia kryteria formalne zaworu bezpieczeństwa. Poniżej przedstawiono kluczowe różnice:

• Przeznaczenie i certyfikacja: Zawór bezpieczeństwa jest elementem ściśle związanym z bezpieczeństwem – chroni instalacje ciśnieniowe (zbiorniki, sprężarki, kotły itp.) przed eksplozją lub uszkodzeniem na skutek nadciśnienia. Tego typu zawory podlegają rygorystycznym normom (np. dyrektywie PED) i muszą posiadać odpowiednie atesty oraz dopuszczenia UDT do stosowania w roli zabezpieczenia urządzeń ciśnieniowych. Zawór upustowy natomiast bywa stosowany również do celów regulacyjnych w układach, które niekoniecznie wymagają certyfikowanego zaworu bezpieczeństwa. Jeśli jednak zawór ma pełnić funkcję ostatniego zabezpieczenia instalacji objętej nadzorem technicznym, powinien on spełniać wymagania i posiadać certyfikaty jak typowy zawór bezpieczeństwa.
• Charakterystyka otwierania: Zawory bezpieczeństwa (zwłaszcza tzw. pełnoskokowe) zazwyczaj działają na zasadzie gwałtownego, pełnego otwarcia przy osiągnięciu ciśnienia nastawy. Określa się to mianem działania typu POP, gdzie po przekroczeniu progu zawór otwiera się niemal natychmiast na pełny przepływ. Z kolei zawory upustowe cechują się proporcjonalnym otwieraniem i zamykaniem, to znaczy zwiększają stopień otwarcia płynnie wraz ze wzrostem ciśnienia ponad nastawę. Nie występuje tu efekt nagłego zadziałania – w zakresie ok. 10% powyżej ciśnienia otwarcia zawór upustowy stopniowo osiąga pełny wypływ, zamiast otworzyć się skokowo. Dzięki temu możliwe jest bardziej stabilne kontrolowanie ciśnienia. W praktyce oznacza to, że zawór bezpieczeństwa przy zadziałaniu może natychmiast upuścić dużą ilość medium (co bywa pożądane w sytuacjach awaryjnych), podczas gdy zawór upustowy może działać ciągle i precyzyjnie dławic nadmiar ciśnienia, jeśli stan podwyższonego ciśnienia utrzymuje się dłużej.
• Miejsce odprowadzenia medium: Typowy zawór bezpieczeństwa w pneumatyce jest zaworem otwartym do atmosfery – po zadziałaniu wypuszcza sprężone powietrze bezpośrednio do otoczenia. Natomiast zawory przelewowe (inna nazwa zaworów upustowych stosowana częściej w hydraulice) często nie wyrzucają medium na zewnątrz układu, lecz kierują je z powrotem do zbiornika lub do obiegu powrotnego. Przykładowo w układach hydraulicznych nadmiar oleju przepływa przez zawór przelewowy do zbiornika, utrzymując stałe ciśnienie w układzie. W pneumatyce również istnieją zawory upustowe z dodatkowym przyłączem pozwalającym odprowadzić powietrze do innej części instalacji lub na zewnątrz poprzez układ wydechowy – są one wyposażone w odpowiednie porty upustowe. Standardowe sprężynowe zawory bezpieczeństwa do sprężonego powietrza zwykle mają po prostu wylot w atmosferę (czasem z tłumikiem hałasu), podczas gdy zawory upustowe/przelewowe mogą stanowić część obiegu i niekoniecznie kontaktują się z otoczeniem (co bywa istotne przy medium innym niż powietrze, np. przy gazach technicznych lub cieczach).
• Nastawialność: Większość zaworów upustowych ma możliwość regulacji nastawy ciśnienia za pomocą śruby regulacyjnej docisku sprężyny. Użytkownik (lub producent) może dostosować ciśnienie otwarcia w pewnym zakresie, wybierając odpowiednią wartość zgodnie z wymaganiami aplikacji. Zawory bezpieczeństwa również często mają sprężynową regulację, jednak w aplikacjach objętych nadzorem zwykle nastawa jest ustawiana fabrycznie i zabezpieczana (np. zaplombowana), by zapobiec przypadkowej lub nieautoryzowanej zmianie. Różnica polega więc głównie na tym, że w praktyce eksploatacyjnej zawór upustowy bywa traktowany jako element regulacyjny i jego nastawa może być korygowana podczas uruchamiania systemu, zaś zawór bezpieczeństwa jest traktowany jako zabezpieczenie awaryjne i jego nastawy nie powinno się zmieniać bez powodu.

