摘要：通过对国际塑料阀门产品和试验方法的标准中原料要求、设计要求、制造要求、性能要求、试验方法、系统应用要求和使用压力与温度的关系等内容介绍，可以了解对塑料阀门所需要的密封试验、扭矩实验和疲劳强度试验等基本质量控制的要求。以表格的形式汇总了塑料阀门产品所需性能要求的阀座密封试验、阀体密封试验、阀体强度试验、阀门长期试验、疲劳强度试验和操作扭矩的规定。通过对国际标准出现几个问题的探讨，使塑料阀门的生产者和使用者引起关注。
关键词：塑料阀门 使用寿命 密封试验 疲劳强度试验 试验条件
随着路在冷热给水和工业管道工程应用中所占比例的不断提高，道系统中塑料阀门的质量控制越来越显得尤其重要。
由于塑料阀门所具有的质量轻、耐腐蚀、不吸附水垢、可与路一体化连接和使用寿命长等优点，塑料阀门在给水（尤其是热水与采暖）和工业用其他流体的路系统中，其应用方面的优势是其他阀门无法相比的。目前在国内塑料阀门的生产与应用中，还没有可靠的方法对其控制，造成给水和工业用其他流体的塑料阀门产品质量参差不齐，在工程应用中造成关闭不严和渗漏现象严重，形成了一种塑料阀门不能使用的言论，影响道应用的整体发展。我国塑料阀门的国家标准正在制定过程中，其产品标准和方法标准均根据国际标准而制定。
国际上塑料阀门的类型主要有球阀、蝶阀、止回阀、隔膜阀、闸阀和截止阀等，结构形式主要有两通、三通和多通阀门，原料主要有ABS、PVC-U、PVC-C、PB、PE、PP和PVDF等。
在塑料阀门产品的国际标准中，首先是对生产阀门所用原料进行要求，其原料的生产厂家必须具有符合道产品标准的蠕变破坏曲线[1]；同时对塑料阀门的密封试验、阀体试验、整体阀门的长期性能试验、疲劳强度试验和操作扭矩等都进行了规定，给出了用于工业输送流体的塑料阀门的设计使用寿命为25年的要求[2]。
1 国际标准的主要技术要求
1.1 原料要求
阀体、阀帽和阀盖的材料应选用符合ISO 15493:2003《工业用道系统—ABS、PVC-U和PVC-C—管材和管件系统规范—第一部分：公制系列》和ISO 15494:2003《工业用道系统—PB、PE和PP—管材和管件系统规范—第一部分：公制系列》的规定。
1.2 设计要求
a）如果阀门仅有一个承压方向，应在阀体外部用箭头标注，对称设计的阀门应适合于流体双向流动和隔离。
b）密封部件由阀杆带动进行阀门的启闭动作，应在终点或中间任一位置靠摩擦力或执行装置进行定位，流体压力不能将其位置变动。
c）根据EN736-3，阀门内腔最小通孔应符合以下两点：
— 对于阀门上介质流通的任一孔径，都不应小于阀门DN值的90％；
— 对于在结构上需要缩小介质流通孔径的阀门，制造者应说明其实际最小通孔。
d）阀杆与阀体之间的密封应符合EN736-3。
e) 在阀门耐磨性能方面，阀门的设计应考虑磨损部件的使用寿命，或者生产商应在操作指导书中注明更换整个阀门的建议。
f）所有阀门操作装置所适用的流速应达到3m/s。
g）从阀门的上方看，阀门的手柄或手轮应为顺时针方向关闭阀门。
1.3 制造要求
a) 购进原料的性能应与原料生产厂家的说明书相符，并符合产品标准要求。
b) 阀体上应标注出所用原料代号、通径DN、公称压力PN。
c）阀体应标注出生产者厂名或商标。
d）阀体应标注出生产日期或代号。
e）阀体应标注出生产者不同生产地点的代号。
1.4 短期性能要求
短期性能在产品标准中是属于出厂检验项目，主要是做阀座的密封试验与阀体的密封试验，用于检查塑料阀门的密封性能，要求塑料阀门即不能有内泄漏（阀座泄漏）现象，也不能有外泄漏（阀体泄漏）现象。
阀座的密封试验是验证阀门隔离管道系统的性能；阀体的密封实验是验证阀门阀杆密封处和阀门各连接端密封处的泄漏情况。
试验条件见表1。
表 1 阀座和阀体试验的条件[3]
Tab.1 Condition for seat and packing tests
| 试验
|
最少测试时间/s
|
试验压力/MPa
|
温度/ ℃
|
试验介质·内部
|
试验介质·外部
|
| 阀座试验（阀门关闭）1）
|
60
|
0.052）
|
20±2
|
空气
|
水
|
| 5)
|
1.1×PN3)
|
20±2
|
水4）
|
空气
|
|
| 密封试验（阀门打开）
|
6)
|
1.5×PN3）
|
20±2
|
水4）
|
空气
|
注：1）根据有关产品扭矩的规定开关阀门； 2）最小试验压力0.05MPa； 3）最大试验压力（PN＋0.5）MPa； 4）或内部是空气外部是水时压力为（0.6±0.1）MPa； 5）阀门公称尺寸 DN≤200：最少试验时间15s，DN≥250：最少试验时间30s； 6）阀门公称尺寸 DN≤50： 最少试验时间15s，DN≥65： 最少试验时间30s。 |
|||||
试验方法：按照 ISO 1167《流体输送用热塑性材 耐内压试验方法》的规定进行。做阀座的密封实验时阀门应处于全关状态；做阀体的密封试验时应使阀门处于全开位置或半开位置（例如球阀），半开时应能使流体进入阀杆密封位置。对于单向密封的阀门，只做一个方向的阀座密封试验；而双向密封的阀门，则两个方向的阀座密封试验都需要做。试验时要求排净阀门试样中的空气，逐渐升高试验压力，30s内达到规定的压力。
应注意，试验过程中试验装置不能对阀门产生额外的应力。如果以空气作为试验介质时，必须采取针对压缩气体的安全措施。
1.5 长期性能要求
