PE—鋼燃氣閥門設計結構的優(yōu)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(wǎng)的重要連接設備，PE燃氣閥門的端部聯(lián)接的結構形式尤為重要。利用有限元軟件分析PE端部聯(lián)接結構對密封的影響情況，將接分析數(shù)據(jù)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(wěn)定可靠。

關鍵詞：PE-鋼燃氣閥門 有限元分析 結構優(yōu)化 環(huán)形雙面斜齒槽

1 概述

隨著燃氣管道的快速發(fā)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(wǎng)系統(tǒng)的重要設備，其應用非常廣泛，因此考慮燃氣管網(wǎng)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(tǒng)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(wěn)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(wǎng)系統(tǒng)進行埋地施工作業(yè)時，現(xiàn)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(xiàn)場解體。

2 結構分析優(yōu)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(shù)等。

針對現(xiàn)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(huán)形雙面斜齒槽結構+雙道密封圈+可調預緊裝置來實現(xiàn)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(huán)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(lián)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(xiàn)有常用的倒齒形、螺紋螺旋齒形、環(huán)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(wǎng)格、添加約束載荷及分析試驗數(shù)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(huán)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(shù)據(jù)參數(shù)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(shù)據(jù)得出，環(huán)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(lián)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(shù)，利用有限元分析方法和實驗相結合，進行數(shù)據(jù)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(guī)格的系列化設計，找出其中的規(guī)律性，以符合燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全發(fā)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(fā)和標準化工作。