论文部分内容阅读
摘要：本文简述洁净气体灭火系统分类及容器阀功能，说明容器阀为气体灭火系统关键部件;对消防标准上关于阀门性能要求进行介绍，从开发、材料、工艺、测试认证、资料多方面列出质量保障关键要素。借鉴欧美高性能气体灭火系统容器阀研究，从研发流程到制造工艺进行研究分析?基于国际气体消防产品标准对容器阀部分的更合理的性能要求，提出GB标准规范修订建议。
关键词：消防;气体灭火;容器阀;FMEA
气体灭火技术全球1929年开始使用;伴随环保及安全要求提升，洁净气体消防现被大量推广应用。气体灭火原理：化学方式抑制燃烧链式反应或采用物理窒息，灭火高效，二次污染小;全球广为采用的洁净气体灭火剂包括：HFC-125?HFC-23?HFC-227?FK5112?IG541?IG55?IG01?IG100?CO2。
气体灭火设备主要包括：容器阀、压力容器（钢瓶）、安全阀、选择阀、单向阀、管道、喷头等。容器阀安装在储存灭火剂的压力容器上，平常密封容器内灭火剂，要求承压安全可靠，尽可能无泄漏;灭火时阀门开启，释放灭火剂到喷放管路。容器阀是消防系统源头，其功能决定它是气体灭火系统最核心部件。我国及国际气体灭火系统产品标准中，对容器阀提出性能要求，其中以欧盟TPED、德国VDS及美国UL/FM标准要求较为严格。
容器阀相关性能测试要求包括：水压?气密;循环操作可靠性;年泄漏;泄压能力;超压试验;极限高低温测试;局部阻力损失;耐腐蚀性能;高流量喷射完整性;振动测试。对应灭火剂特性?压力等级?喷放要求?启动方式不同，各系统容器阀结构不完全相同。关于容器阀性能要求章节一直是国内外各种认证标准中重要部分;安全可靠、动作有效的容器阀始终是消防专业人士追求。笔者基于多年消防研发及国际认证经验，归纳整理容器阀质量保证要点，旨在抛砖引玉，让消防系统更安全可靠。
一、容器阀质量保障
（一）开发设计
容器阀质量保障关键要素在于设计，下面几条在研发阶段需要重点关注：
1.设计输入。研发阶段要定义好以下几个输入：
标准及法律法规（TRS），相应条款的要求是产品最基本要求;
竞争对手样品研究，此项为产品改善创新的方向;
目标客户要求，这是定制化必备的输入条件;
产品实现工艺条件，此为产品实现的基础，考虑到产品实现，工艺手段会决定部分结构设计;
专利分析，此为双刃剑：尊重知识产权，借鉴学习别人专利，开拓思路;自主创新设计，可申请专利保护。
2.设计手段。采用计算机辅助设计，3D建模;设计方案工艺、技术、质量工程师综合评审分析;采用有限元定性有效改善优化设计。
3.FMEA。在设计及工艺阶段进行失效模式（FMEA）分析，针对阀门密封、动作、防腐等功能要求，对可能失效的地方进行分析，找出风险系数RPN值高的项目，在结构及工艺上进行充分改善。RPN是事件发生严重度、频度和探测度三者得分之积，其数值愈大潜在问题愈严重，用来衡量潜在可能发生的失效，以便采取预防措施减少风险，使产品更加可靠。那些最受关注和风险程度最高的环节必须采取矫正措施。
4.结构设计。包括有效通径、壁厚、螺纹、密封结构的确定。
有效通径，该尺寸和气体灭火标准要求的喷射时间及配套最大压力容器容积、充装率密切相关，需要计算确定，最终要采用试验确认。
壁厚，阀门最小壁厚有两个常用公式。t=PxDn/[2x[δL]-P]+C，是按照第一强度理论建立的，适用于脆性材料;t=PxDn/[2.3x[δL]-P]+C，按第四强度理论建立，适用于塑性材料。P为工作压力，Dn设计给定最大内径，δL阀体材料许用应力，C为厚度裕量。
螺纹，进口和配套压力容器匹配，出口和软管螺纹匹配，驱动螺纹要和电动、气动、手动执行机构螺纹匹配。电动执行机构要考虑有防爆可选配置（部分工业消防例如石化领域的应用会有防爆要求）;螺纹强度要进行校核，包括螺纹抗挤压、抗剪切、抗弯曲强度计算校核。