Podsumowując, zawór bezpieczeństwa to specjalny rodzaj zaworu upustowego przeznaczony stricte do funkcji ochronnej, posiadający wymagane certyfikaty i często działający gwałtownie dla szybkiego rozładowania nadciśnienia. Zawór upustowy w ujęciu ogólnym może pełnić zarówno funkcje zabezpieczające, jak i regulacyjne (utrzymanie parametrów), działa proporcjonalnie i bywa dostosowany konstrukcyjnie do ciągłego przewietrzania układu. Oba typy zaworów – jeśli zastosowane – powinny być ostatnią linią obrony przed nadciśnieniem w instalacji i muszą być dobrane tak, aby sprostać najgorszym przewidywanym warunkom eksploatacji.

Typowe zastosowania zaworów upustowych w pneumatyce

W układach pneumatyki industrialnej zawory upustowe znajdują szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie istnieje ryzyko niekontrolowanego wzrostu ciśnienia lub potrzeba utrzymania stabilnego poziomu ciśnienia. Do typowych zastosowań zaworów upustowych należą m.in.:

• Ochrona instalacji i urządzeń przed nadciśnieniem: Podstawowym zastosowaniem jest zabezpieczenie zbiorników ciśnieniowych (butli, zasobników sprężonego powietrza), sprężarek i rurociągów przed przekroczeniem dopuszczalnego ciśnienia pracy. W razie awarii układu sterowania sprężarki lub nadmiernego wzrostu ciśnienia w zbiorniku, zawór upustowy (bezpieczeństwa) otworzy się i wypuści nadmiar powietrza, chroniąc zbiornik przed rozerwaniem. Zawory tego typu są obligatoryjnym wyposażeniem każdej instalacji sprężonego powietrza z akumulatorem – zgodnie z przepisami muszą znajdować się na każdym zbiorniku ciśnieniowym podlegającym pod UDT.
• Kontrola ciśnienia w obwodach pneumatycznych: Zawory upustowe pełnią rolę tzw. zaworów nadmiarowych utrzymujących stałe ciśnienie w określonej części obwodu. Przykładowo, w rozległej sieci sprężonego powietrza można zainstalować zawór upustowy w odgałęzieniu, który będzie utrzymywał lokalne ciśnienie poniżej ustalonej wartości, upuszczając powietrze w razie jego wzrostu (działa tu jako regulator back-pressure). Takie rozwiązanie stosuje się np. dla ochrony wrażliwych przyrządów pomiarowych lub elementów wykonawczych, które nie powinny być narażone na ciśnienie wyższe niż nominalne. Zawór upustowy dba, by ciśnienie w danej gałęzi nie przekroczyło bezpiecznej wartości – w przeciwnym razie odprowadza nadmiar do atmosfery lub do powrotu.
• Odciążanie sprężarki i szybkie odpowietrzanie układu: Wiele sprężarek tłokowych wyposażonych jest w tzw. zawór odciążający, będący odmianą automatycznego zaworu upustowego. Jego zadaniem jest upuszczenie ciśnienia z głowicy sprężarki i przewodów tłocznych w momencie wyłączenia urządzenia lub podczas rozruchu. Dzięki temu sprężarka nie rusza „pod obciążeniem” – rozruch jest łatwiejszy, a silnik elektryczny nie jest przeciążony. Zawór odciążający otwiera się zwykle na krótko (syknięcie powietrza zaraz po zatrzymaniu sprężarki), wypuszczając powietrze do atmosfery i redukując ciśnienie do zera w newralgicznym odcinku. Po ponownym załączeniu sprężarki zawór pozostaje otwarty do momentu zbudowania minimalnego ciśnienia, po czym się zamyka, pozwalając na normalną pracę tłoczenia powietrza. Takie cykliczne działanie znacząco wydłuża żywotność sprężarki i zapobiega przeciążeniom.
• Zabezpieczenie siłowników pneumatycznych przed siłami zewnętrznymi: W niektórych aplikacjach siłownik pneumatyczny może zostać narażony na dodatkowe siły zewnętrzne. Przykładem jest sytuacja, gdy na wysunięty tłoczysko siłownika działa siła dociskająca je do środka (np. wskutek grawitacji lub uderzenia), co powoduje sprężanie uwięzionego w komorze powietrza ponad normalne ciśnienie zasilania. Jeśli w tę komorę wbudowany jest niewielki zawór upustowy nastawiony nieco powyżej ciśnienia roboczego, to w momencie wystąpienia takiej nagłej kompresji powietrza zawór się otworzy i upuści część medium, zapobiegając uszkodzeniu uszczelek siłownika czy przewodów. Rozwiązanie to bywa stosowane w maszynach, gdzie ruchy są szybko wstrzymywane lub mogą wystąpić uderzenia – zawór upustowy pełni wtedy rolę „wentyla bezpieczeństwa” dla siłownika.
• Aplikacje specjalne (silosy, podciśnienie): Zawory upustowe stosowane są nie tylko do nadciśnienia, ale także do ochrony przed zbyt wysokim podciśnieniem. Przykładem są zawory upustowe montowane na silosach lub zbiornikach, które chronią konstrukcję zarówno przed nadmiernym wzrostem ciśnienia wewnątrz (np. przy szybkim napełnianiu sprężonym powietrzem lub aeracji), jak i przed zbyt gwałtownym spadkiem ciśnienia (np. podczas opróżniania silosu może powstać podciśnienie grożące zassaniem ścian zbiornika). Specjalne zawory upustowe dwukierunkowego działania mogą wtedy upuszczać nadmiar ciśnienia na zewnątrz lub wpuszczać powietrze z otoczenia do środka – w zależności od potrzeby – utrzymując bezpieczne warunki w zbiorniku. Zawory takie są stosowane też w układach wentylacyjnych, klimatyzacyjnych, a nawet w przemyśle spożywczym, gdzie kontrolują ciśnienie/nadciśnienie w aparaturze procesowej.

