摘要：通過對國際塑料閥門產(chǎn)品和試驗方法的標(biāo)準(zhǔn)中原料要求、設(shè)計要求、制造要求、性能要求、試驗方法、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，可以了解對塑料閥門所需要的密封試驗、扭矩實驗和疲勞強度試驗等基本質(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、閥體密封試驗、閥體強度試驗、閥門長期試驗、疲勞強度試驗和操作扭矩的規(guī)定。通過對國際標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)幾個問題的探討，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 疲勞強度試驗 試驗條件
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等優(yōu)點，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)勢是其他閥門無法相比的。目前在國內(nèi)塑料閥門的生產(chǎn)與應(yīng)用中，還沒有可靠的方法對其控制，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。我國塑料閥門的國家標(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)國際標(biāo)準(zhǔn)而制定。
國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)品的國際標(biāo)準(zhǔn)中，首先是對生產(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]；同時對塑料閥門的密封試驗、閥體試驗、整體閥門的長期性能試驗、疲勞強度試驗和操作扭矩等都進(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)計使用壽命為25年的要求[2]。
1 國際標(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)計要求
a）如果閥門僅有一個承壓方向，應(yīng)在閥體外部用箭頭標(biāo)注，對稱設(shè)計的閥門應(yīng)適合于流體雙向流動和隔離。
b）密封部件由閥桿帶動進(jìn)行閥門的啟閉動作，應(yīng)在終點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。
c）根據(jù)EN736-3，閥門內(nèi)腔最小通孔應(yīng)符合以下兩點：
— 對于閥門上介質(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)為順時針方向關(guān)閉閥門。
1.3 制造要求
a) 購進(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、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。
e）閥體應(yīng)標(biāo)注出生產(chǎn)者不同生產(chǎn)地點的代號。
1.4 短期性能要求
短期性能在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中是屬于出廠檢驗項目，主要是做閥座的密封試驗與閥體的密封試驗，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。
閥座的密封試驗是驗證閥門隔離管道系統(tǒng)的性能；閥體的密封實驗是驗證閥門閥桿密封處和閥門各連接端密封處的泄漏情況。
試驗條件見表1。
表 1 閥座和閥體試驗的條件[3]
Tab.1 Condition for seat and packing tests
| 試驗
|
最少測試時間/s
|
試驗壓力/MPa
|
溫度/ ℃
|
試驗介質(zhì)·內(nèi)部
|
試驗介質(zhì)·外部
|
| 閥座試驗（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（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）最小試驗壓力0.05MPa； 3）最大試驗壓力（PN＋0.5）MPa； 4）或內(nèi)部是空氣外部是水時壓力為（0.6±0.1）MPa； 5）閥門公稱尺寸 DN≤200：最少試驗時間15s，DN≥250：最少試驗時間30s； 6）閥門公稱尺寸 DN≤50： 最少試驗時間15s，DN≥65： 最少試驗時間30s。 |
|||||
試驗方法：按照 ISO 1167《流體輸送用熱塑性材 耐內(nèi)壓試驗方法》的規(guī)定進(jìn)行。做閥座的密封實驗時閥門應(yīng)處于全關(guān)狀態(tài)；做閥體的密封試驗時應(yīng)使閥門處于全開位置或半開位置（例如球閥），半開時應(yīng)能使流體進(jìn)入閥桿密封位置。對于單向密封的閥門，只做一個方向的閥座密封試驗；而雙向密封的閥門，則兩個方向的閥座密封試驗都需要做。試驗時要求排凈閥門試樣中的空氣，逐漸升高試驗壓力，30s內(nèi)達(dá)到規(guī)定的壓力。
應(yīng)注意，試驗過程中試驗裝置不能對閥門產(chǎn)生額外的應(yīng)力。如果以空氣作為試驗介質(zhì)時，必須采取針對壓縮氣體的安全措施。
1.5 長期性能要求
