家裝冷熱水管路系統(tǒng)用塑料閘閥設計

摘要：如何優(yōu)化應用越來越廣泛的家用冷熱水塑料管路系統(tǒng)中比較常見的流量，壓力損失，鈣化問題，是我們該該領域從業(yè)者需要思考解決的。通過選材優(yōu)化，設計對比改進，測試驗證等多方法，我們提出家裝冷熱水管路中選用的塑料閘閥做了開發(fā)研究。

關鍵詞：塑料閥門，縮徑，全通徑，密封，防鈣化

前言

如今在民用，工業(yè)等領域，塑料制品由于自身具備的一些優(yōu)異屬性，如耐老化，壽命長，抗腐蝕，無析出雜質等，應用范圍越來越廣泛。本文主要是針對民用家裝冷熱水管路系統(tǒng)領域里較常使用的一款閥門，進行比較分析，展示一種塑料閘閥設計思路，以改善目前使用的閥門可能存在的一些問題。

正文

1家裝冷熱水管路使用現(xiàn)狀

1.1.家裝冷熱水管路設計選型

從家裝冷熱水管路系統(tǒng)的選取說起。家裝冷熱水管路安裝中，越來越多的使用到塑料管路系統(tǒng)，而塑料管路系統(tǒng)在我國尤以聚丙烯材質為主導。聚丙烯材料無毒無味，可直接用于家庭飲用水管路，同時還具備各種材料本身的性能優(yōu)勢，比如耐熱性能好，耐腐蝕，不結垢，不易滋生細菌，重量輕，韌性好，阻力系數(shù)小，導熱系數(shù)小，安裝方便，以及使用壽命長（正常工況下使用壽命可達50年），這些對比金屬材質管道的性能優(yōu)勢，都提升了聚丙烯塑料管道在家裝用戶中的普及率。同時選取的聚丙烯管道，應滿足下述國家標準：

GB/T 18742-2017《冷熱水用聚丙烯管道系統(tǒng)》

GB/T50349-2005《建筑給水聚丙烯管道工程技術規(guī)范》

GB/T17219-1998 《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準》

一般家用冷熱水管路使用的管子管件根據(jù)家庭用水狀況及用水點位，可以做如表1家用冷熱水管路裝修用料單規(guī)劃。

1.2.閥門在家裝冷熱水管路中的應用

從上述家用冷熱水管路裝修用料清單中不難看出，閥門也是配料清單中不可缺少的一個部件。從傳統(tǒng)的金屬球閥，塑料球閥，塑料截止閥，塑料閘閥可以起到在指定安裝點位的總開關控制的功能。目前城市中水表普遍設計安裝在戶外公共區(qū)域，通常該閥門的安裝位置為入戶前水表的前端或者后端作為入戶總開關，為方便居民控制方便，也可以在水管入戶后在進水管前端（比如廚房位置）再安裝一個閥門作為總控制，這樣可以更便利住戶控制檢修家庭管路。

1.3.常用家裝冷熱水閥門設計

針對不同閥門的選型使用，我們可以先簡單的做一個閥門分類介紹。在家用冷熱水管路中，我們所說的閥門主要從用途角度選型為截斷閥類，主要用于截斷或接通管路中的介質流，包含截止閥，閘閥，球閥等。（實用閥門設計手冊，陸培文 主編，第四版）

上述幾種常用的閥門，功能上都能滿足入戶截斷控制的目的，同時在功能及使用感受上也會略有差異。

截止形結構閥門，閥門開關需要旋轉手柄多圈以實現(xiàn)完全開啟或完全密封的效果，即開關行程手感較長，并且截至形閥門控制左右流向會有行程湍流渦流的可能，且水流通過過程中也會產生縮徑效果;

閘門形結構閥門，顧名思義閥門通過類似閘板的關閉件上下運動截斷流通斷面的水流，也有開關行程手感較長的缺點，但不易產生湍流死區(qū)，也可以做到全通徑流通，減少水頭損失;

球形結構閥門，通過中間有貫通孔的球體進行90度轉動實現(xiàn)開關目的，優(yōu)點就是可以通過轉動手柄90度實現(xiàn)開合，缺點是也會產生縮頸，或者需要增大整個閥體結構來達到全通徑設計。

