摘要：通過對(duì)國(guó)際塑料閥門產(chǎn)品和試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)中原料要求、設(shè)計(jì)要求、制造要求、性能要求、試驗(yàn)方法、系統(tǒng)應(yīng)用要求和使用壓力與溫度的關(guān)系等內(nèi)容介紹，可以了解對(duì)塑料閥門所需要的密封試驗(yàn)、扭矩實(shí)驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)等基本質(zhì)量控制的要求。以表格的形式匯總了塑料閥門產(chǎn)品所需性能要求的閥座密封試驗(yàn)、閥體密封試驗(yàn)、閥體強(qiáng)度試驗(yàn)、閥門長(zhǎng)期試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和操作扭矩的規(guī)定。通過對(duì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)幾個(gè)問題的探討，使塑料閥門的生產(chǎn)者和使用者引起關(guān)注。
關(guān)鍵詞：塑料閥門 使用壽命 密封試驗(yàn) 疲勞強(qiáng)度試驗(yàn) 試驗(yàn)條件
隨著路在冷熱給水和工業(yè)管道工程應(yīng)用中所占比例的不斷提高，道系統(tǒng)中塑料閥門的質(zhì)量控制越來越顯得尤其重要。
由于塑料閥門所具有的質(zhì)量輕、耐腐蝕、不吸附水垢、可與路一體化連接和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，塑料閥門在給水（尤其是熱水與采暖）和工業(yè)用其他流體的路系統(tǒng)中，其應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)是其他閥門無法相比的。目前在國(guó)內(nèi)塑料閥門的生產(chǎn)與應(yīng)用中，還沒有可靠的方法對(duì)其控制，造成給水和工業(yè)用其他流體的塑料閥門產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，在工程應(yīng)用中造成關(guān)閉不嚴(yán)和滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重，形成了一種塑料閥門不能使用的言論，影響道應(yīng)用的整體發(fā)展。我國(guó)塑料閥門的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正在制定過程中，其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和方法標(biāo)準(zhǔn)均根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而制定。
國(guó)際上塑料閥門的類型主要有球閥、蝶閥、止回閥、隔膜閥、閘閥和截止閥等，結(jié)構(gòu)形式主要有兩通、三通和多通閥門，原料主要有ABS、PVC-U、PVC-C、PB、PE、PP和PVDF等。
在塑料閥門產(chǎn)品的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，首先是對(duì)生產(chǎn)閥門所用原料進(jìn)行要求，其原料的生產(chǎn)廠家必須具有符合道產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的蠕變破壞曲線[1]；同時(shí)對(duì)塑料閥門的密封試驗(yàn)、閥體試驗(yàn)、整體閥門的長(zhǎng)期性能試驗(yàn)、疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和操作扭矩等都進(jìn)行了規(guī)定，給出了用于工業(yè)輸送流體的塑料閥門的設(shè)計(jì)使用壽命為25年的要求[2]。
1 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)要求
1.1 原料要求
閥體、閥帽和閥蓋的材料應(yīng)選用符合ISO 15493:2003《工業(yè)用道系統(tǒng)—ABS、PVC-U和PVC-C—管材和管件系統(tǒng)規(guī)范—第一部分：公制系列》和ISO 15494:2003《工業(yè)用道系統(tǒng)—PB、PE和PP—管材和管件系統(tǒng)規(guī)范—第一部分：公制系列》的規(guī)定。
1.2 設(shè)計(jì)要求
a）如果閥門僅有一個(gè)承壓方向，應(yīng)在閥體外部用箭頭標(biāo)注，對(duì)稱設(shè)計(jì)的閥門應(yīng)適合于流體雙向流動(dòng)和隔離。
b）密封部件由閥桿帶動(dòng)進(jìn)行閥門的啟閉動(dòng)作，應(yīng)在終點(diǎn)或中間任一位置靠摩擦力或執(zhí)行裝置進(jìn)行定位，流體壓力不能將其位置變動(dòng)。
