Offsets in vlinderkleppen: van centrisch tot 5-offset

Een vlinderklep is in de basis een eenvoudig principe: een klephuis, een hoofdas, en een klepschijf die over negentig graden open en dicht draait. Binnen dat principe loopt al decennia een ontwikkeling naar steeds hoogwaardiger kleppen: betere afdichting, strakkere toleranties, lagere bedieningskrachten, beheerster openen en sluiten. Die ontwikkeling gaat over materialen, over productietechniek — en over ontwerp. De offsets zijn de ontwerplijn. Deze notitie legt uit wat elke stap doet, en wat hij niet doet.

Centrische vlinderkleppen

Bij een centrische vlinderklep loopt de as door het midden van zowel de schijf als de zitting. Dat is geen mislukte poging tot dicht afsluiten; het is een klep voor ander werk. Centrische kleppen worden metaal-op-metaal bewust ingezet met een bepaalde lekkage, en twee uitvoeringen komt u daarbij veel tegen.

Doorslaand betekent dat de schijf niet tegen een zitting sluit. De eindstanden worden dan door de aandrijving begrensd — bij een pneumatische actuator via de instelbouten, en bij hydraulische, elektrische of handbediende aandrijvingen via hun eigen eindpunten. Een positioner bewaakt die stand doorgaans met terugkoppeling naar de besturing. Een eindaanslag via de hoofdas is technisch mogelijk, maar niet gebruikelijk. De dichte stand ligt bij zo’n klep dus meestal in de aandrijving, niet in de klep zelf. Dat is een bewuste ontwerpkeuze voor stofrijk gasvormig medium: geen zitting betekent geen plek waar zich stof kan ophopen. Zo’n klep kent een vaste lekkage in de orde van 1% van de Kv bij 90° klepstand, dus bij volledig geopende klep. Bij een 100% regelfunctie — een klep die dus nooit dicht hoeft te sluiten — is dat een goede oplossing.

Tegen aanslaglijsten sluit de schijf wél ergens tegenaan, desgewenst met een AlSi-koord in die lijsten als extra afdichting. De lekkage ligt dan lager, maar er blíjft lekkage.

Bij beide uitvoeringen gaat het om dat woord vast: die lekkage neemt niet toe. Ze blijft stabiel en voorspelbaar, en dat maakt zo’n klep bruikbaar in regelbedrijf. Loopt hij een keer op, dan vervangt u hem. Er bestaan ook centrische vlinderkleppen met een rubber manchet, bijvoorbeeld in drinkwater; daar doen wij niet in.

De ontwikkeling van vlinderkleppen

De ontwikkeling van vlinderkleppen naar steeds hoogwaardiger uitvoeringen draait om een handvol assen die voortdurend verder worden aangescherpt: de afdichtingskwaliteit, de toleranties, de bedieningskrachten, en het openen en sluiten zelf.

Dat laatste vraagt om toelichting. Bij een klep met een hoog losbreekmoment komt de schijf niet rustig los uit de zitting, maar schiet hij eruit. Heeft die klep ook een regelfunctie en wordt hij pneumatisch aangestuurd, dan is dat lastig: een positioner kan niet fijn regelen op een klep die losspringt. Bij elektrische of hydraulische aandrijving speelt dat aanzienlijk minder.

En metaal-op-metaal is geen ambitie op zichzelf — het is een gevolg van de toepassing. U komt er terecht waar de gangbare afdichtmaterialen, vaak flexibel van aard, het niet houden: bij extreme temperaturen, bij agressieve media, of waar het medium te slijtend is.

Dat verbeteren is een doorlopend proces, en het speelt zich op drie fronten tegelijk af: materialen, productietechniek en ontwerp. Binnen dat laatste is de benadering via meerdere offsets de dominante lijn — en op dit moment is de 5-offset de laatste standaard die in de markt verkrijgbaar is.

Dubbel-excentrisch: een terechte high performance butterfly valve?

