家装冷热水管路系统用塑料闸阀设计

摘要：如何优化应用越来越广泛的家用冷热水塑料管路系统中比较常见的流量，压力损失，钙化问题，是我们该该领域从业者需要思考解决的。通过选材优化，设计对比改进，测试验证等多方法，我们提出家装冷热水管路中选用的塑料闸阀做了开发研究。

关键词：塑料阀门，缩径，全通径，密封，防钙化

前言

如今在民用，工业等领域，塑料制品由于自身具备的一些优异属性，如耐老化，寿命长，抗腐蚀，无析出杂质等，应用范围越来越广泛。本文主要是针对民用家装冷热水管路系统领域里较常使用的一款阀门，进行比较分析，展示一种塑料闸阀设计思路，以改善目前使用的阀门可能存在的一些问题。

正文

1家装冷热水管路使用现状

1.1.家装冷热水管路设计选型

从家装冷热水管路系统的选取说起。家装冷热水管路安装中，越来越多的使用到塑料管路系统，而塑料管路系统在我国尤以聚丙烯材质为主导。聚丙烯材料无毒无味，可直接用于家庭饮用水管路，同时还具备各种材料本身的性能优势，比如耐热性能好，耐腐蚀，不结垢，不易滋生细菌，重量轻，韧性好，阻力系数小，导热系数小，安装方便，以及使用寿命长（正常工况下使用寿命可达50年），这些对比金属材质管道的性能优势，都提升了聚丙烯塑料管道在家装用户中的普及率。同时选取的聚丙烯管道，应满足下述国家标准：

GB/T 18742-2017《冷熱水用聚丙烯管道系统》

GB/T50349-2005《建筑给水聚丙烯管道工程技术规范》

GB/T17219-1998 《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》

一般家用冷热水管路使用的管子管件根据家庭用水状况及用水点位，可以做如表1家用冷热水管路装修用料单规划。

1.2.阀门在家装冷热水管路中的应用

从上述家用冷热水管路装修用料清单中不难看出，阀门也是配料清单中不可缺少的一个部件。从传统的金属球阀，塑料球阀，塑料截止阀，塑料闸阀可以起到在指定安装点位的总开关控制的功能。目前城市中水表普遍设计安装在户外公共区域，通常该阀门的安装位置为入户前水表的前端或者后端作为入户总开关，为方便居民控制方便，也可以在水管入户后在进水管前端（比如厨房位置）再安装一个阀门作为总控制，这样可以更便利住户控制检修家庭管路。

1.3.常用家装冷热水阀门设计

针对不同阀门的选型使用，我们可以先简单的做一个阀门分类介绍。在家用冷热水管路中，我们所说的阀门主要从用途角度选型为截断阀类，主要用于截断或接通管路中的介质流，包含截止阀，闸阀，球阀等。（实用阀门设计手册，陆培文 主编，第四版）

上述几种常用的阀门，功能上都能满足入户截断控制的目的，同时在功能及使用感受上也会略有差异。

截止形结构阀门，阀门开关需要旋转手柄多圈以实现完全开启或完全密封的效果，即开关行程手感较长，并且截至形阀门控制左右流向会有行程湍流涡流的可能，且水流通过过程中也会产生缩径效果;

闸门形结构阀门，顾名思义阀门通过类似闸板的关闭件上下运动截断流通断面的水流，也有开关行程手感较长的缺点，但不易产生湍流死区，也可以做到全通径流通，减少水头损失;

球形结构阀门，通过中间有贯通孔的球体进行90度转动实现开关目的，优点就是可以通过转动手柄90度实现开合，缺点是也会产生缩颈，或者需要增大整个阀体结构来达到全通径设计。

1.4.常用家装冷热水阀门应用技术攻关要点

针对上述阀门的性能特点，我们从技术创新和解决阀门使用过程中存在的一些问题的角度出发，重点提出了几个需要解决的问题在新的阀门设计应用中予以攻关解决：

a）阀门与家用冷热水管路材质均一性的

b）实现不增大阀门体积情况下的全通径设计

c）可满足暗埋安装使用并能不破坏墙体更换配件

d）避免升降阀杆处可能接触水质造成的钙化作用，使阀门开关失效

2.阀门改良设计思路

2.1材料一致性约束

本文主要探讨的是家装冷热水管路系统中的塑料阀门，参照GB/T 18742-2017《冷热水用聚丙烯管道系统》，我们选取的管路系统材质为聚丙烯材料，所以需要设计的阀门材质也是围绕聚丙烯材料展开，以达到阀门与冷热水管路材质均一性的要求。同时根据我们长久以来在冷热水管路系统所用塑料材质及其他辅助材料，如密封材料，金属螺纹转接材料等。在整个阀门的材料选取需以聚丙烯材料为主体，密封材料选用符合饮用水卫生许可要求的EPDM材质，金属材料采用符合德国环保局认证的UBA认证可直接与饮用水质接触的材料——CW617N。Version vom 15. Marz 2017 unter Berucksichtigung der ersten und

zweiten Anderung

2.2全通径设计及暗埋安装

从经济性角度出发，为满足全通径设计要求而增大阀门体积的增大会造成材料使用增加，成本上升;从实用性角度出发，体积越大，所需的安装区域越大，在需要暗埋安装的点位需要的开槽的面积变大。所以保持同等管系列的外形尺寸的全通径设计是一个理想的设计框架要求。暗埋安装对阀门类产品属于比较挑战的一种安装，但考虑到美观性，也在某些地区被采用到。在使用过程中产生的漏损需要进行备件更换不进行破坏性拆除安装也是防患于未然的一种设计考虑。