c）根據(jù)EN736-3，閥門內(nèi)腔最小通孔應(yīng)符合以下兩點(diǎn)：
— 對(duì)于閥門上介質(zhì)流通的任一孔徑，都不應(yīng)小于閥門DN值的90％；
— 對(duì)于在結(jié)構(gòu)上需要縮小介質(zhì)流通孔徑的閥門，制造者應(yīng)說明其實(shí)際最小通孔。
d）閥桿與閥體之間的密封應(yīng)符合EN736-3。
e) 在閥門耐磨性能方面，閥門的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮磨損部件的使用壽命，或者生產(chǎn)商應(yīng)在操作指導(dǎo)書中注明更換整個(gè)閥門的建議。
f）所有閥門操作裝置所適用的流速應(yīng)達(dá)到3m/s。
g）從閥門的上方看，閥門的手柄或手輪應(yīng)為順時(shí)針方向關(guān)閉閥門。
1.3 制造要求
a) 購(gòu)進(jìn)原料的性能應(yīng)與原料生產(chǎn)廠家的說明書相符，并符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。
b) 閥體上應(yīng)標(biāo)注出所用原料代號(hào)、通徑DN、公稱壓力PN。
c）閥體應(yīng)標(biāo)注出生產(chǎn)者廠名或商標(biāo)。
d）閥體應(yīng)標(biāo)注出生產(chǎn)日期或代號(hào)。
e）閥體應(yīng)標(biāo)注出生產(chǎn)者不同生產(chǎn)地點(diǎn)的代號(hào)。
1.4 短期性能要求
短期性能在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中是屬于出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目，主要是做閥座的密封試驗(yàn)與閥體的密封試驗(yàn)，用于檢查塑料閥門的密封性能，要求塑料閥門即不能有內(nèi)泄漏（閥座泄漏）現(xiàn)象，也不能有外泄漏（閥體泄漏）現(xiàn)象。
閥座的密封試驗(yàn)是驗(yàn)證閥門隔離管道系統(tǒng)的性能；閥體的密封實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證閥門閥桿密封處和閥門各連接端密封處的泄漏情況。
試驗(yàn)條件見表1。
表 1 閥座和閥體試驗(yàn)的條件[3]
Tab.1 Condition for seat and packing tests
| 試驗(yàn)
|
最少測(cè)試時(shí)間/s
|
試驗(yàn)壓力/MPa
|
溫度/ ℃
|
試驗(yàn)介質(zhì)·內(nèi)部
|
試驗(yàn)介質(zhì)·外部
|
| 閥座試驗(yàn)（閥門關(guān)閉）1）
|
60
|
0.052）
|
20±2
|
空氣
|
水
|
| 5)
|
1.1×PN3)
|
20±2
|
水4）
|
空氣
|
|
| 密封試驗(yàn)（閥門打開）
|
6)
|
1.5×PN3）
|
20±2
|
水4）
|
空氣
|
注：1）根據(jù)有關(guān)產(chǎn)品扭矩的規(guī)定開關(guān)閥門； 2）最小試驗(yàn)壓力0.05MPa； 3）最大試驗(yàn)壓力（PN＋0.5）MPa； 4）或內(nèi)部是空氣外部是水時(shí)壓力為（0.6±0.1）MPa； 5）閥門公稱尺寸 DN≤200：最少試驗(yàn)時(shí)間15s，DN≥250：最少試驗(yàn)時(shí)間30s； 6）閥門公稱尺寸 DN≤50： 最少試驗(yàn)時(shí)間15s，DN≥65： 最少試驗(yàn)時(shí)間30s。 |
|||||
試驗(yàn)方法：按照 ISO 1167《流體輸送用熱塑性材 耐內(nèi)壓試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。做閥座的密封實(shí)驗(yàn)時(shí)閥門應(yīng)處于全關(guān)狀態(tài)；做閥體的密封試驗(yàn)時(shí)應(yīng)使閥門處于全開位置或半開位置（例如球閥），半開時(shí)應(yīng)能使流體進(jìn)入閥桿密封位置。對(duì)于單向密封的閥門，只做一個(gè)方向的閥座密封試驗(yàn)；而雙向密封的閥門，則兩個(gè)方向的閥座密封試驗(yàn)都需要做。試驗(yàn)時(shí)要求排凈閥門試樣中的空氣，逐漸升高試驗(yàn)壓力，30s內(nèi)達(dá)到規(guī)定的壓力。
應(yīng)注意，試驗(yàn)過程中試驗(yàn)裝置不能對(duì)閥門產(chǎn)生額外的應(yīng)力。如果以空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)，必須采取針對(duì)壓縮氣體的安全措施。
1.5 長(zhǎng)期性能要求
