PE—鋼燃氣閥門設計結構的優化

夏勝建　黃曉云　張曉忠

摘 要：PE-鋼燃氣閥門作為城建燃氣管網的重要連接設備，PE燃氣閥門的端部聯接的結構形式尤為重要。利用有限元軟件分析PE端部聯接結構對密封的影響情況，將接分析數據結合實際進行比較。研究結果表明其理論分析與實驗結果有較好的一致性，合理的結構形式設計可以有效避免不確定的因素，其密封性能更加穩定可靠。

關鍵詞：PE-鋼燃氣閥門 有限元分析 結構優化 環形雙面斜齒槽

1 概述

隨著燃氣管道的快速發展，PE材料作為燃氣常用材料，而PE-鋼燃氣閥門作為城市燃氣管網系統的重要設備，其應用非常廣泛，因此考慮燃氣管網運行設備的安全性，是閥門制造廠是考慮的主要因素。然而傳統的結構一般采用將PE管套設于金屬鋼管件外圓，在PE管外圓套設一個鋼性的密封件來擠壓固定和支撐塑性管體，這樣的固定方式不但密封性一般、且連接的穩定性也一般，傳輸介質不但容易在傳輸過程中泄漏。特別是對安裝好的管網系統進行埋地施工作業時，現場的拉力與壓力變化復雜結合的情況下，塑性管體易在作用力下脫離鋼性管件，使連接結構密封失效甚至現場解體。

2 結構分析優化與驗證

PE-鋼燃氣閥門的PE端的結構的防脫出、防泄漏作為閥門密封可靠性的關鍵。防脫出結構是PE與鋼金屬件部位的連接形式，主要有斜倒錐齒形、鋸齒形、螺紋螺旋齒形結構等等；而影響端部結構密封性能有密封件結構、材料性能、熔接工藝參數等。

針對現有技術存在的不足，提出了一種在管件安裝部及管體安裝部之間設置新的環形雙面斜齒槽結構+雙道密封圈+可調預緊裝置來實現管件與管體的可靠性密封結構（如圖所示）。即閥體端部金屬鋼管件的外圓處設置若干個用于防止PE管脫離金屬鋼管件的環形雙面斜齒槽，雙面斜齒槽有利于PE管的安裝，更是防止PE管在拉壓力作用下而脫離金屬管件。雙面斜齒槽的里外兩端部各設置一道密封圈結構，可有效補償PE管與金屬管件之間的縫隙，形成雙道密封。外部采用可調式預緊裝置密封結構，將PE端牢固定位于金屬鋼管件上，與金屬鋼管夾緊聯成一體式。

將結構采用三維造型軟件和有限元分析軟件，將現有常用的倒齒形、螺紋螺旋齒形、環性雙面斜齒形等結構繪制成三維模型，進行材料屬性定義、劃分網格、添加約束載荷及分析試驗數值等。在特定的條件定義下，模擬施加內壓載荷的分析結果，如下圖表所示：

從上表所示得知，在特定的工況和載荷條件下，齒形為環形雙面斜齒時，其相應的等效應力與接觸應力為最佳。由于PE管與金屬鋼件的機械性能相差較大，因此單靠理論分析，無法準確定性，因此只有將理論數據參數結合試驗結果進行驗證比較。對結構件通過靜壓強度試驗和動載荷密封試驗，施加不確定方向的彎曲變形、拉力、壓力和扭轉力，檢查PE端的密封可靠性。

通過試驗數據得出，環形雙面斜齒形的綜合韌性好，熱熔時安裝便捷，斜齒結構和可調的預緊裝置機構可有效保證PE管與鋼金屬件的聯接牢固，且該結構對施工操作及其有利，不會因施工的不確定性而導致PE管脫離或斷裂，同時地面沉降適應能力非常強，具有抗震性能和良好的抗慢速裂紋增長（SCG）和快速裂紋擴展（RCP）能力。

3 結論

通過改變設計參數，利用有限元分析方法和實驗相結合，進行數據對比，結構形式是影響密封可靠性的重要因素，只有合理的設計和分析，并經實驗驗證，才能有效避免不利因素。在實際生產中需要完善各種規格的系列化設計，找出其中的規律性，以符合燃氣管網系統安全發展和標準化要求。

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作者簡介：夏勝建（1987—），男，漢族，浙江永嘉，工程師，本科，保一集團有限公司，從事閥門的技術研發和標準化工作。