2.3防钙化设计

传统金属材质管路长期使用后，容易锈蚀，钙化（图4），聚丙烯管路系统的引入有效的的缓解了锈蚀，钙化的情形。但不同地区的水质也是有所差异，在水质较硬的地区，聚丙烯管路输送水的过程中还是有可能在螺纹连接处，阀杆运动处长时间行程钙化层。对阀门来说，层积黏附在阀杆螺纹等需运动部位的钙化层，会直接影响到阀门的使用功能，进而导致开关失效，密封受损，甚至密封部位断裂（图5）。在设计改良的过程中，如何保留聚丙烯管路的天然优势，同时最大程度避免在易造成钙化部位的阀门失效是我们在设计制造过程中需要解决的问题。

3.阀门设计实现以及测试结果分析

3.1 阀门设计概念实现

确定好阀门需要重点解决的问题及设计思路以后，接下来就进入正式的头脑风暴设计概念及设计结果验证阶段了。 对材料的选取并没有太大的疑问，围绕着已经选定的主材聚丙烯，辅材EPDM密封圈，CW617材质铜质嵌件，我们已经解决了材料一致性的问题，只需在成品验证结算根据GB/T 18742-2017《冷热水用聚丙烯管道系统》做针对性的系统性测试就可以确认选材符合使用改良的预期。

全通径的阀门设计，从前文的阀门设计类型中可以看出，球阀和闸阀都可以满足该设计要求，但球阀需要增大整体阀门体积才能达到全通径要求，而闸阀在同等条件下只需要较小体积就可以实现该目标，因此我们设计团队选取了闸阀形式的阀门设计来满足此目标如图6所示阀门与连接管路焊接安装后，孔径与输送介质的管道内径无台阶变化，完美实现全通径需求。该设计主要包括带内螺纹铜质嵌件的阀体A，与阀体A螺纹互连的阀芯B，安装于B的手轮C，同时增设了可以可视化观察阀芯B开关状态的防护盖D。考虑到暗埋安装后，有可能需要更换配件的情況，我们也增设了阀盖保护套直接与阀体A装配，在需要更换阀芯密封组件的情况，可以在不破坏安装部位墙体的情况下，直接拆下手轮C后用司筒扳手整体拆掉阀芯B实现更换配件的目标。

比较挑战的另一个设计目标，防钙化。是在设计实现过程中争论比较多的地方。在设计示意中，密封件F指示的实际有3个密封零件组成，而通常采用较多的一类阀门阀杆在此处的密封设计多为一个或者两个o型圈，此类设计在阀门开关的过程中，随着固定的阀杆上的o型圈上下运动，会有水从阀门腔体进入到阀杆部位，经过较长时间的水质钙化后就容易在o型圈的下方行程钙化层，当在需要运动阀杆进行开关动作时，就容易对o型圈造成破坏甚至直接产生断裂。而该设计中，我们在两个o型圈下面加入了另一组不随阀杆上下运动的固定密封圈与两个o型圈一起组成密封件F，这样无论阀杆如何上下运动，水只会存在于阀门腔体，而不会进入到阀杆部位，也就会有效杜绝钙化层的产生。

上述设计要求在我们的最终设计里都被囊括，并因此申请了发明专利。专利申请号CN202010387388.0，专利公开日期2020.7.24. 发明人：雷文祺;张增伟;时依宁;梁昌霞;

3.2. 阀门测试结果分析

根据《冷热水用聚丙烯管道系统》GB/T 18742-2017中的要求，所开发之产品要做一系列的定型检验和系统适应性试验以确保产品质量可靠。

在开发过程中所进行的如表2所示的上述试验，以及测试结果都表明了该产品满足标准规定的性能指标要求。

3.3 阀门压力损失分析

通常kv系数来便捷计算阀门液压流量，对于阀门的内部阻力以及实际用途都可以认为是可靠的。我们以升/分钟为单位定义整个阀门压降为1bar的情况。 该压力损失可以通过Kv值根据下述公式计算得出。

通过上述公式，我们可以取该阀门系列中，以d20尺寸的阀门为例进行一下压力损失计算。通常家庭用水流速为1.5 l/S，等于5.4m3/h， 阀门开启状态的流动特性按照《实用设计手册阀门》表1-82中所示为53.6，可以计算阀门在40%开度的情况下该款阀门的压力损失为：

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

该数值也表明了阀门在输送介质较小的压力损失，体现出全通径阀门设计在流通性方面的优异表现。

结束语

传统的家装行业在持续发展的同时，也越来越多承载起人们对舒适生活的需求提升。这种需求不仅体现在现代化，智能化，智慧化的外在展现，也同样在普通居民不易看见的隐蔽工程部位需要有配套的提升。具体到家装冷热水管路系统中，本文中介绍分享的这款全通径塑料闸阀就是从入户管路的咽喉要点给出了一个更适宜的解决方案，也期望能为大家的美好家居生活贡献一些力量。

参考文献：

[1]《冷热水用聚丙烯管道系统》GB/T 18742-2017

[2]《建筑给水聚丙烯管道工程技术规范》GB/T50349-2005

[3]《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》GB/T17219-1998

[4]《实用阀门设计手册》，陆培文 主编，第四版，机械工业出版社

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

[6] 发明专利申请，申请号 202010387388， 申请公布号 CN111442102A