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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

隨著塑料管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，塑料管道系統(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、可與塑料管路一體化連接和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，塑料閥門在給水（尤其是熱水與采暖）和工業(yè)用其他流體的塑料管路系統(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(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，影響塑料管道應(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(duì)生產(chǎn)閥門所用原料進(jìn)行要求，其原料的生產(chǎn)廠家必須具有符合塑料管道產(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ISO15493:2003《工業(yè)用塑料管道系統(tǒng)—ABS、PVC-U和PVC-C—管材和管件系統(tǒng)規(guī)范—**部分：公制系列》和ISO15494:2003《工業(yè)用塑料管道系統(tǒng)—PB、PE和PP—管材和管件系統(tǒng)規(guī)范—**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*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*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.1Conditionforseatandpackingtests

試驗(yàn) 　　
*少測試時(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）*小試驗(yàn)壓力0.05MPa；

　　3）*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：*少試驗(yàn)時(shí)間15s，DN≥250：*少試驗(yàn)時(shí)間30s；

　　6）閥門公稱尺寸 DN≤50： *少試驗(yàn)時(shí)間15s，DN≥65： *少試驗(yàn)時(shí)間30s。

試驗(yàn)方法：按照ISO1167《流體輸送用熱塑性塑料管材耐內(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長期性能要求

1.5.1閥體試驗(yàn)和整體閥門長期性能試驗(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。

材 料 　　
*少測試時(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。

表2閥體試驗(yàn)的條件[3]

整體閥門長期性能試驗(yàn)條件見表3。

表3長期性能試驗(yàn)的條件[3]

Tab.3Conditionsforlong-termbehaviourtest

材料 *少測試時(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 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ISO1167《流體輸送用熱塑性塑料管材耐內(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)和整體閥門長期性能試驗(yàn)是將閥體和閥門按ISO12092《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)和整體閥門長期性能試驗(yàn)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(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*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.4Manualforce

　　
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**作力臂長度，單位（mm）；

F操作力，單位牛頓（N）；

FS*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ISO7-1或ISO228-1。

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.5Minimumvaluesforratingfactorfrforalifetimeup25years

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塑料管材與塑料閥門的公稱尺寸、公稱壓力標(biāo)注方式不一致。塑料管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；用于冷熱水的塑料管材不允許標(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EN12570:2000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(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(jì)應(yīng)力бs為5MPa，現(xiàn)在國際上一些原料的設(shè)計(jì)應(yīng)力бs已經(jīng)提高到6.3MPa或8MPa，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*小通徑?jīng)]有給出不同規(guī)格*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)品控制都按照國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，塑料閥門能夠滿足塑料管路的使用要求。

同時(shí)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(dòng)態(tài)。