摘 要

摘　要：介紹燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┣蜷y的特點(diǎn)、類型、基本結(jié)構(gòu)。對(duì)設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)、生產(chǎn)流程、制造工藝注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：聚乙烯球閥； 設(shè)計(jì)； 制造Design and Manuf

摘　要：介紹燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┣蜷y的特點(diǎn)、類型、基本結(jié)構(gòu)。對(duì)設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)、生產(chǎn)流程、制造工藝注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：聚乙烯球閥；  設(shè)計(jì)；  制造

Design and Manufacturing of Polyethylene Ball Valve for Gas

Abstract：The characteristics，types and basic structure of buried polyethylene ball valves for gas are introduced．The design requirements，key design points，production procedures and matters needing attention in manufacture process are analyzed．

Keywords：polyethylene(PE)ball valve；design；manufacturing

 

1　特點(diǎn)、類型與基本結(jié)構(gòu)

隨著高分子材料科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)管道領(lǐng)域開(kāi)始推行“以塑代鋼”，并以城市燃?xì)忸I(lǐng)域?yàn)橄葘?dǎo)，埋地聚乙烯(PE)管材、管件的生產(chǎn)和應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。作為燃?xì)庥寐竦?span lang="EN-US">PE管道系統(tǒng)中重要的組成部件——PE球閥也逐漸得到重視。

①特點(diǎn)

PE球閥與傳統(tǒng)金屬球閥相比，具有以下明顯的優(yōu)點(diǎn)：重量輕，耐腐蝕，免維護(hù)，操作扭矩小，操作簡(jiǎn)便，體積小，抗沉降，壽命長(zhǎng)等，又因與PE管材的材質(zhì)相匹配，安裝簡(jiǎn)便。但與傳統(tǒng)金屬球閥相比也存在以下不足：機(jī)械強(qiáng)度低，工作壓力受限，對(duì)溫度敏感等。然而，總體優(yōu)勢(shì)明顯^[1]。

②類型

按材料等級(jí)分，可分為PE80級(jí)球閥、PEl00級(jí)球閥。

按使用功能分，可分為標(biāo)準(zhǔn)型球閥、單放散型球閥、雙放散型球閥。單放散型球閥與雙放散型球閥是標(biāo)準(zhǔn)型球閥的擴(kuò)充，本文探討的PE球閥為標(biāo)準(zhǔn)型球閥。

按通徑分，可分為全通徑球閥、縮徑球閥。

③基本結(jié)構(gòu)

PE球閥的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，各部件名稱、材質(zhì)、數(shù)量見(jiàn)表l。

 

 

 

 

2　設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

2．1　設(shè)計(jì)要求

GB l5558．3—2008《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?span lang="EN-US">(PE)管道系統(tǒng)第3部分：閥門》于2008年12月15日發(fā)布，并于2010年1月1日實(shí)施。因此，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、制造的PE球閥都必須遵照現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定。下面對(duì)PE球閥的一般設(shè)計(jì)要求進(jìn)行歸納分析。

①材料要求

a．PE80、PEl00級(jí)混配料應(yīng)符合GB l5558．1—2003《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?span lang="EN-US">(PE)管道系統(tǒng)  第1部分：管材》的規(guī)定，不得使用回用料。

b．橡膠密封圈應(yīng)符合HG／T 3092《燃?xì)廨斔凸芗芭浼孟鹉z密封圈膠料》的規(guī)定，其他密封材料應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并適用于燃?xì)廨斔汀?span lang="EN-US">

c．潤(rùn)滑劑不應(yīng)對(duì)PE球閥各部件有負(fù)面影響，能長(zhǎng)期耐受燃?xì)庵械母g性組分，能長(zhǎng)期維持應(yīng)有的潤(rùn)滑性能，具有優(yōu)良的黏溫性能和低溫性能。