Twee stappen tegelijk. Eerst verhuist de as naar áchter het afdichtvlak; daarmee is de afdichtring niet langer onderbroken, want de as steekt er niet meer doorheen. Vervolgens verhuist de as ook uit het hart van de leiding. Daardoor loopt de schijf bij het openen van de zitting wég, en wringt de klep nog maar heel kort in het gebied bij de asdoorvoer. De tussenstap met alleen de eerste verschuiving is meetkundig relevant maar als product nauwelijks te vinden; in de markt begint het bij dubbel-excentrisch.

Dit is de klep die in de branche een “high performance butterfly valve” heet. De klep is positie-gezet: de afdichtkracht komt uit de eindpositie waarin de schijf zich in de zitting wringt. Dat wringende karakter vraagt om flexibele afdichtmaterialen, en dat heeft drie gevolgen. Slijtage: tijdens intensieve bedrijfsvoering ontstaat een hoge mate van slijtage, met lekkage tot gevolg. Een vrij hoog losbreekmoment: fijn regelen met een pneumatische actuator wordt daarmee uitdagend — dit is de klep die uit de zitting schiet. En zwakke bi-directionele dichtheid, door de benodigde ruime toleranties en de noodzakelijke flexibele afdichtingsmaterialen.

En de tweede offset laat zich niet zomaar vergroten om er meer uit te halen. Hoe verder je hem legt, hoe hoger het bedieningsmoment — en dus een dikkere hoofdas, zwaardere lagering, kostbaarder productie. Die offset wordt daarom niet ruim gekozen; hij is een afweging, geen instelling. Voor minder veeleisende diensten kan dat prima volstaan. Maar “high performance” is hierbij eerder een naam, dan een prestatiemaat.

Triple offset (1960): de gekantelde kegel

Een kegelvormige zitting is op zichzelf niet nieuw bij de derde stap: ook een dubbel-excentrische klep kan al van een kegel uitgaan. Alleen ligt de hartlijn van die kegel dan parallel aan de hartlijn van de leiding.

De derde offset kantelt de kegel. De punt wordt verlegd, zodat één zijde van de kegel parallel loopt aan de binnenwand van het klephuis. Daarmee heeft de zitting op die plek een vrijwel vlak punt, en ligt 180° daartegenover de maximale hoek van de zitting. Hoe korter de kegel wordt gekozen, hoe groter die maximale hoek. Een schuine snede door een kegel benadert een ellips: de zitting is daarmee niet rond, en de afdichtring in de klepschijf dus evenmin.

Daarmee verandert de manier waarop de klep sluit. De schijf komt over vrijwel de hele slag vrij van de zitting, en de vlakken vinden elkaar pas in het laatste deel van de sluitbeweging. Er wordt niet meer gewrongen om dicht te komen: de dichtheid volgt uit het aangelegde moment, niet uit elastische vervorming van het afdichtmateriaal. Dat maakt metaal-op-metaal afdichten praktisch mogelijk — er is geen flexibel materiaal meer nodig om de wringing op te vangen. En het losbreekmoment valt grotendeels weg.

Grotendeels — niet volledig. Een kegelzitting maakt de klep niet wrijvingsloos, en onder extreme temperaturen al helemaal niet, waar huis en schijf niet gelijk op krimpen of uitzetten. Dit principe is in 1960 in Duitsland ontwikkeld en gepatenteerd. Vijfenzestig jaar later is het wereldwijd nog altijd een belangrijke standaard.

Het hoekverloop van de zitting

De hoek van de zitting in het huis varieert rond de omtrek: van de maximale hoek aan de ene zijde tot het vrijwel vlakke punt daar waar de kegelzijde parallel aan de binnenwand van het klephuis loopt. Gepubliceerde hoeken in deze klasse liggen tussen de vijftien en dertig graden, met vijfentwintig als gangbare waarde aan de ruime zijde.

Die hoek bepaalt hoeveel van de beweging van de schijf van het afdichtvlak af gaat, en hoeveel erlangs. Bij een royale hoek komt de afdichting sneller vrij; waar de hoek is teruggelopen blijven de vlakken langer nagenoeg evenwijdig en beweegt de afdichting meer over het oppervlak dan ervandaan.

