PE—钢燃气阀门设计结构的优化

夏胜建　黄晓云　张晓忠

摘 要：PE-钢燃气阀门作为城建燃气管网的重要连接设备，PE燃气阀门的端部联接的结构形式尤为重要。利用有限元软件分析PE端部联接结构对密封的影响情况，将接分析数据结合实际进行比较。研究结果表明其理论分析与实验结果有较好的一致性，合理的结构形式设计可以有效避免不确定的因素，其密封性能更加稳定可靠。

关键词：PE-钢燃气阀门 有限元分析 结构优化 环形双面斜齿槽

1 概述

随着燃气管道的快速发展，PE材料作为燃气常用材料，而PE-钢燃气阀门作为城市燃气管网系统的重要设备，其应用非常广泛，因此考虑燃气管网运行设备的安全性，是阀门制造厂是考虑的主要因素。然而传统的結构一般采用将PE管套设于金属钢管件外圆，在PE管外圆套设一个钢性的密封件来挤压固定和支撑塑性管体，这样的固定方式不但密封性一般、且连接的稳定性也一般，传输介质不但容易在传输过程中泄漏。特别是对安装好的管网系统进行埋地施工作业时，现场的拉力与压力变化复杂结合的情况下，塑性管体易在作用力下脱离钢性管件，使连接结构密封失效甚至现场解体。

2 结构分析优化与验证

PE-钢燃气阀门的PE端的结构的防脱出、防泄漏作为阀门密封可靠性的关键。防脱出结构是PE与钢金属件部位的连接形式，主要有斜倒锥齿形、锯齿形、螺纹螺旋齿形结构等等；而影响端部结构密封性能有密封件结构、材料性能、熔接工艺参数等。

针对现有技术存在的不足，提出了一种在管件安装部及管体安装部之间设置新的环形双面斜齿槽结构+双道密封圈+可调预紧装置来实现管件与管体的可靠性密封结构（如图所示）。即阀体端部金属钢管件的外圆处设置若干个用于防止PE管脱离金属钢管件的环形双面斜齿槽，双面斜齿槽有利于PE管的安装，更是防止PE管在拉压力作用下而脱离金属管件。双面斜齿槽的里外两端部各设置一道密封圈结构，可有效补偿PE管与金属管件之间的缝隙，形成双道密封。外部采用可调式预紧装置密封结构，将PE端牢固定位于金属钢管件上，与金属钢管夹紧联成一体式。

将结构采用三维造型软件和有限元分析软件，将现有常用的倒齿形、螺纹螺旋齿形、环性双面斜齿形等结构绘制成三维模型，进行材料属性定义、划分网格、添加约束载荷及分析试验数值等。在特定的条件定义下，模拟施加内压载荷的分析结果，如下图表所示：

从上表所示得知，在特定的工况和载荷条件下，齿形为环形双面斜齿时，其相应的等效应力与接触应力为最佳。由于PE管与金属钢件的机械性能相差较大，因此单靠理论分析，无法准确定性，因此只有将理论数据参数结合试验结果进行验证比较。对结构件通过静压强度试验和动载荷密封试验，施加不确定方向的弯曲变形、拉力、压力和扭转力，检查PE端的密封可靠性。

通过试验数据得出，环形双面斜齿形的综合韧性好，热熔时安装便捷，斜齿结构和可调的预紧装置机构可有效保证PE管与钢金属件的联接牢固，且该结构对施工操作及其有利，不会因施工的不确定性而导致PE管脱离或断裂，同时地面沉降适应能力非常强，具有抗震性能和良好的抗慢速裂纹增长（SCG）和快速裂纹扩展（RCP）能力。

3 结论

通过改变设计参数，利用有限元分析方法和实验相结合，进行数据对比，结构形式是影响密封可靠性的重要因素，只有合理的设计和分析，并经实验验证，才能有效避免不利因素。在实际生产中需要完善各种规格的系列化设计，找出其中的规律性，以符合燃气管网系统安全发展和标准化要求。

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作者简介：夏胜建（1987—），男，汉族，浙江永嘉，工程师，本科，保一集团有限公司，从事阀门的技术研发和标准化工作。