燃气管网用PE-钢塑过渡件的可靠性分析

夏胜建 张晓忠 黄晓云 陈诗爱 李美蓉 王莹莹

摘 要：基于钢塑过渡件的实际载荷工况，结合市场常用的倒齿形钢塑过渡件的结构特点，对该结构件的主要密封結构进行了参数优化。并利用有限元分析方法和正交试验分析方法，对优化后结构件的可靠性及安全性进行分析，研究了影响钢塑转换过渡件等效应力和接触应力的主要因素，得出了一种适用最优的联接方式及结构参数，为钢塑过渡件在实际工况中设计与应用提供了理论基础。

关键词：钢塑过渡件;有限元分析;等效应力;接触应力

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.001

1 概述

在国内，20世纪80年代只有法兰联接的钢塑过渡件和直径较小的预制钢塑过渡件两种。法兰联接的钢塑过渡件是在聚乙烯管端对接熔焊上一个聚乙烯的法兰头，聚乙烯法兰头通常是注塑成型的;在法兰头的后端套上一个金属的背压活套法兰，这样就可以将PE管和金属管通过法兰联接的方式联接在一起。随着时代发展，市场常用的钢塑过渡件主要分为：注塑成型式、护壳式、法兰式、支撑环式以及PE管与闸阀直接相连式。其中，护壳式和支撑环式的钢塑过渡件为最常见的两种，都具有联接牢固、抗腐蚀、实用性强等优点，但也存在着诸多不足，其中最主要的问题是随着钢塑转换结构件服役时间的增长，PE管在各种外力的作用下会发生蠕变，产生轴向位移，这将造成钢塑转换结构件的密封性能无法保证，尤其将其用于埋地燃气管道系统时存在较大的安全隐患;另外，支撑环式的钢塑转换结构件的内部，由于支撑环的存在又导致管件局部通径变小，致使管件在测试与实际运行中会产生较大的压力降，尤其是小规格的钢塑转换管件的使用影响较大。

综上所述，不同形式的钢塑转换结构件具有不同的优缺点，基于国内外研究现状和市场需求导向，对钢塑转换结构件的结构进行进一步的结构优化设计就显得尤为重要。

2 设计结构优化

2.1 钢塑转换结构件的齿类型

钢塑转换结构件的关键部位参数有接触面接触长度、接触面钢管的齿形、齿数和齿深。接触面钢管齿形对钢塑转换结构件的使用性能影响较大，现有的钢塑转换结构件齿的类型主要分为：倒齿形、V型齿、T型齿、矩形齿、半圆形齿等。其中，倒齿形结构在工程中应用最为广泛。

2.2 倒齿形结构分析

将倒齿形钢塑转换结构件绘制成三维模型的同时将其导入到有限元软件中，定义材料属性、创建几何模型、划分网格单元、添加约束载荷及分析设置求解等过程，形成三维有限元模型。根据实际应用中出现的失效问题，在利用有限元软件进行分析设置求解中主要得到等效应力和接触应力云图。其中，等效应力遵循材料力学第四强度理论，采用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，可以快速确定模型中的最危险区域，等效应力越低，其结构越安全;接触应力反应接触处是否满足密封要求。在额定压力0.6MPa工况下倒齿形钢塑转换结构件等效应力和接触应力云图如图1和图2所示，其具体数值见表1。

由图1可知，该结构中出现应力集中现象，导致出现早期失效，直接影响该结构件的使用寿命。由图2可知，密封接触处的接触应力较小，即接触处的密封比压较小，无法很好的满足密封要求。

等效应力即米塞斯（Von-Mises）屈服准则，数学表达式：

所以，米塞斯（Von-Mises）屈服准则可表述为在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始将进入塑性状态。

根据现有结构的具体情况，由于该结构件同时受到材料属性，截面形状及载荷情况的共同影响，因此采用等效应力进行分析。

2.3 结构优化

根据对倒齿形钢塑转换结构件有限元分析，拟通过找到影响钢塑转换结构件等效应力的因素，并结合倒齿形钢塑转换结构件的有限元分析结果，对倒齿形结构进行优化，最终得到一种等效应力小，接触应力大的钢塑转换结构件。因此，以等效应力为目标函数，接触应力为约束条件。影响钢塑转换结构件等效应力及接触应力的因素主要有齿形、齿深、接触长度、过盈量和齿数等。本次分别以上述影响因素为优化参数变量进行钢塑转换结构件的结构优化设计，以确定钢塑转换结构件的结构。

在进行有限元分析前，根据测量现有的钢塑转换结构件中相关零件的几何尺寸，建立三维模型。同时根据国家标准GB 15558.1-2015和GB/T 8163-2008，得到钢塑转换结构件中钢管、PE管和紧固件的材料、弹性模量、泊松比及密度，见表2。

2.3.1 齿形改变

在现有的钢塑转换结构件的齿形基础上，分别改变钢塑转换结构件钢管端齿的结构为V齿和倒齿，并对其有限元分析，结果如下所示：

由表3可以看出，钢塑转换结构件的齿形为齿形1（V形齿）时，其相应的等效应力与接触应力最优。

2.3.2 齿深改变

通过分析钢塑转换结构件的齿深对其性能的影响，现将钢塑转换结构件钢管端齿的深度增加2mm，进行有限元分析。由于齿深增加后引起两种情况，并对两种情况进行对比分析：一种情况是齿数不变，密封面接触长度增加;另一种情况是接触长度不变，齿数减少。

由表4可以看出，钢塑转换结构件的齿深为3mm即原有齿深时，其对应的等效应力与接触应力最优。

2.3.3 密封面接触长度的确定

在保证钢塑转换结构件密封性能的前提下，需要对钢塑转换结构件整体的接触长度进行优化，以此得到最优的结果。因此，分别改变钢塑转换头的接触长度为110mm，115mm，120mm，125mm，130mm时，得到的钢塑转换结构件的接触长度与接触应力的关系，见表5，利用MATLAB对数据进行处理，得出图11。

根据图11中可知，接触长度为120mm时，钢塑转换结构件的接触应力最优。

3 结论

利用有限元分析方法，对现有的倒齿形钢塑转换结构件进行分析。结果表明：现有结构等效应力（应力集中）较大，将导致产品接触部位发生早期失效;现有结构接触应力（密封比压）过小，这将导致联接件密封性能较差，易发生泄漏。

利用正交试验分析方法，研究了影响钢塑转换结构件等效应力和接触应力的主要因素。利用有限元分析软件，分别对联接件的齿形、接触长度和齿数进行分析，结果表明：钢塑转换结构件的齿深为3mm（即原有齿深时），其对应的等效应力与接触应力最优;接触长度为120mm时，钢塑转换结构件的接触应力最优。

根据分析方法确定最优设计结构参数，提供了钢塑过渡件的可靠性设计基础依据。

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作者简介：夏胜建（1987-），男，浙江温州人，本科，工程师，主要从事机械及阀门的设计研发和标准化工作。