②外觀要求

a．閥體顏色應(yīng)為黑色或黃色。

b．閥門內(nèi)外表面清潔，無(wú)縮孔(坑)及明顯的劃痕。

c．永久性標(biāo)志包括：制造商的名稱或商標(biāo)；材料等級(jí)或牌號(hào)；公稱外徑；SDR系列及MOP(最大工作壓力)；可追溯性編碼。

d．無(wú)其他影響使用的缺陷。

③幾何尺寸要求

a．當(dāng)管材材料等級(jí)為PE80，PE球閥材料等級(jí)為PEl00時(shí)，閥門壁厚≥0.8倍管材壁厚；當(dāng)管材為PEl00，PE球閥材料等級(jí)為PE80時(shí)，閥門壁厚≥1.25倍管材壁厚。且PE球閥的任一點(diǎn)實(shí)測(cè)壁厚不低于設(shè)計(jì)壁厚。為了防止應(yīng)力集中，閥體壁厚的變化應(yīng)逐漸改變。

b．PE球閥兩端可為插口也可為承口，但尺寸必須符合GB l5558．2—2005《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?span lang="EN-US">(PE)管道系統(tǒng)第2部分：管件》對(duì)插口及承口的要求。

c．操作帽的尺寸能與長(zhǎng)×寬×深為50mm×50mm×40mm的方孔鑰匙有效配合。公稱外徑250mm及以上的閥門可設(shè)計(jì)為與長(zhǎng)×寬×深為75mm×75mm×60mm的方孔鑰匙有效配合。

④力學(xué)性能要求

閥門的力學(xué)性能指標(biāo)有：靜液壓強(qiáng)度；密封性能；壓力降；操作扭矩；止動(dòng)強(qiáng)度；對(duì)操作裝置施加彎矩期間及解除后的密封性能；承受彎矩條件下，溫度循環(huán)后的密封性能及易操作性(公稱外徑≤63mm)；承受拉伸載荷后的密封性能及易操作性；沖擊后的易操作性；持續(xù)內(nèi)部靜液壓后的密封性能及易操作性；耐簡(jiǎn)支梁彎曲密封性能(公稱外徑>63mm)；耐溫度循環(huán)試驗(yàn)后的密封性能及操作扭矩(公稱外徑>63mm)。

⑤物理性能要求

應(yīng)滿足以下兩項(xiàng)要求：氧化誘導(dǎo)時(shí)間(熱穩(wěn)定性)：在試驗(yàn)溫度200℃下，氧化誘導(dǎo)時(shí)間>20min。熔體質(zhì)量流動(dòng)速率(MFR)：要求在190℃，5kg條件下，0.02g／min≤MFR值≤0.14g／min，且閥體與原材料測(cè)量值的相對(duì)誤差不超過(guò)±20％^[2]。

2．2　設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

①密封方式

線密封與面密封是PE球閥密封件與閥球進(jìn)行接觸密封形成的兩種狀態(tài)。線密封表現(xiàn)為密封件與閥球以線接觸為主，特點(diǎn)是：對(duì)加工精度和圓度要求相對(duì)較低，但操作扭矩偏大。面密封表現(xiàn)為密封件與閥球以面接觸為主，特點(diǎn)是：對(duì)加工精度和圓度要求相對(duì)較高，但操作扭矩較小。綜合考慮，適當(dāng)?shù)木€密封與面密封的結(jié)合形態(tài)是比較理想的密封方式，即選取適當(dāng)?shù)慕佑|面積。

②閥球設(shè)計(jì)

閥球可設(shè)計(jì)成浮動(dòng)球、固定球。浮動(dòng)球設(shè)計(jì)是閥球只靠密封件支撐，沒(méi)有其他部件固定，閥球既能轉(zhuǎn)動(dòng)也能左右適當(dāng)移動(dòng)。特點(diǎn)是：操作扭矩較大(特別是高壓狀態(tài)下)，對(duì)加工精度和裝配精度要求較低，高壓密封效果較好，若產(chǎn)生密封間隙，可以適當(dāng)調(diào)整。固定球設(shè)計(jì)是閥球底部比“浮動(dòng)球”多一個(gè)定位銷桿固定，閥球只能轉(zhuǎn)動(dòng)，不能左右移動(dòng)。特點(diǎn)是：操作扭矩較小(特別是高壓狀態(tài)下)，對(duì)加工精度和裝配精度要求較高，高壓密封效果好，若產(chǎn)生密封間隙，無(wú)法調(diào)整。