1.5.1 阀体试验和整体阀门长期性能试验在产品标准中属于型式检验项目，阀体试验用于验证阀体的强度，整体阀门长期性能试验用于验证塑料阀门设计的整体可靠性。
阀体试验条件见表2。
表2 阀体试验的条件[3]
Tab.2 Conditions for shell test
| 材 料
|
最少测试时间/h
|
试验压力Pt1）/MPa
|
设计应力/бs1）
|
温度/ ℃
|
试验介质·内部
|
试验介质·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 水或空气
|
| 1 1000
|
3.2×PN 0.52×PN
|
5
|
20±2 95±2
|
水 水
|
水 水或空气
|
|
| 1 1000
|
3.2×PN 0.7×PN
|
5
|
20±2 95±2
|
水 水
|
水 水或空气
|
|
| 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
|
水或空气
|
注：1） 压力Pt的计算公式如下： Pt= PN×бt/бs 式中：бt — 试验应力； бs — 设计应力。 |
||||||
整体阀门长期性能试验条件见表3。
表3 长期性能试验的条件[3]
Tab.3 Conditions for long-term behaviour test
材料
|
最少测试时间/h
|
试验压力Pt/MPa
|
温度 /℃
|
试验介质·内部
|
试验介质·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：对于隔膜阀，除PVC-U和PVC-UH（1.3×PN）、PVDF（1.45×PN）以外其他材料的阀门的试验压力均为1.5×PN。 |
|||||
试验方法：按照ISO 1167《流体输送用热塑性材 耐内压试验方法》的规定进行。阀体试验和整体阀门长期性能试验时要求排净阀门试样中的空气，逐渐升高试验压力，30s内达到规定压力，试验过程中试验装置不能对阀门产生额外的应力。
1.5.2 阀体试验和整体阀门长期性能试验是将阀体和阀门按ISO 12092《无增塑聚氯乙烯（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、管件和阀门系统—耐内压—试验方法》的要求装配后，进行试验。
1.5.3 在阀体试验和整体阀门长期性能试验测试过程中，试样没有出现泄漏或破裂现象，则判定试验合格。试样在试验结束前出现泄漏或破裂现象，则判定试验不合格。如果在连接处出现问题，则判定试验无效，需要重新取试样测试。
1.6 系统应用的要求
1.6.1 疲劳强度试验[4]
阀门应在下列状态进行开与关的疲劳强度试验：
a) 试验介质为水，在阀门输入端压力为公称压力PN和温度为（20±3）℃的条件下；
b) 把阀门全开，使水的流速达到（1±0.2）m/s；
c) 把阀门关闭，输出端压力为大气压；
d) 接着把阀门全开，使水的流速达到（1±0.2）m/s；
e) 循环不少于5000次。
试验方法应符合标准规定,疲劳强度试验后所有功能部分应保持完好，还能满足短期性能的密封试验要求。
1.6.2 扭矩试验[5]
手动阀门应在公称压力和室温条件下，按标准规定状态调节后进行操作扭矩试验，并给出阀门全开或全关的最大允许操作扭矩数值。此项数值受部件的加工精度与装配的影响波动较大。
1.6.3 操作允许作用力的要求
塑料阀门的手柄或圆手轮的全开与全关的作用力，不能超过表4给出的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 手柄或手轮操作力臂长度，单位（mm）；
F 操作力，单位牛顿（N）；
FS 最大操作力，单位牛顿（N）。
1.6.4 连接尺寸
a) 端面-端面尺寸
法兰连接系统用阀门的端面-端面尺寸应从下列标准中选取：
—PN设计的法兰参见EN558-1；
—Class设计的法兰参见EN558-2。
其他类型的连接端头，应由生产商确定端面-端面尺寸。
b) 阀门连接端尺寸
法兰连接阀门的连接尺寸应符合以下标准：
—PN设计的法兰参见EN1092-1；
—Class设计的法兰参见prEN1759-1:1997。
阀门连接端的螺纹尺寸应符合ISO 7-1或ISO 228-1。
1.6.5 塑料阀门与管路系统连接的方式有
对焊连接：阀门连接部位的外径与管材的外径相等，阀门连接部位端面与管材的端面相对进行焊接；
插口粘结连接：阀门连接部位为插口形式，与管件进行粘结连接；
电熔承口连接：阀门连接部位为内径敷设电热丝的承口形式，与管材进行电熔连接；
承口热熔连接：阀门连接部位为承口形式，与管材进行热熔承插连接；
承口粘结连接：阀门连接部位为承口形式，与管材进行粘结承插连接；
承口橡胶密封圈连接：阀门连接部位为内镶橡胶密封圈的承口形式，与管材进行承插连接；
法兰连接：阀门连接部位为法兰形式，与管材上的法兰进行连接；
螺纹连接：阀门连接部位为螺纹形式，与管材或管件上的螺纹进行连接；
活接连接：阀门连接部位为活接形式，与管材或管件进行连接。
一个阀门上可以同时具有不同的连接方式。
1.7 使用压力与温度的关系
随着使用温度的提高，塑料阀门的使用寿命要缩短。要想保持相同的使用寿命，就需要降低使用压力。表5给出了阀体材料的温度等级系数fr。
表5 使用寿命25年的等级系数fr[2]