主阀密封结构按照密封原理有两大类：强制密封和自紧密封;强制密封常用于低压中压及中小尺寸阀门;自紧密封有差压或正压式;容器阀国际趋势是差压或正压式，特点是介质压力愈高，工作密封比压愈高，密封性能愈好;主阀座的密封结构要保证计算比压介于必须比压和许用比压之间;必须比压和许用比压可以查资料得到;计算比压q的计算公式：q=Qz/[πx（d+bm）xbm）];Qz=π/4x（Dn2+d2）xP
Qz 为系统背压，N;bm阀芯密封面宽度，mm;Dn 阀芯上表面直径，mm;d阀芯下表面直径，mm;
密封圈选择要符合标准及供应商产品系列，沟槽尺寸及公差按国家标准执行;径向密封的密封圈安装孔要有导向倒角。
阀门夹持安装部位要設计在靠近钢瓶连接螺纹，减少阀门安装夹持力及安装扭力对其内部结构尺寸的影响。
（二）材料
阀体材料要求强度高，防腐性能好，标准要求为铜或不锈钢;国际上采用高强度耐腐蚀黄铜合金，材料成分中除了有铜、锌、铅、铁、镍之外，还有锰、铝和锡。锰提高黄铜耐蚀性、热稳定性及强度;铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低;锡能提高黄铜强度和对海水的耐腐性。这三种元素综合提升铜合金强度及耐腐蚀能力，改善锻造流动性机机加工性能。高防腐要求的环境，铜材外表面镀镍;不锈钢一般采用SS304，用于海洋防腐采用SS316。
聚合物材料和非金属零件，国际认证例如UL/FM检测要单独送样，保证对灭火剂的兼容及满足年泄露测试要求;密封件要根据密封介质/使用温度，选用不同材料;一般国际气体容器阀阀门采用密封材料EPDM;硬度根据工作压力不同选用不同：10MPa以下可以采用邵氏硬度75±5，10～30MPa采用80±5;30MPa以上采用90±5;另外，高压阀门根据需要增加密封圈挡圈。 润滑脂有效降低摩擦和磨损，提高金属组件和密封橡胶的滑动和密封性能。其选择要考虑与阀体材料（铜合金或不锈钢）及塑料和密封圈相容性好，兼容密封介质，工作压力及使用温度适宜。一般以硅油为基础，可以选用国际知名公司产品。储存及使用中特别注意防潮，防尘，防高温。
（三）工艺
阀体毛坯采用锻造，锻造是在高温下用模具挤压的方法成型，可细化制件内晶粒。锻造模具分型面设置要保证流动性好，尺寸稳定;锻打时锻坯预热应均匀，温度适宜。锻打的阀体部件要严格执行去应力退火或光亮退火工艺，推荐光亮退火，保证应力释放，表面质量高。光亮退火主要是在密闭空间加热退火后让温度在密闭空间缓慢降温300度，保温1小时，再自然冷却便会有光辉度以至不造成脱碳情形产生。注意保护气体中应不含硫，退火前零部件需要认真清洗，表面不应残留油污或脏物。普通退火时加热和冷却发生氧化、脱碳作用。
机加工采用数控，保证尺寸精度及一致性;阀体动密封配合表面粗糙度要达到Ra0.4;密封圈沟槽要达到Ra0.8。所有机加工后的涉及密封部分的部件，要安排超声波清洗去毛刺处理，保证密封效果。
装配采用专用设备或工装，螺纹部位安装力矩要严格控制。不需要拆卸的地方要使用螺纹锁固胶。需要调整后锁定，且不希望使用中被调整的地方要点胶标识或铅封。
（四）测试及认证
极限高、低温分别30天实验，瓶阀组件（包含容器阀，压力容器和驱动装置）充装灭火剂后，在极限最大最小存储温度下各保持30天，不允许出现泄露量超过最小充装重量的年允许泄漏量1/12 ;不得有腐蚀情况及弹性元件退化或分解。
工作压力下，循环500次启动操作测试，没有故障和损坏。
年泄露实验，UL/FM标准有年泄露测试;瓶阀组件包括驱动装置，每个试样应在 0、3、6、9和12个月时测量重量，精确到单位克，一年的泄露量不超过最小充装重量的相应比例，并且接触药剂的元件无腐蚀现象。另外要说明钢瓶压力容器是直立还是水平卧倒测试，为运输及安装方式提供依据。
膜片泄压实验，美标有此要求。此实验是檢验灭火装置安全膜片结构和尺寸在压力容器规格极限范围能满足有效泄放量，确保容器安全。