1.4.常用家裝冷熱水閥門應用技術攻關要點

針對上述閥門的性能特點，我們從技術創(chuàng)新和解決閥門使用過程中存在的一些問題的角度出發(fā)，重點提出了幾個需要解決的問題在新的閥門設計應用中予以攻關解決：

a）閥門與家用冷熱水管路材質均一性的

b）實現(xiàn)不增大閥門體積情況下的全通徑設計

c）可滿足暗埋安裝使用并能不破壞墻體更換配件

d）避免升降閥桿處可能接觸水質造成的鈣化作用，使閥門開關失效

2.閥門改良設計思路

2.1材料一致性約束

本文主要探討的是家裝冷熱水管路系統(tǒng)中的塑料閥門，參照GB/T 18742-2017《冷熱水用聚丙烯管道系統(tǒng)》，我們選取的管路系統(tǒng)材質為聚丙烯材料，所以需要設計的閥門材質也是圍繞聚丙烯材料展開，以達到閥門與冷熱水管路材質均一性的要求。同時根據(jù)我們長久以來在冷熱水管路系統(tǒng)所用塑料材質及其他輔助材料，如密封材料，金屬螺紋轉接材料等。在整個閥門的材料選取需以聚丙烯材料為主體，密封材料選用符合飲用水衛(wèi)生許可要求的EPDM材質，金屬材料采用符合德國環(huán)保局認證的UBA認證可直接與飲用水質接觸的材料——CW617N。Version vom 15. Marz 2017 unter Berucksichtigung der ersten und

zweiten Anderung

2.2全通徑設計及暗埋安裝

從經濟性角度出發(fā)，為滿足全通徑設計要求而增大閥門體積的增大會造成材料使用增加，成本上升;從實用性角度出發(fā)，體積越大，所需的安裝區(qū)域越大，在需要暗埋安裝的點位需要的開槽的面積變大。所以保持同等管系列的外形尺寸的全通徑設計是一個理想的設計框架要求。暗埋安裝對閥門類產品屬于比較挑戰(zhàn)的一種安裝，但考慮到美觀性，也在某些地區(qū)被采用到。在使用過程中產生的漏損需要進行備件更換不進行破壞性拆除安裝也是防患于未然的一種設計考慮。

2.3防鈣化設計

傳統(tǒng)金屬材質管路長期使用后，容易銹蝕，鈣化（圖4），聚丙烯管路系統(tǒng)的引入有效的的緩解了銹蝕，鈣化的情形。但不同地區(qū)的水質也是有所差異，在水質較硬的地區(qū)，聚丙烯管路輸送水的過程中還是有可能在螺紋連接處，閥桿運動處長時間行程鈣化層。對閥門來說，層積黏附在閥桿螺紋等需運動部位的鈣化層，會直接影響到閥門的使用功能，進而導致開關失效，密封受損，甚至密封部位斷裂（圖5）。在設計改良的過程中，如何保留聚丙烯管路的天然優(yōu)勢，同時最大程度避免在易造成鈣化部位的閥門失效是我們在設計制造過程中需要解決的問題。

3.閥門設計實現(xiàn)以及測試結果分析

3.1 閥門設計概念實現(xiàn)

確定好閥門需要重點解決的問題及設計思路以后，接下來就進入正式的頭腦風暴設計概念及設計結果驗證階段了。 對材料的選取并沒有太大的疑問，圍繞著已經選定的主材聚丙烯，輔材EPDM密封圈，CW617材質銅質嵌件，我們已經解決了材料一致性的問題，只需在成品驗證結算根據(jù)GB/T 18742-2017《冷熱水用聚丙烯管道系統(tǒng)》做針對性的系統(tǒng)性測試就可以確認選材符合使用改良的預期。

全通徑的閥門設計，從前文的閥門設計類型中可以看出，球閥和閘閥都可以滿足該設計要求，但球閥需要增大整體閥門體積才能達到全通徑要求，而閘閥在同等條件下只需要較小體積就可以實現(xiàn)該目標，因此我們設計團隊選取了閘閥形式的閥門設計來滿足此目標如圖6所示閥門與連接管路焊接安裝后，孔徑與輸送介質的管道內徑無臺階變化，完美實現(xiàn)全通徑需求。該設計主要包括帶內螺紋銅質嵌件的閥體A，與閥體A螺紋互連的閥芯B，安裝于B的手輪C，同時增設了可以可視化觀察閥芯B開關狀態(tài)的防護蓋D。考慮到暗埋安裝后，有可能需要更換配件的情況，我們也增設了閥蓋保護套直接與閥體A裝配，在需要更換閥芯密封組件的情況，可以在不破壞安裝部位墻體的情況下，直接拆下手輪C后用司筒扳手整體拆掉閥芯B實現(xiàn)更換配件的目標。