1.5.1 閥體試驗(yàn)和整體閥門長(zhǎng)期性能試驗(yàn)在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中屬于型式檢驗(yàn)項(xiàng)目，閥體試驗(yàn)用于驗(yàn)證閥體的強(qiáng)度，整體閥門長(zhǎng)期性能試驗(yàn)用于驗(yàn)證塑料閥門設(shè)計(jì)的整體可靠性。
閥體試驗(yàn)條件見表2。
表2 閥體試驗(yàn)的條件[3]
Tab.2 Conditions for shell test
| 材 料
|
最少測(cè)試時(shí)間/h
|
試驗(yàn)壓力Pt1）/MPa
|
設(shè)計(jì)應(yīng)力/бs1）
|
溫度/ ℃
|
試驗(yàn)介質(zhì)·內(nèi)部
|
試驗(yàn)介質(zhì)·外部
|
| PE100
|
100 165 1000
|
1.55×PN 0.69×PN 0.62×PN
|
8
|
20±2 80±2 80±2
|
水 水 水
|
水 水 水
|
| PE80
|
100 165 1000
|
1.59×PN 0.73×PN 0.63×PN
|
6.3
|
20±2 80±2 80±2
|
水 水 水
|
水 水 水
|
| PP-H、PP-R-GR PP-B PP-R
|
1 1000
|
4.2×PN 0.7×PN
|
5
|
20±2 95±2
|
水 水
|
水 水或空氣
|
| 1 1000
|
3.2×PN 0.52×PN
|
5
|
20±2 95±2
|
水 水
|
水 水或空氣
|
|
| 1 1000
|
3.2×PN 0.7×PN
|
5
|
20±2 95±2
|
水 水
|
水 水或空氣
|
|
| PVC-U PVC-UH dn＜160 dn≥160
|
1 1000
|
4.2×PN 3.2×PN
|
10
|
20±2 20±2
|
水 水
|
水 水
|
| 1 1000
|
4.2×PN 3.2×PN
|
10
|
20±2 20±2
|
水 水
|
水 水
|
|
| 1 1000
|
3.36×PN 2.56×PN
|
12.5
|
20±2 20±2
|
水 水
|
水 水
|
|
| PVDF
|
200
|
0.72×PN
|
16
|
95±2
|
水
|
水或空氣
|
注：1） 壓力Pt的計(jì)算公式如下： Pt= PN×бt/бs 式中：бt — 試驗(yàn)應(yīng)力； бs — 設(shè)計(jì)應(yīng)力。 |
||||||
整體閥門長(zhǎng)期性能試驗(yàn)條件見表3。
表3 長(zhǎng)期性能試驗(yàn)的條件[3]
Tab.3 Conditions for long-term behaviour test
材料
|
最少測(cè)試時(shí)間/h
|
試驗(yàn)壓力Pt/MPa
|
溫度 /℃
|
試驗(yàn)介質(zhì)·內(nèi)部
|
試驗(yàn)介質(zhì)·外部
|
PE100,PE80
|
1000
|
1.5×PN
|
20±2
|
水
|
水
|
PP-HPP-B,PP-R,PP-R-GR
|
10001000
|
2.24×PN1.6×PN
|
20±220±2
|
水水
|
水水
|
PVC-U,PVC-UH
|
1000
|
1.3×PN
|
40±2
|
水
|
水
|
PVDF
|
1000
|
1.45×PN
|
20±2
|
水
|
水
|
注：對(duì)于隔膜閥，除PVC-U和PVC-UH（1.3×PN）、PVDF（1.45×PN）以外其他材料的閥門的試驗(yàn)壓力均為1.5×PN。 |
|||||
試驗(yàn)方法：按照ISO 1167《流體輸送用熱塑性材 耐內(nèi)壓試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行。閥體試驗(yàn)和整體閥門長(zhǎng)期性能試驗(yàn)時(shí)要求排凈閥門試樣中的空氣，逐漸升高試驗(yàn)壓力，30s內(nèi)達(dá)到規(guī)定壓力，試驗(yàn)過程中試驗(yàn)裝置不能對(duì)閥門產(chǎn)生額外的應(yīng)力。
1.5.2 閥體試驗(yàn)和整體閥門長(zhǎng)期性能試驗(yàn)是將閥體和閥門按ISO 12092《無增塑聚氯乙烯（PVC-U）、氯化聚氯乙烯（PVC-C）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）管材、管件和閥門系統(tǒng)—耐內(nèi)壓—試驗(yàn)方法》的要求裝配后，進(jìn)行試驗(yàn)。
1.5.3 在閥體試驗(yàn)和整體閥門長(zhǎng)期性能試驗(yàn)測(cè)試過程中，試樣沒有出現(xiàn)泄漏或破裂現(xiàn)象，則判定試驗(yàn)合格。試樣在試驗(yàn)結(jié)束前出現(xiàn)泄漏或破裂現(xiàn)象，則判定試驗(yàn)不合格。如果在連接處出現(xiàn)問題，則判定試驗(yàn)無效，需要重新取試樣測(cè)試。
1.6 系統(tǒng)應(yīng)用的要求