Voor een klepontwerp kan voor een bepaalde kegellengte gekozen worden en daarmee de maximale hoek (hoe langer de kegel, hoe vlakker de hoek), maar niet los daarvan het resulterende verloop van deze hoek over de gehele zitting: dat volgt uit de gekozen kegel. Daarmee ligt ook vast welke hoek er ter hoogte van de asdoorvoer overblijft.

Het 5-offset-ontwerp

In de 5-offset-geometrie komen twee dingen samen. De basis van de kegel is geen cirkel meer, maar een variatie op een ellips. En die basis wordt zó gekozen dat de snede onder één bepaalde hoek — bijvoorbeeld vijfentwintig graden — mathematisch een perfecte cirkel oplevert. De eerste drie offsets blijven daarbij gewoon staan. Wat verandert, is de uitkomst: een cirkelvormige zitting. Meetkundig is dat een stapeling van cirkels die zich alle op één punt van hun buitenrand uitlijnen, en waarvan de middelpunten samen de hartlijn van de kegel vormen.

Dát is wat een O-ring mogelijk maakt: een Inconel O-ring voor een volledig metalen, grafietvrije afdichting, of PTFE waar de chemie daarom vraagt. Op een zitting die niet rond is, kan dat niet.

En het hoekverloop van de zitting wordt beïnvloedbaar, met behoud van die cirkel. De hoek hoeft dus niet langer terug te lopen tot een vrijwel vlak punt daar waar dat het slechtst uitkomt. Dat werkt door tot in de aandrijving: omdat de hoek royaler kan worden gekozen, is het indraaien en afdichten op de zitting ook geborgd bij een lagere tweede offset — en een lagere tweede offset betekent meteen een lager bedieningsmoment. Daar zit de ruimte om een kleinere aandrijving (Md) te kiezen.

Dat kent tal van voordelen in een betrouwbare bedrijfsvoering en in uiteenlopende toepassingen: onder meer cryogene en hoge-temperatuurdienst, een verbeterde fijnregeling vanuit gesloten stand met pneumatische aandrijvingen, vereenvoudiging van lokale onderhoudswerkzaamheden, langere inzetbaarheid, en minder slijtage aan de afdichting — zelfs bij hoge schakelfrequenties.

Bouwlengte en flenzen: vervangen zonder leidingaanpassing

Bij de installatie verandert er in de regel niets. De uitvoeringen volgen de gangbare normen: bouwlengtes volgens EN 558-1, DIN 3202 en ISO 5752, uitvoeringen volgens API 609 en ASME B16.10, en een ISO 5211-topflens voor de aandrijving.

Een te vernieuwen klep is daarmee in vrijwel alle gevallen goed door een 5-offset vlinderklep te vervangen, zonder leidingwerk of flenzen aan te passen. De verandering zit in de hogere afdichtingstechniek, het lagere benodigde bedieningsmoment en het betrouwbare gedrag onder extremen — niet in de wijze van inbouw, die alle vereiste standaarden volgt.

Wanneer welke klep

Een centrische klep past waar geregeld moet worden en dichtheid niet de eis is.

Zodra de toepassing een klep vraagt die metaal-op-metaal dicht moet sluiten, komt de 5-offset vlinderklep in beeld: cryogene media, thermische wisselbelasting, hoge temperaturen, thermische schok, hoge schakelfrequenties, brede certificeringseisen. Bij projecten van omvang telt daarbij mee dat per klep een lagere aandrijving volstaat; in grote aantallen scheelt dat in de investering.

Ook in standaardtoepassingen, waar ongeplande stilstand zoveel mogelijk voorkomen moet worden en de bedrijfsvoering betrouwbaar moet blijven, mag de 5-offset vlinderklep een overweging zijn. En zijn uw proces- of design-condities allesbehalve standaard, dan horen we dat graag en adviseren we u over wat er mogelijk is.