Tab.5 Minimum values for rating factor fr for a lifetime up 25 years
温度/℃
|
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：这些等级系数fr与管材、管件其他相关的折减系数不一致。
|
||||||
a: 此等级系数应由制造者给出。
|
||||||
1.8 公称压力PN的计算：
PN=бs/S
式中 бs— 设计应力，单位MPa
S — 与阀门连接管材的管系列
PN— 公称压力，单位MPa
2 问题探讨
2.1 材与塑料阀门的公称尺寸、公称压力标注方式不一致。材的公称尺寸用公称外径dn表示，塑料阀门的公称尺寸用公称通径DN表示；用于冷热水的材不允许标注公称压力PN，标注管系列S根据使用条件级别选择使用压力，而塑料阀门则标注公称压力PN，用温度等级系数fr来选择使用温度。此处需要注意。
2.2 在EN 12570:2000中操作扭矩规定的要求太低，因阀门的扭矩越大阀座磨损越大，使用寿命越短。国内已经作过扭矩试验的厂家的塑料阀门，手柄尺寸小于100的扭矩仅为3N·m左右，相当于操作力仅为30N左右，远低于标准要求250N的数值。是否可以提高指标，还需要增加不同厂家产品的验证。
2.3 在标准中没有规定不同规格阀门扭矩的大小，仅给出手柄长度（或手轮直径）与作用力的要求，是不能保证阀门产品扭矩质量的，因为生产者可以用加长手柄长度（或手轮直径）的方法使不合格品变为合格品。
2.4 表2中的PP-R设计应力бs为5MPa，现在国际上一些原料的设计应力бs已经提高到6.3 MPa或8 MPa，在设计强度上的选择相对其他原料品种而言有些保守。
2.5 缩径阀门的最小通径没有给出不同规格最小尺寸的定量要求，仅要求生产厂家标明。这就使得一些厂家阀门缩径过多的产品相对同规格产品就显得结构紧凑，但会造成管路系统局部阻力增大。
2.6 标准中给出了用于工业输送流体的塑料阀门的设计使用寿命为25年的要求，并没有给出用于生活给水系统的设计使用寿命时间。
3 结论
只要选择原料和产品控制都按照国际标准规定进行，塑料阀门完全能够满足路的使用要求。
同时国际标准中也存在一些不合适之处，需要关注其发展动态。
参考文献：
[1] ISO 15493:2003, Plastics piping systems for industrial applications—Acrylonitrile-butadiene-styrene（ABS）, unplasticized poly（vinyl chloride）（PVC-U）and chlorinated poly（vinyl chloride）（PVC-C）—Specifications for components and the system—Metric series.
ISO 15494:2003, Plastics piping systems for industrial applications—Polybutene（PB）, polyethylene（PE）and polypropylene（PP）—Specifications for components and the system—Metric series.
[2] ISO/DIS 16135.2:2004, Industrial valves—Ball valves of thermoplastic materials.
ISO/DIS 16136.2:2004, Industrial valves—Butterfly valves of thermoplastic materials.
ISO/DIS 16137.2:2004, Industrial valves—Check valves of thermoplastic materials.
ISO/DIS 16138.2:2004, Industrial valves—Diaphragm valves of thermoplastic materials.
ISO/DIS 16139.2:2004, Industrial valves—Gate valves of thermoplastic materials.
ISO/DIS 21787.2:2004, Industrial valves—Globe valves of thermoplastic materials.
[3] ISO 9393-2:1997,Thermoplastics valves—Pressure test methods and requirements—Part 2: Test conditions and basic requirements for PE, PP, PVC-U and PVDF valves.
[4] ISO 8659:1989, Thermoplastics valves—Fatigue strength—Test method.
[5] ISO 8233:1988, Thermoplastics valves—Torque—Test method.
[6] EN 12570:2000, Industrial valves—Method for sizing the operating element.