Jak widać, pneumatyka korzysta z zaworów upustowych w wielu obszarach – od typowej ochrony infrastruktury sprężonego powietrza, przez zabezpieczanie podzespołów i maszyn, aż po specjalistyczne aplikacje wymagające utrzymania precyzyjnych parametrów. W każdym z tych przypadków odpowiednio dobrany zawór upustowy podnosi bezpieczeństwo i niezawodność układu.

Rodzaje zaworów upustowych

Rodzaj zaworu upustowego	Zasada działania	Zakres ciśnienia (typowy)	Typowe zastosowania	Zalety	Wady / ograniczenia
Sprężynowy (bezpośredniego działania)	Otwiera się pod wpływem ciśnienia działającego na grzybek lub membranę	0,5–16 bar	Zbiorniki, linie sprężonego powietrza, ochrona odbiorników	Prosty, niezawodny, łatwo dostępny	Umiarkowana dokładność, histereza ok. 10–20%
Membranowy	Ciśnienie działa na membranę sprzężoną z grzybkiem	0,2–10 bar	Układy z małym przepływem, np. laboratoryjne, precyzyjne	Lepsza czułość, szczelność, cicha praca	Mniejsza odporność na uderzenia ciśnienia
Pilotowy	Sterowany zaworem pomocniczym (pilotem), pośrednio odciąża grzybek	1–40+ bar	Duże przepływy, precyzyjna regulacja, linie główne	Mała histereza, duża dokładność, wysoka wydajność	Bardziej złożony, droższy, wymaga więcej miejsca
Z zaworem ręcznym (manualny spust)	Otwierany przez operatora dźwignią, pokrętłem lub pierścieniem	Brak automatyki – ręczny	Opróżnianie zbiorników, testowanie, awaryjne odpowietrzanie	Prosty, tani, natychmiastowa reakcja człowieka	Brak działania automatycznego, wymaga obsługi
Zawór bezpieczeństwa (POP-action)	Nagłe pełne otwarcie przy przekroczeniu progu	Fabrycznie nastawiony (np. 10 bar)	Ochrona zbiorników UDT, sprężarek, instalacji wysokiego ryzyka	Duża przepustowość, szybka reakcja	Brak regulacji, hałas, tylko awaryjne działanie
Zawór kombinowany (np. z reduktorem)	Zintegrowany z reduktorem lub innym urządzeniem	Zależnie od modelu	Zestawy FRL, kompaktowe systemy	Oszczędność miejsca, gotowy układ	Mniejsza elastyczność w serwisie, trudniejsza wymiana jednego elementu

Zawory upustowe mogą występować w różnych odmianach konstrukcyjnych i funkcjonalnych, dostosowanych do specyfiki aplikacji. Do głównych rodzajów zaworów upustowych zaliczamy:

• Zawory upustowe sprężynowe (automatyczne): Są to najczęściej spotykane, opisane wcześniej zawory działające bezpośrednio pod wpływem ciśnienia medium oddziałującego na sprężynę. Automatycznie otwierają się po przekroczeniu nastawy i zamykają po spadku ciśnienia. W tej grupie występują zarówno zawory tłokowe (gdzie grzybek bezpośrednio zamyka otwór w korpusie) jak i zawory membranowe (gdzie ciśnienie działa na membranę sprzężoną z elementem zamykającym). Zawory membranowe cechują się większą czułością i często lepszą szczelnością przy małych przepływach, natomiast zawory bez membrany (bezpośrednio sprężynowe) bywają bardziej kompaktowe i proste konstrukcyjnie. Większość sprężynowych zaworów upustowych ma możliwość regulacji ciśnienia otwarcia poprzez zmianę napięcia sprężyny (np. śrubą z nakrętką kontrującą na górze korpusu – patrz rysunek przekroju powyżej).
• Zawory upustowe ręczne: Tego typu zawory nie reagują automatycznie na zmianę ciśnienia – wymagają interwencji operatora. Przykładem może być prosty ręczny zawór spustowy (odmulający) montowany na zbiorniku sprężonego powietrza, pozwalający ręcznie zrzucić ciśnienie lub odprowadzić skropliny. Innym przykładem są zawory bezpieczeństwa wyposażone w pierścień lub dźwignię do manualnego otwarcia – umożliwia to okresowe sprawdzenie działania zaworu lub awaryjne spuszczenie ciśnienia z układu. Zawory ręczne upustowe stosuje się głównie w celach serwisowych lub tam, gdzie automatyzacja nie jest wymagana (np. okazjonalne odpowietrzanie filtrów, zbiorników, przewodów). Choć nie zapewniają one samoczynnej ochrony w przypadku awarii, stanowią dodatkowy środek bezpieczeństwa umożliwiający szybkie opróżnienie układu przez człowieka.
• Zawory upustowe pilotowe: Są to zawory, w których otwarcie głównego kanału przepływowego sterowane jest pośrednio przez mniejszy zawór pilotowy. Zawór pilotowy reaguje na ciśnienie systemowe i otwiera się przy przekroczeniu nastawy, odprowadzając niewielką ilość medium z komory sterującej głównego zaworu. Powoduje to odciążenie (spadek ciśnienia) na membranie lub tłoku głównego zaworu i w efekcie jego otwarcie. Zawory pilotowe pozwalają na bardzo precyzyjne utrzymanie nastawionego ciśnienia oraz na obsługę dużych przepływów przy zastosowaniu relatywnie małej siły sterującej. Takie rozwiązania spotyka się częściej w hydraulice (gdzie pilot steruje dużym zaworem przelewowym), ale w pneumatyce również są stosowane, zwłaszcza w instalacjach o dużych średnicach rurociągów lub tam, gdzie wymagana jest niska histereza działania. Zaletą układów pilotowych jest także mniejsze ryzyko drgań i wibracji zaworu przy przepływie dużych ilości gazu pod ciśnieniem.
• Zawory upustowe specjalne: W tej kategorii mieszczą się różne konstrukcje dostosowane do nietypowych wymagań. Mogą to być np. zawory nastawne zdalnie – sterowane elektrycznie lub pneumatycznie, które otwierają się na sygnał (np. z układu sterowania) i pełnią funkcję upustu bezpieczeństwa w sposób programowalny. Innym przykładem są zawory dwustopniowe – łączące cechy zaworu proporcjonalnego i pełnoskokowego (początkowo otwierają się proporcjonalnie, ale przy większym przekroczeniu ciśnienia całkowicie się otwierają, by szybko zrzucić medium). W zastosowaniach wymagających zachowania czystości medium stosuje się zawory upustowe wykonane z tworzyw sztucznych lub stali nierdzewnej o specjalnej konstrukcji (np. membranowe aseptyczne zawory bezpieczeństwa w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym). Każda z tych odmian jest odpowiedzią na konkretne potrzeby – czy to zwiększenia precyzji działania, czy odporności na warunki środowiskowe, czy integracji z systemami sterowania.

Wybór rodzaju zaworu upustowego zależy od charakteru chronionego układu i stawianych wymagań. Dla standardowych instalacji sprężonego powietrza zwykle wystarczają sprężynowe zawory upustowe bezpośredniego działania, jednak w nietypowych lub krytycznych zastosowaniach warto rozważyć zawory pilotowe bądź inne specjalistyczne konstrukcje.

Zawór upustowy: Parametry techniczne przy doborze

Dobór odpowiedniego zaworu upustowego do instalacji pneumatycznej wymaga analizy kilku kluczowych parametrów technicznych. Należy upewnić się, że wybrany zawór spełnia wymagania pod względem zakresu ciśnień, przepustowości oraz dynamiki działania. Do najważniejszych kryteriów doboru należą:

• Ciśnienie robocze i ciśnienie nastawy: Przede wszystkim zawór musi być przewidziany do pracy przy ciśnieniach występujących w danej instalacji. Określa się ciśnienie otwarcia (nastawy) zaworu – powinno ono być nieco wyższe od normalnego ciśnienia roboczego układu, tak aby zawór nie działał w trybie ciągłym, lecz dopiero przy sytuacjach awaryjnych lub odchyłkach. Ważne jest także sprawdzenie maksymalnego ciśnienia pracy zaworu (ciśnienia, jakie jest on w stanie bezpiecznie wytrzymać konstrukcyjnie). Przykładowo, dla typowych układów sprężonego powietrza pracujących przy 6–8 bar, zawór upustowy może być nastawiony na ok. 10 bar i musi mieć konstrukcję odporną np. do 16 bar. Warto zwrócić uwagę, że producenci często podają zakres regulacji sprężyny – np. 0,5–2,5 bar, 2–10 bar, 10–16 bar itp. – z którego należy wybrać odpowiedni przedział obejmujący wymaganą nastawę.Upewnijmy się, że żądane ciśnienie otwarcia mieści się w środku zakresu regulacji, co zapewni stabilną pracę. Zawór nie powinien pracować na skrajach swoich możliwości (zarówno pod względem ciśnienia jak i temperatury).
• Wymagany przepływ (wydajność): Bardzo istotnym parametrem jest przepustowość zaworu upustowego, czyli zdolność do odprowadzenia określonej ilości medium w jednostce czasu przy danym nadciśnieniu. Innymi słowy, zawór musi być w stanie wypuścić tyle powietrza, aby powstrzymać dalszy wzrost ciśnienia powyżej wartości dopuszczalnej. Przepływ ten często podawany jest w Nm³/h lub l/min (przeliczony do warunków normalnych) przy określonym nadciśnieniu względem ciśnienia otwarcia. Normy (np. wymagania UDT) określają metody wyznaczania minimalnej wymaganej przepustowości na podstawie mocy sprężarki lub pojemności zbiornika – warto z nich skorzystać, aby dobrać zawór o odpowiednim Kv. W dokumentacjach można znaleźć wykresy lub tabele pokazujące charakterystykę przepływu w funkcji ciśnienia. Przykładowo, jeżeli sprężarka może dostarczyć 100 m³/h powietrza, zawór bezpieczeństwa powinien mieć co najmniej taką wydajność upustu przy niewielkim przekroczeniu ciśnienia (np. 10% ponad nastawę). Zbyt mały zawór nie zdoła szybko obniżyć ciśnienia, co niweczy jego rolę zabezpieczającą. Z kolei przewymiarowany zawór może być niepotrzebnie drogi i podatny na niestabilne działanie (dławienie bardzo małych przepływów). Dobór właściwej średnicy i konstrukcji zaworu pod kątem przepływu jest zatem kluczowy – warto korzystać z danych producenta i ewentualnie konsultować obliczenia z dostawcą.
• Histereza (ciśnienie otwarcia vs. zamknięcia): Każdy mechaniczny zawór upustowy wykazuje zjawisko histerezy, co oznacza, że ciśnienie, przy którym zawór się zamyka, jest niższe od ciśnienia, przy którym się otworzył. Różnica ta nazywana jest blowdown albo właśnie histerezą i wyrażana często w procentach wartości nastawy. Dla przykładu, jeśli zawór otwiera się przy 5 bar, to może on ponownie się zamknąć dopiero gdy ciśnienie spadnie do około 4,5 bar (co oznacza 10% histerezy). W wielu zaworach bezpieczeństwa histereza może wynosić nawet 20% i więcej. Istotne jest, aby uwzględnić tę cechę przy doborze – ciśnienie zamknięcia powinno znajdować się poniżej normalnego ciśnienia roboczego instalacji, inaczej po jednorazowym zadziałaniu zawór może nie przywrócić stabilnego stanu (będzie ciągle upuszczał medium). Z drugiej strony, zbyt duża histereza oznacza większy spadek ciśnienia zanim zawór się zamknie, co może zakłócać pracę procesu. Dla zastosowań wymagających precyzyjnej regulacji ciśnienia lepiej stosować zawory upustowe o małej histerezie lub zawory pilotowe, które cechują się szybkim zamknięciem po ustąpieniu nadciśnienia (niska histereza działania). Producent zwykle podaje orientacyjną wartość różnicy ciśnień otwarcia/zamknięcia lub informuje, że zawór ma charakterystykę proporcjonalną (co implikuje relatywnie niewielką histerezę). Wartość histerezy jest ważna szczególnie przy dynamicznych układach – zapobiega oscylacjom (zawór nie powinien „kłapać” przy granicy otwarcia), ale nie powinna być nadmierna.
• Zakres regulacji ciśnienia (dobór sprężyny): Każdy zawór upustowy wyposażony w sprężynę ma określony zakres nastawy ciśnienia, na jaki ta sprężyna pozwala. Zakres ten wynika z konstrukcji (twardości sprężyny, skoku, powierzchni grzybka itp.). Przy doborze zaworu musimy upewnić się, że wymagane przez nas ciśnienie otwarcia mieści się w zakresie regulacji danego modelu. Producent często oferuje jeden model w kilku wariantach sprężyn, np.: zakres 0,2–0,8 bar, 0,5–2,5 bar, 2–10 bar, 8–16 bar itd. Należy wybrać wariant obejmujący potrzebną nastawę – najlepiej tak, aby żądane ciśnienie było mniej więcej pośrodku zakresu (daje to pewien zapas regulacji w górę i w dół oraz zapewnia stabilną pracę sprężyny). Jeżeli nasza aplikacja może w przyszłości wymagać zmiany nastawy, rozważmy zawór z szerszym zakresem regulacji lub z łatwą wymianą sprężyny. Zbyt wąski zakres może oznaczać konieczność wymiany całego zaworu przy zmianie wymagań. Warto też sprawdzić dokładność nastawy – niektórzy producenci podają tolerancję, z jaką można ustawić ciśnienie (np. ±5% wartości). W zastosowaniach wymagających precyzji i powtarzalności nastawy, może to mieć znaczenie.