1.5.1 閥體試驗和整體閥門長期性能試驗在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中屬于型式檢驗項目，閥體試驗用于驗證閥體的強度，整體閥門長期性能試驗用于驗證塑料閥門設(shè)計的整體可靠性。
閥體試驗條件見表2。
表2 閥體試驗的條件[3]
Tab.2 Conditions for shell test
| 材 料
|
最少測試時間/h
|
試驗壓力Pt1）/MPa
|
設(shè)計應(yīng)力/бs1）
|
溫度/ ℃
|
試驗介質(zhì)·內(nèi)部
|
試驗介質(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的計算公式如下： Pt= PN×бt/бs 式中：бt — 試驗應(yīng)力； бs — 設(shè)計應(yīng)力。 |
||||||
整體閥門長期性能試驗條件見表3。
表3 長期性能試驗的條件[3]
Tab.3 Conditions for long-term behaviour test
材料
|
最少測試時間/h
|
試驗壓力Pt/MPa
|
溫度 /℃
|
試驗介質(zhì)·內(nèi)部
|
試驗介質(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壓力均為1.5×PN。 |
|||||
試驗方法：按照ISO 1167《流體輸送用熱塑性材 耐內(nèi)壓試驗方法》的規(guī)定進(jìn)行。閥體試驗和整體閥門長期性能試驗時要求排凈閥門試樣中的空氣，逐漸升高試驗壓力，30s內(nèi)達(dá)到規(guī)定壓力，試驗過程中試驗裝置不能對閥門產(chǎn)生額外的應(yīng)力。
1.5.2 閥體試驗和整體閥門長期性能試驗是將閥體和閥門按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—試驗方法》的要求裝配后，進(jìn)行試驗。
1.5.3 在閥體試驗和整體閥門長期性能試驗測試過程中，試樣沒有出現(xiàn)泄漏或破裂現(xiàn)象，則判定試驗合格。試樣在試驗結(jié)束前出現(xiàn)泄漏或破裂現(xiàn)象，則判定試驗不合格。如果在連接處出現(xiàn)問題，則判定試驗無效，需要重新取試樣測試。
1.6 系統(tǒng)應(yīng)用的要求
1.6.1 疲勞強度試驗[4]
閥門應(yīng)在下列狀態(tài)進(jìn)行開與關(guān)的疲勞強度試驗：
a) 試驗介質(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。
試驗方法應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,疲勞強度試驗后所有功能部分應(yīng)保持完好，還能滿足短期性能的密封試驗要求。
1.6.2 扭矩試驗[5]
手動閥門應(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，并給出閥門全開或全關(guān)的最大允許操作扭矩數(shù)值。此項數(shù)值受部件的加工精度與裝配的影響波動較大。
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�。�
—PN設(shè)計的法蘭參見EN558-1；
—Class設(shè)計的法蘭參見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)計的法蘭參見EN1092-1；
—Class設(shè)計的法蘭參見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。
一個閥門上可以同時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系數(shù)fr。
表5 使用壽命25年的等級系數(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: 此等級系數(shù)應(yīng)由制造者給出。
|
||||||
1.8 公稱壓力PN的計算：
PN=бs/S
式中 бs— 設(shè)計應(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。國內(nèi)已經(jīng)作過扭矩試驗的廠家的塑料閥門，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，因為生產(chǎn)者可以用加長手柄長度（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)計應(yīng)力бs為5MPa，現(xiàn)在國際上一些原料的設(shè)計應(yīng)力бs已經(jīng)提高到6.3 MPa或8 MPa，在設(shè)計強度上的選擇相對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)品相對同規(guī)格產(chǎn)品就顯得結(jié)構(gòu)緊湊，但會造成管路系統(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)計使用壽命時間。
3 結(jié)論
只要選擇原料和產(chǎn)品控制都按照國際標(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。
同時國際標(biāo)準(zhǔn)中也存在一些不合適之處，需要關(guān)注其發(fā)展動態(tài)。
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