容器阀消防认证有多种，可按GB标准型式检验;CCS或DNVGL等船级社认证;美国UL或FM认证;德国VDS认证;英国LPCB;欧盟TPED认证等。
（五）资料
1.数据页。容器阀数据页至少要涉及以下信息：阀工作压力、温度范围、有效通径;主阀材料;进口、出口、虹吸管、驱动接口螺纹规格;爆破膜片压力;可以配接手动、气动（最小驱动压力）、电动驱动装置规格型号。
2.说明书及维保手册。这个主要包括以下内容：产品功能，适用系统;在70℉（21℃）时的操作压力;适用温度范围、充装密度范围涉及的压力和温度;零部件详细的描述和操作，包括零部件的型号;所用管接件的类型和设定;推荐正确的安装和有效的防护;具体安装内容;操作说明和指令，当某种操作禁用或不可用，要有警告陈述;安装后要检查的信息。
操作后重新充装具体信息应包括：必要警告和注意事项;对充装服务设备接口的描述;充装服务流程的描述;含有所有可替换部件的清单;必要的维护说明。
二、结语
综上所述，容器阀对于气体灭火系统的重要性不言而喻，其性能验证要求是质量保证的基础，应在标准中合理体现。国际标准有些值得我们学习借鉴的条款：年泄露测试，30天高温及30天低温密封测试，500次循环动作测试。这三项测试能校验阀门待机及动作是否安全可靠。建议国家标准紧跟国际标准要求，适时修订更新，为消防设计人员更合理的开发产品提供依据。
参考文献：
NFPA 2001-2018.洁净剂灭火系统标准[S].
FM 5600-2013.洁净灭火剂灭火系统认可标准[S].
UL 2166-2017.卤碳灭火剂灭火系统装置[S].
UL 2127-2017.气体灭火剂灭火系统装置[S].
杨源泉，阀门设计手册[M].机械工业出版社，1992.
机械工程师手册[M].机械工业出版社，2007.
GB 25972-2010.气体灭火系统及部件[S].
作者简介：
杨慧红（1978.10—），女，福建人，南京消防器材股份有限公司设计室主管，本科学历，工程师，长期从事消防产品研发及应用。产品曾获得中国消防协会科技创新三等奖，江苏机械工业科技进步一等奖。
关键词：消防;气体灭火;容器阀;FMEA
气体灭火技术全球1929年开始使用;伴随环保及安全要求提升，洁净气体消防现被大量推广应用。气体灭火原理：化学方式抑制燃烧链式反应或采用物理窒息，灭火高效，二次污染小;全球广为采用的洁净气体灭火剂包括：HFC-125?HFC-23?HFC-227?FK5112?IG541?IG55?IG01?IG100?CO2。
气体灭火设备主要包括：容器阀、压力容器（钢瓶）、安全阀、选择阀、单向阀、管道、喷头等。容器阀安装在储存灭火剂的压力容器上，平常密封容器内灭火剂，要求承压安全可靠，尽可能无泄漏;灭火时阀门开启，释放灭火剂到喷放管路。容器阀是消防系统源头，其功能决定它是气体灭火系统最核心部件。我国及国际气体灭火系统产品标准中，对容器阀提出性能要求，其中以欧盟TPED、德国VDS及美国UL/FM标准要求较为严格。
容器阀相关性能测试要求包括：水压?气密;循环操作可靠性;年泄漏;泄压能力;超压试验;极限高低温测试;局部阻力损失;耐腐蚀性能;高流量喷射完整性;振动测试。对应灭火剂特性?压力等级?喷放要求?启动方式不同，各系统容器阀结构不完全相同。关于容器阀性能要求章节一直是国内外各种认证标准中重要部分;安全可靠、动作有效的容器阀始终是消防专业人士追求。笔者基于多年消防研发及国际认证经验，归纳整理容器阀质量保证要点，旨在抛砖引玉，让消防系统更安全可靠。
一、容器阀质量保障
（一）开发设计
容器阀质量保障关键要素在于设计，下面几条在研发阶段需要重点关注：
1.设计输入。研发阶段要定义好以下几个输入：
标准及法律法规（TRS），相应条款的要求是产品最基本要求;
竞争对手样品研究，此项为产品改善创新的方向;