比較挑戰(zhàn)的另一個設計目標，防鈣化。是在設計實現(xiàn)過程中爭論比較多的地方。在設計示意中，密封件F指示的實際有3個密封零件組成，而通常采用較多的一類閥門閥桿在此處的密封設計多為一個或者兩個o型圈，此類設計在閥門開關的過程中，隨著固定的閥桿上的o型圈上下運動，會有水從閥門腔體進入到閥桿部位，經過較長時間的水質鈣化后就容易在o型圈的下方行程鈣化層，當在需要運動閥桿進行開關動作時，就容易對o型圈造成破壞甚至直接產生斷裂。而該設計中，我們在兩個o型圈下面加入了另一組不隨閥桿上下運動的固定密封圈與兩個o型圈一起組成密封件F，這樣無論閥桿如何上下運動，水只會存在于閥門腔體，而不會進入到閥桿部位，也就會有效杜絕鈣化層的產生。

上述設計要求在我們的最終設計里都被囊括，并因此申請了發(fā)明專利。專利申請?zhí)朇N202010387388.0，專利公開日期2020.7.24. 發(fā)明人：雷文祺;張增偉;時依寧;梁昌霞;

3.2. 閥門測試結果分析

根據(jù)《冷熱水用聚丙烯管道系統(tǒng)》GB/T 18742-2017中的要求，所開發(fā)之產品要做一系列的定型檢驗和系統(tǒng)適應性試驗以確保產品質量可靠。

在開發(fā)過程中所進行的如表2所示的上述試驗，以及測試結果都表明了該產品滿足標準規(guī)定的性能指標要求。

3.3 閥門壓力損失分析

通常kv系數(shù)來便捷計算閥門液壓流量，對于閥門的內部阻力以及實際用途都可以認為是可靠的。我們以升/分鐘為單位定義整個閥門壓降為1bar的情況。 該壓力損失可以通過Kv值根據(jù)下述公式計算得出。

通過上述公式，我們可以取該閥門系列中，以d20尺寸的閥門為例進行一下壓力損失計算。通常家庭用水流速為1.5 l/S，等于5.4m3/h， 閥門開啟狀態(tài)的流動特性按照《實用設計手冊閥門》表1-82中所示為53.6，可以計算閥門在40%開度的情況下該款閥門的壓力損失為：

ΔPAr=（5.4/0.5·53.6）2·1000/1000=0.041 bar

該數(shù)值也表明了閥門在輸送介質較小的壓力損失，體現(xiàn)出全通徑閥門設計在流通性方面的優(yōu)異表現(xiàn)。

結束語

傳統(tǒng)的家裝行業(yè)在持續(xù)發(fā)展的同時，也越來越多承載起人們對舒適生活的需求提升。這種需求不僅體現(xiàn)在現(xiàn)代化，智能化，智慧化的外在展現(xiàn)，也同樣在普通居民不易看見的隱蔽工程部位需要有配套的提升。具體到家裝冷熱水管路系統(tǒng)中，本文中介紹分享的這款全通徑塑料閘閥就是從入戶管路的咽喉要點給出了一個更適宜的解決方案，也期望能為大家的美好家居生活貢獻一些力量。

參考文獻：

[1]《冷熱水用聚丙烯管道系統(tǒng)》GB/T 18742-2017

[2]《建筑給水聚丙烯管道工程技術規(guī)范》GB/T50349-2005

[3]《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準》GB/T17219-1998

[4]《實用閥門設計手冊》，陸培文 主編，第四版，機械工業(yè)出版社

[5] Bewertungsgrundlage für metallene Werkstoffe im Kontakt mit Trinkwasser （Metall-Bewertungsgrundlage）， Version vom 15. Marz 2017

[6] 發(fā)明專利申請，申請?zhí)?202010387388， 申請公布號 CN111442102A