Powyższe cztery grupy parametrów są kluczowe przy doborze zaworu upustowego do pneumatyki. Oprócz nich warto uwzględnić także temperaturę pracy (czy zawór będzie narażony na wysoką lub niską temperaturę otoczenia albo medium), rodzaj medium (sprężone powietrze jest neutralne, ale jeśli to inny gaz – czy zawór jest z nim kompatybilny), a także aspekty montażowe (orientacja zaworu, wielkość przyłączy, dostępność miejsca). Kompleksowe podejście do doboru zapewni, że wybrany zawór upustowy zadziała poprawnie w sytuacji, gdy będzie naprawdę potrzebny.

Przykładowe sytuacje awaryjne i rola zaworu upustowego jako zabezpieczenia

Aby lepiej zobrazować znaczenie zaworu upustowego, poniżej przedstawiono kilka przykładowych sytuacji awaryjnych w układach pneumatycznych oraz opis, jak zawór upustowy działa jako zabezpieczenie:

• Awaria układu sprężarkowego: Wyobraźmy sobie kompresor, w którym zawiódł presostat (wyłącznik ciśnieniowy) lub układ sterowania – sprężarka nie wyłącza się po osiągnięciu zadanego ciśnienia. Bez zabezpieczenia ciśnienie w zbiorniku i całej instalacji rosłoby dalej, przekraczając dopuszczalne limity. W takiej sytuacji zawór bezpieczeństwa (upustowy) zamontowany na zbiorniku zadziała automatycznie po przekroczeniu nastawy – np. przy 10 bar – i natychmiast zacznie upuszczać nadmiar powietrza do atmosfery. Dzięki bardzo dużej wydajności zredukuje ciśnienie, zanim osiągnięty zostanie poziom grożący rozsadzeniem zbiornika. Po ostygnięciu sytuacji (spadku ciśnienia poniżej 10 bar) zawór zamknie się, przywracając normalny stan. Tym samym zapobiegnie potencjalnej eksplozji zbiornika oraz uszkodzeniu sprężarki. Tego rodzaju zabezpieczenie jest niezawodne i nie wymaga zasilania zewnętrznego – działa czysto mechanicznie i automatycznie.
• Uszkodzenie reduktora ciśnienia: W układach pneumatycznych często stosuje się reduktory (zawory redukcyjne), by utrzymać niższe ciśnienie w części obwodu. Jeśli jednak reduktor ulegnie awarii (np. membrana pęknie w pozycji w pełni otwartej) albo ktoś przypadkowo go ominie, na układ za reduktorem może zostać podane pełne ciśnienie zasilania. Jeżeli urządzenia w tej strefie nie są przystosowane do wyższego ciśnienia, grozi to ich uszkodzeniem. Dlatego dodatkowy zawór upustowy bywa montowany tuż za reduktorem – w normalnych warunkach pozostaje zamknięty, ale gdy ciśnienie za reduktorem zacznie niebezpiecznie rosnąć, zawór upustowy otworzy się i odprowadzi powietrze, ograniczając wzrost ciśnienia. Przykładowo, w układzie gdzie reduktor utrzymuje 4 bar, można zainstalować zawór upustowy nastawiony na ~5–6 bar, by chronił odbiorniki na wypadek awarii reduktora. Takie podejście tworzy pasywne zabezpieczenie przed wadliwym działaniem regulatora ciśnienia.
• Wzrost ciśnienia w siłowniku spowodowany siłą zewnętrzną: Rozważmy pneumatyczny siłownik dociskający jakiś element maszyny. Jeśli zewnętrzna siła (np. sprężyna powrotna innego podzespołu lub czynnik zewnętrzny) zacznie wpychać tłoczysko do środka, to powietrze zamknięte w komorze siłownika zostaje dodatkowo sprężone. Taka sytuacja prowadzi niekiedy do gwałtownego wzrostu ciśnienia w tej komorze – ponad ciśnienie zasilające. Jeżeli wartość ta przekroczy wytrzymałość uszczelnień siłownika lub węży, może dojść do ich uszkodzenia. Zawór upustowy odciążający komorę siłownika rozwiązuje ten problem: montuje się go na portcie siłownika i nastawia nieco powyżej normalnego ciśnienia roboczego. Gdy pojawi się skok ciśnienia spowodowany siłą zewnętrzną, zawór natychmiast się otworzy, wypuszczając nadmiar powietrza (często usłyszymy krótkie syczenie). Ciśnienie zostaje ograniczone, a po ustaniu czynnika zakłócającego zawór zamyka się. Dzięki temu siłownik i połączenia pozostają całe, a maszyna może kontynuować pracę. Takie zawory bezpieczeństwa w siłownikach są zalecane np. w prasach pneumatycznych lub układach, gdzie występują masy mogące „nadbiegać” na tłok.
• Nagłe odcięcie lub zatkanie odbioru powietrza: Czasem w układzie następuje zatrzymanie przepływu – np. zawór odcinający zostaje zamknięty zbyt szybko albo dochodzi do zagięcia/zdławienia przewodu. Jeśli sprężarka lub inny element nadal tłoczy powietrze do tej części układu, ciśnienie błyskawicznie rośnie na ograniczonej objętości. Zawór upustowy pełni wtedy rolę zaworu nadmiarowego reagującego na takie uderzenia ciśnienia. W ciągu ułamków sekundy otwiera się i wyrównuje ciśnienie, zanim osiągnie ono poziom krytyczny. Przykład: elektrozwrotnica w układzie transportu pneumatycznego zamyka się, odcinając przepływ do zbiornika – ułamek sekundy później zawór upustowy na przewodzie otwiera się gwałtownie, ratując przewód przed rozerwaniem. Po chwili, gdy nadciśnienie się rozproszy, zawór znów się zamknie.