1.6.1 疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)[4]
閥門應(yīng)在下列狀態(tài)進(jìn)行開與關(guān)的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)：
a) 試驗(yàn)介質(zhì)為水，在閥門輸入端壓力為公稱壓力PN和溫度為（20±3）℃的條件下；
b) 把閥門全開，使水的流速達(dá)到（1±0.2）m/s；
c) 把閥門關(guān)閉，輸出端壓力為大氣壓；
d) 接著把閥門全開，使水的流速達(dá)到（1±0.2）m/s；
e) 循環(huán)不少于5000次。
試驗(yàn)方法應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)后所有功能部分應(yīng)保持完好，還能滿足短期性能的密封試驗(yàn)要求。
1.6.2 扭矩試驗(yàn)[5]
手動(dòng)閥門應(yīng)在公稱壓力和室溫條件下，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定狀態(tài)調(diào)節(jié)后進(jìn)行操作扭矩試驗(yàn)，并給出閥門全開或全關(guān)的最大允許操作扭矩?cái)?shù)值。此項(xiàng)數(shù)值受部件的加工精度與裝配的影響波動(dòng)較大。
1.6.3 操作允許作用力的要求
塑料閥門的手柄或圓手輪的全開與全關(guān)的作用力，不能超過表4給出的F值。
表4 操作力[6]
Tab.4 Manual force
| L
|
100
|
125
|
160
|
200
|
250
|
315
|
400
|
500
|
630
|
720
|
800
|
1000
|
| F
|
250
|
300
|
300
|
350
|
400
|
400
|
400
|
400
|
400
|
400
|
400
|
400
|
| Fs
|
500
|
600
|
600
|
700
|
800
|
800
|
1000
|
1000
|
1000
|
1000
|
1000
|
1000
|
注：L 手柄或手輪操作力臂長(zhǎng)度，單位（mm）；
F 操作力，單位牛頓（N）；
FS 最大操作力，單位牛頓（N）。
1.6.4 連接尺寸
a) 端面-端面尺寸
法蘭連接系統(tǒng)用閥門的端面-端面尺寸應(yīng)從下列標(biāo)準(zhǔn)中選取：
—PN設(shè)計(jì)的法蘭參見EN558-1；
—Class設(shè)計(jì)的法蘭參見EN558-2。
其他類型的連接端頭，應(yīng)由生產(chǎn)商確定端面-端面尺寸。
b) 閥門連接端尺寸
法蘭連接閥門的連接尺寸應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)：
—PN設(shè)計(jì)的法蘭參見EN1092-1；
—Class設(shè)計(jì)的法蘭參見prEN1759-1:1997。
閥門連接端的螺紋尺寸應(yīng)符合ISO 7-1或ISO 228-1。
1.6.5 塑料閥門與管路系統(tǒng)連接的方式有
對(duì)焊連接：閥門連接部位的外徑與管材的外徑相等，閥門連接部位端面與管材的端面相對(duì)進(jìn)行焊接；
插口粘結(jié)連接：閥門連接部位為插口形式，與管件進(jìn)行粘結(jié)連接；
電熔承口連接：閥門連接部位為內(nèi)徑敷設(shè)電熱絲的承口形式，與管材進(jìn)行電熔連接；
承口熱熔連接：閥門連接部位為承口形式，與管材進(jìn)行熱熔承插連接；
承口粘結(jié)連接：閥門連接部位為承口形式，與管材進(jìn)行粘結(jié)承插連接；
承口橡膠密封圈連接：閥門連接部位為內(nèi)鑲橡膠密封圈的承口形式，與管材進(jìn)行承插連接；
法蘭連接：閥門連接部位為法蘭形式，與管材上的法蘭進(jìn)行連接；
螺紋連接：閥門連接部位為螺紋形式，與管材或管件上的螺紋進(jìn)行連接；
活接連接：閥門連接部位為活接形式，與管材或管件進(jìn)行連接。
一個(gè)閥門上可以同時(shí)具有不同的連接方式。
1.7 使用壓力與溫度的關(guān)系
隨著使用溫度的提高，塑料閥門的使用壽命要縮短。要想保持相同的使用壽命，就需要降低使用壓力。表5給出了閥體材料的溫度等級(jí)系數(shù)fr。
表5 使用壽命25年的等級(jí)系數(shù)fr[2]
Tab.5 Minimum values for rating factor fr for a lifetime up 25 years
溫度/℃
|
ABS
|
PE80
|
PP-H
|
PVC-C
|
PVC-U
|
PVDF |
-40
|
1.0
|
1.0
|
—
|
—
|
—
|
a |
-30
|
1.0
|
1.0
|
—
|
—
|
—
|
a |
-20
|
1.0
|
1.0
|
—
|
—
|
—
|
1.0 |
-10
|
1.0
|
1.0
|
—
|