目标客户要求，这是定制化必备的输入条件;
产品实现工艺条件，此为产品实现的基础，考虑到产品实现，工艺手段会决定部分结构设计;
专利分析，此为双刃剑：尊重知识产权，借鉴学习别人专利，开拓思路;自主创新设计，可申请专利保护。
2.设计手段。采用计算机辅助设计，3D建模;设计方案工艺、技术、质量工程师综合评审分析;采用有限元定性有效改善优化设计。
3.FMEA。在设计及工艺阶段进行失效模式（FMEA）分析，针对阀门密封、动作、防腐等功能要求，对可能失效的地方进行分析，找出风险系数RPN值高的项目，在结构及工艺上进行充分改善。RPN是事件发生严重度、频度和探测度三者得分之积，其数值愈大潜在问题愈严重，用来衡量潜在可能发生的失效，以便采取预防措施减少风险，使产品更加可靠。那些最受关注和风险程度最高的环节必须采取矫正措施。
4.结构设计。包括有效通径、壁厚、螺纹、密封结构的确定。
有效通径，该尺寸和气体灭火标准要求的喷射时间及配套最大压力容器容积、充装率密切相关，需要计算确定，最终要采用试验确认。
壁厚，阀门最小壁厚有两个常用公式。t=PxDn/[2x[δL]-P]+C，是按照第一强度理论建立的，适用于脆性材料;t=PxDn/[2.3x[δL]-P]+C，按第四强度理论建立，适用于塑性材料。P为工作压力，Dn设计给定最大内径，δL阀体材料许用应力，C为厚度裕量。
螺纹，进口和配套压力容器匹配，出口和软管螺纹匹配，驱动螺纹要和电动、气动、手动执行机构螺纹匹配。电动执行机构要考虑有防爆可选配置（部分工业消防例如石化领域的应用会有防爆要求）;螺纹强度要进行校核，包括螺纹抗挤压、抗剪切、抗弯曲强度计算校核。
主阀密封结构按照密封原理有两大类：强制密封和自紧密封;强制密封常用于低压中压及中小尺寸阀门;自紧密封有差压或正压式;容器阀国际趋势是差压或正压式，特点是介质压力愈高，工作密封比压愈高，密封性能愈好;主阀座的密封结构要保证计算比压介于必须比压和许用比压之间;必须比压和许用比压可以查资料得到;计算比压q的计算公式：q=Qz/[πx（d+bm）xbm）];Qz=π/4x（Dn2+d2）xP
Qz 为系统背压，N;bm阀芯密封面宽度，mm;Dn 阀芯上表面直径，mm;d阀芯下表面直径，mm;
密封圈选择要符合标准及供应商产品系列，沟槽尺寸及公差按国家标准执行;径向密封的密封圈安装孔要有导向倒角。
阀门夹持安装部位要設计在靠近钢瓶连接螺纹，减少阀门安装夹持力及安装扭力对其内部结构尺寸的影响。
（二）材料
阀体材料要求强度高，防腐性能好，标准要求为铜或不锈钢;国际上采用高强度耐腐蚀黄铜合金，材料成分中除了有铜、锌、铅、铁、镍之外，还有锰、铝和锡。锰提高黄铜耐蚀性、热稳定性及强度;铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低;锡能提高黄铜强度和对海水的耐腐性。这三种元素综合提升铜合金强度及耐腐蚀能力，改善锻造流动性机机加工性能。高防腐要求的环境，铜材外表面镀镍;不锈钢一般采用SS304，用于海洋防腐采用SS316。
聚合物材料和非金属零件，国际认证例如UL/FM检测要单独送样，保证对灭火剂的兼容及满足年泄露测试要求;密封件要根据密封介质/使用温度，选用不同材料;一般国际气体容器阀阀门采用密封材料EPDM;硬度根据工作压力不同选用不同：10MPa以下可以采用邵氏硬度75±5，10～30MPa采用80±5;30MPa以上采用90±5;另外，高压阀门根据需要增加密封圈挡圈。 润滑脂有效降低摩擦和磨损，提高金属组件和密封橡胶的滑动和密封性能。其选择要考虑与阀体材料（铜合金或不锈钢）及塑料和密封圈相容性好，兼容密封介质，工作压力及使用温度适宜。一般以硅油为基础，可以选用国际知名公司产品。储存及使用中特别注意防潮，防尘，防高温。
（三）工艺