W każdej z powyższych sytuacji zawór upustowy działa niczym strażnik bezpieczeństwa – pozostaje bierny podczas normalnej pracy, ale natychmiast reaguje na nietypowe i niebezpieczne odchylenia ciśnienia. Dzięki temu zapobiega wypadkom, awariom sprzętu i przestojom w produkcji. Należy jednak pamiętać, że skuteczność tego zabezpieczenia zależy od właściwego doboru, montażu oraz regularnych przeglądów samego zaworu.

Materiały wykonania i odporność na warunki środowiskowe

Zawory upustowe występują w wielu wariantach materiałowych, co pozwala dostosować je do różnych mediów i warunków pracy. Materiał wykonania korpusu i elementów uszczelniających bezpośrednio wpływa na trwałość zaworu, jego szczelność oraz odporność na czynniki zewnętrzne.

• Materiały korpusu: Najpopularniejsze zawory upustowe do sprężonego powietrza wykonywane są z mosiądzu lub brązu – metale te są stosunkowo odporne na korozję w kontaktcie z kondensatem wodnym z powietrza, a jednocześnie niedrogie i łatwe w obróbce. Często spotyka się mosiężne zawory bezpieczeństwa w kompaktowej formie, instalowane bezpośrednio na zbiornikach czy kolektorach. Do zastosowań przemysłowych i wysokociśnieniowych stosuje się stal węglową lub stal nierdzewną. Stal nierdzewna (np. 304, 316) jest wybierana tam, gdzie medium jest korozyjne, gdzie wymagana jest wysoka czystość (przemysł spożywczy, farmaceutyczny) lub gdy zawór pracuje na zewnątrz w zmiennych warunkach atmosferycznych. Przykładowo miniaturowe zawory upustowe ze stali nierdzewnej są oferowane na ciśnienia do nawet 60 bar, z dopuszczalną temperaturą pracy do 180°C. Zawory stalowe wytrzymują też lepiej dynamiczne obciążenia i uderzenia ciśnienia. W aplikacjach specjalnych (np. bardzo wysokie ciśnienia rzędu setek bar w hydraulice) korpusy zaworów wykonuje się ze stali wysokowytrzymałych lub stopów niklu. Z kolei w zastosowaniach lekkich, przy niskich ciśnieniach, spotyka się zawory upustowe z tworzyw sztucznych (np. PVC, poliwęglan) lub z aluminium – np. w układach próżni czy w aparaturze medycznej, gdzie liczy się niska waga i brak reaktywności.
• Elementy uszczelniające: Krytyczne znaczenie mają uszczelki i siedlisko zaworu (materiał grzybka lub membrany). Muszą one być odporne na ciągły kontakt z medium pod ciśnieniem i na zmienne warunki. Standardowo w zaworach do sprężonego powietrza stosuje się uszczelki z NBR (kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy) – dobrze znoszący kontakt z olejem sprężarkowym i temperatury do ok. 80°C. Dla wyższych temperatur lub agresywniejszych mediów stosuje się FKM (Viton) – który wytrzymuje temperatury rzędu 150–180°C i ma wysoką odporność chemiczną. Innymi materiałami uszczelek bywają EPDM (gdy medium to np. sprężone powietrze nasycone wilgocią lub para wodna) czy PTFE (teflon) stosowany jako wkładki uszczelniające w zaworach dla bardzo czystych zastosowań. Ważne jest, aby dobrać materiał uszczelnienia pod kątem kompatybilności z medium – np. jeśli upust ma działać dla tlenu, absolutnie nie można użyć elementów z olejem czy smarem, a materiały muszą być dedykowane do O₂ (brąz fosforowy, miedź, PTFE itp.).
• Odporność na środowisko: Warunki otoczenia, w jakich pracuje zawór upustowy, determinują dodatkowe wymagania. Dla zaworów pracujących na zewnątrz budynków ważna jest odporność na korozję atmosferyczną – tu lepiej spisują się zawory ze stali nierdzewnej lub mosiężne z odpowiednim pokryciem. Przy niskich temperaturach otoczenia (np. instalacje zewnętrzne w klimacie zimnym) należy upewnić się, że materiał uszczelnień zachowa elastyczność (np. NBR poniżej -20°C twardnieje – w takich warunkach preferuje się EPDM lub specjalne mieszanki). Z kolei przy wysokich temperaturach otoczenia (blisko pieców, sprężarek) należy zwrócić uwagę na odporność temperaturową sprężyn i uszczelek. Ważna jest też odporność na zanieczyszczenia – jeśli powietrze zawiera pył lub krople oleju, zawór upustowy może z czasem ulec zanieczyszczeniu, co grozi nieszczelnością. W trudnych warunkach stosuje się zawory z tzw. kapturkami ochronnymi lub wyprowadzeniem upustu przewodem, by do wnętrza nie dostawały się zabrudzenia. Niektóre konstrukcje mają dodatkowe osłony zabezpieczające sprężynę przed wilgocią i brudem.
• Trwałość mechaniczna: Materiał i konstrukcja determinują także odporność na zmęczenie materiału. Zawory upustowe w zastosowaniach przemysłowych mogą wielokrotnie otwierać się i zamykać podczas eksploatacji. Sprężyna powinna być wykonana z materiału sprężynowego o wysokiej wytrzymałości (stal sprężynowa nierdzewna lub węglowa hartowana) – tak by nie straciła swoich właściwości z czasem (utraty nastawy). Wysokiej jakości zawory mają sprężyny o określonej trwałości i często producent podaje zalecenia dot. okresowej kalibracji czy wymiany sprężyny po określonej liczbie cykli lub lat użytkowania. Korpus i grzybek muszą z kolei wytrzymywać impet uderzeń ciśnienia bez odkształceń – tu znowu stalowe zawory przewyższają mosiężne, jeśli chodzi o długowieczność w ciężkich warunkach (np. częste wahania ciśnienia blisko progu zadziałania).