—
|
—
|
1.0 |
05
|
1.01.0
|
1.01.0
|
—1.0
|
——
|
——
|
1.0 1.0 |
10
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0 |
20
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0 |
25
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0
|
1.0 |
30
|
0.80
|
0.76
|
0.85
|
0.85
|
0.80
|
0.90 |
40
|
0.60
|
0.53
|
0.70
|
0.65
|
0.60
|
0.80 |
50
|
0.40
|
0.35
|
0.55
|
0.50
|
0.35
|
0.71 |
60
|
0.20
|
0.24
|
0.40
|
0.35
|
0.15
|
0.63 |
70
|
—
|
—
|
0.27
|
0.25
|
—
|
0.54 |
80
|
—
|
—
|
0.15
|
0.15
|
—
|
0.47 |
90
|
—
|
—
|
0.08
|
a
|
—
|
0.36 |
100
|
—
|
—
|
a
|
—
|
—
|
0.25 |
110
|
—
|
—
|
－
|
—
|
—
|
0.17 |
120
|
—
|
—
|
—
|
—
|
—
|
0.12 |
130
|
—
|
—
|
—
|
—
|
—
|
a |
140
|
—
|
—
|
—
|
—
|
—
|
a |
注：這些等級(jí)系數(shù)fr與管材、管件其他相關(guān)的折減系數(shù)不一致。
|
||||||
a: 此等級(jí)系數(shù)應(yīng)由制造者給出。
|
||||||
1.8 公稱壓力PN的計(jì)算：
PN=бs/S
式中 бs— 設(shè)計(jì)應(yīng)力，單位MPa
S — 與閥門連接管材的管系列
PN— 公稱壓力，單位MPa
2 問題探討
2.1 材與塑料閥門的公稱尺寸、公稱壓力標(biāo)注方式不一致。材的公稱尺寸用公稱外徑dn表示，塑料閥門的公稱尺寸用公稱通徑DN表示；用于冷熱水的材不允許標(biāo)注公稱壓力PN，標(biāo)注管系列S根據(jù)使用條件級(jí)別選擇使用壓力，而塑料閥門則標(biāo)注公稱壓力PN，用溫度等級(jí)系數(shù)fr來選擇使用溫度。此處需要注意。
2.2 在EN 12570:2000中操作扭矩規(guī)定的要求太低，因閥門的扭矩越大閥座磨損越大，使用壽命越短。國(guó)內(nèi)已經(jīng)作過扭矩試驗(yàn)的廠家的塑料閥門，手柄尺寸小于100的扭矩僅為3N·m左右，相當(dāng)于操作力僅為30N左右，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求250N的數(shù)值。是否可以提高指標(biāo)，還需要增加不同廠家產(chǎn)品的驗(yàn)證。
2.3 在標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定不同規(guī)格閥門扭矩的大小，僅給出手柄長(zhǎng)度（或手輪直徑）與作用力的要求，是不能保證閥門產(chǎn)品扭矩質(zhì)量的，因?yàn)樯a(chǎn)者可以用加長(zhǎng)手柄長(zhǎng)度（或手輪直徑）的方法使不合格品變?yōu)楹细衿贰?/p>
2.4 表2中的PP-R設(shè)計(jì)應(yīng)力бs為5MPa，現(xiàn)在國(guó)際上一些原料的設(shè)計(jì)應(yīng)力бs已經(jīng)提高到6.3 MPa或8 MPa，在設(shè)計(jì)強(qiáng)度上的選擇相對(duì)其他原料品種而言有些保守。
2.5 縮徑閥門的最小通徑?jīng)]有給出不同規(guī)格最小尺寸的定量要求，僅要求生產(chǎn)廠家標(biāo)明。這就使得一些廠家閥門縮徑過多的產(chǎn)品相對(duì)同規(guī)格產(chǎn)品就顯得結(jié)構(gòu)緊湊，但會(huì)造成管路系統(tǒng)局部阻力增大。
2.6 標(biāo)準(zhǔn)中給出了用于工業(yè)輸送流體的塑料閥門的設(shè)計(jì)使用壽命為25年的要求，并沒有給出用于生活給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)間。
3 結(jié)論
只要選擇原料和產(chǎn)品控制都按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，塑料閥門完全能夠滿足路的使用要求。
同時(shí)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中也存在一些不合適之處，需要關(guān)注其發(fā)展動(dòng)態(tài)。
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