阀体毛坯采用锻造，锻造是在高温下用模具挤压的方法成型，可细化制件内晶粒。锻造模具分型面设置要保证流动性好，尺寸稳定;锻打时锻坯预热应均匀，温度适宜。锻打的阀体部件要严格执行去应力退火或光亮退火工艺，推荐光亮退火，保证应力释放，表面质量高。光亮退火主要是在密闭空间加热退火后让温度在密闭空间缓慢降温300度，保温1小时，再自然冷却便会有光辉度以至不造成脱碳情形产生。注意保护气体中应不含硫，退火前零部件需要认真清洗，表面不应残留油污或脏物。普通退火时加热和冷却发生氧化、脱碳作用。
机加工采用数控，保证尺寸精度及一致性;阀体动密封配合表面粗糙度要达到Ra0.4;密封圈沟槽要达到Ra0.8。所有机加工后的涉及密封部分的部件，要安排超声波清洗去毛刺处理，保证密封效果。
装配采用专用设备或工装，螺纹部位安装力矩要严格控制。不需要拆卸的地方要使用螺纹锁固胶。需要调整后锁定，且不希望使用中被调整的地方要点胶标识或铅封。
（四）测试及认证
极限高、低温分别30天实验，瓶阀组件（包含容器阀，压力容器和驱动装置）充装灭火剂后，在极限最大最小存储温度下各保持30天，不允许出现泄露量超过最小充装重量的年允许泄漏量1/12 ;不得有腐蚀情况及弹性元件退化或分解。
工作压力下，循环500次启动操作测试，没有故障和损坏。
年泄露实验，UL/FM标准有年泄露测试;瓶阀组件包括驱动装置，每个试样应在 0、3、6、9和12个月时测量重量，精确到单位克，一年的泄露量不超过最小充装重量的相应比例，并且接触药剂的元件无腐蚀现象。另外要说明钢瓶压力容器是直立还是水平卧倒测试，为运输及安装方式提供依据。
膜片泄压实验，美标有此要求。此实验是檢验灭火装置安全膜片结构和尺寸在压力容器规格极限范围能满足有效泄放量，确保容器安全。
容器阀消防认证有多种，可按GB标准型式检验;CCS或DNVGL等船级社认证;美国UL或FM认证;德国VDS认证;英国LPCB;欧盟TPED认证等。
（五）资料
1.数据页。容器阀数据页至少要涉及以下信息：阀工作压力、温度范围、有效通径;主阀材料;进口、出口、虹吸管、驱动接口螺纹规格;爆破膜片压力;可以配接手动、气动（最小驱动压力）、电动驱动装置规格型号。
2.说明书及维保手册。这个主要包括以下内容：产品功能，适用系统;在70℉（21℃）时的操作压力;适用温度范围、充装密度范围涉及的压力和温度;零部件详细的描述和操作，包括零部件的型号;所用管接件的类型和设定;推荐正确的安装和有效的防护;具体安装内容;操作说明和指令，当某种操作禁用或不可用，要有警告陈述;安装后要检查的信息。
操作后重新充装具体信息应包括：必要警告和注意事项;对充装服务设备接口的描述;充装服务流程的描述;含有所有可替换部件的清单;必要的维护说明。
二、结语
综上所述，容器阀对于气体灭火系统的重要性不言而喻，其性能验证要求是质量保证的基础，应在标准中合理体现。国际标准有些值得我们学习借鉴的条款：年泄露测试，30天高温及30天低温密封测试，500次循环动作测试。这三项测试能校验阀门待机及动作是否安全可靠。建议国家标准紧跟国际标准要求，适时修订更新，为消防设计人员更合理的开发产品提供依据。
参考文献：
NFPA 2001-2018.洁净剂灭火系统标准[S].
FM 5600-2013.洁净灭火剂灭火系统认可标准[S].
UL 2166-2017.卤碳灭火剂灭火系统装置[S].
UL 2127-2017.气体灭火剂灭火系统装置[S].
杨源泉，阀门设计手册[M].机械工业出版社，1992.
机械工程师手册[M].机械工业出版社，2007.
GB 25972-2010.气体灭火系统及部件[S].
作者简介：
杨慧红（1978.10—），女，福建人，南京消防器材股份有限公司设计室主管，本科学历，工程师，长期从事消防产品研发及应用。产品曾获得中国消防协会科技创新三等奖，江苏机械工业科技进步一等奖。