Zawory upustowe odgrywają niezwykle ważną rolę w pneumatyce przemysłowej, łącząc funkcje regulacji i zabezpieczenia układów sprężonego powietrza. Dzięki nim możliwe jest utrzymanie stałego, bezpiecznego ciśnienia w instalacjach nawet w zmiennych warunkach pracy i przy wystąpieniu sytuacji awaryjnych. W odróżnieniu od klasycznych zaworów bezpieczeństwa, zawory upustowe oferują proporcjonalne działanie i często pozwalają na ciągłą pracę w stanie lekkiego nadciśnienia, co bywa przydatne w aplikacjach wymagających precyzyjnej kontroli. Jednocześnie, w krytycznych momentach, pełnią rolę zaworów bezpieczeństwa chroniących ludzi, maszyny i infrastrukturę przed skutkami nadmiernego ciśnienia.

Przy doborze zaworu upustowego kluczowe jest uwzględnienie parametrów pracy (ciśnienia, przepływu, histerezy, zakresu regulacji) oraz warunków środowiskowych i medium. Zawory przemysłowe tego typu występują w wielu wariantach – od niewielkich, mosiężnych zaworków do typowych instalacji pneumatyki, po duże, pilotowe zawory nadmiarowe stosowane w skomplikowanych systemach. Specjaliści z branży automatyki powinni zwracać uwagę na jakość wykonania, certyfikaty oraz kompatybilność zaworu z chronionym układem. Regularne przeglądy i testy (np. okresowe otwarcie zaworu z użyciem dźwigni testowej tam, gdzie to możliwe) zapewnią, że w razie potrzeby zawór zadziała prawidłowo.

Podsumowując, zawór upustowy (nadmiarowy) to nieodzowny element bezpiecznej i efektywnej instalacji pneumatycznej. Jego prawidłowe zastosowanie gwarantuje ochronę przed niekontrolowanym wzrostem ciśnienia, wydłuża żywotność podzespołów systemu oraz zwiększa bezpieczeństwo obsługi. W nowoczesnych systemach pneumatyka i automatyka przemysłowa korzystają z tych zaworów jako z podstawowego środka prewencji awarii – właściwie dobrany i zamontowany zawór upustowy to inwestycja w bezawaryjną pracę całej instalacji. Dzięki wiedzy na temat rodzajów, działania i doboru tych zaworów, inżynierowie i technicy mogą projektować układy cechujące się zarówno wysoką wydajnością, jak i pełnym bezpieczeństwem działania.

FAQ: Zawór upustowy