由以上分析可知，高壓狀態(tài)下，浮動(dòng)球設(shè)計(jì)往往導(dǎo)致PE球閥操作扭矩過(guò)大，甚至損傷密封件。固定球設(shè)計(jì)可降低高壓狀態(tài)下的操作扭矩，但若閥球與密封件存在裝配間隙或因后期磨損導(dǎo)致的間隙，則無(wú)法調(diào)整，有發(fā)生內(nèi)漏的可能，且無(wú)法修復(fù)。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，宜將閥球設(shè)計(jì)成“改進(jìn)的浮動(dòng)球”。在低壓狀態(tài)下，靠密封件與閥球之間的接觸實(shí)現(xiàn)密封；在高壓狀態(tài)下，由閥座與閥球的接觸抵消部分閥球與密封件的接觸壓力(以減小操作扭矩)。這樣設(shè)計(jì)既能保證密封良好，又不會(huì)產(chǎn)生操作扭矩過(guò)大的問(wèn)題，特別是在有較高的沖擊氣流以及長(zhǎng)時(shí)間單向高壓密封狀態(tài)下。由于閥座采用的PE材料比閥球采用的尼龍或聚丙烯材料的硬度小，因此閥座與閥球的接觸不會(huì)損傷閥球。

3　生產(chǎn)流程

PE球閥的生產(chǎn)流程見(jiàn)圖2。

 

3．1　制造流程

①原料及檢驗(yàn)：對(duì)原料(專用PE混配料)各項(xiàng)參數(shù)按要求檢驗(yàn)，特別是原料的濕度。

②注塑成型及檢驗(yàn)：按照工藝要求，用注塑機(jī)將所需配件注塑成毛坯件，并檢驗(yàn)毛坯件的尺寸和其他各項(xiàng)要求，如顏色、缺陷、氣孔等。

③機(jī)加工及檢驗(yàn)：完全冷卻定型并消除內(nèi)應(yīng)力后，按圖紙和加工工藝要求對(duì)毛坯件進(jìn)行機(jī)加工，并檢驗(yàn)加工精度、表面粗糙度、圓度等各項(xiàng)指標(biāo)。

④裝配

a．閥桿應(yīng)與閥體孔緊密配合，在組裝時(shí)，清理表面并按尺寸要求進(jìn)行分組裝配，按裝配工藝要求在閥桿上套裝橡膠密封圈到位，不能卷曲、翻轉(zhuǎn)。然后，在閥桿上均勻涂抹PE球閥專用密封脂，然后進(jìn)行孔、桿裝配，裝配時(shí)用力不宜過(guò)猛，以防橡膠密封圈破損，安裝好后將閥桿來(lái)回扭轉(zhuǎn)幾圈以確保安裝到位。

b．裝配閥座時(shí)，橡膠密封圈按工藝要求在閥座就位，采用圓周均勻加壓方式實(shí)現(xiàn)檔圈與閥座的裝配，嚴(yán)禁強(qiáng)制裝配。在閥球裝入前，在密封圈上均勻涂抹PE球閥專用密封脂，并檢查閥球表面有無(wú)劃傷的痕跡，然后擦拭干凈。裝入時(shí)，球體擊打面上應(yīng)放置干凈的棉布，用橡膠榔頭輕輕敲打就位，嚴(yán)禁用力敲打，然后再旋轉(zhuǎn)閥桿，帶動(dòng)閥球，檢查圓周間隙，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使閥球處于閥體中心位置，最后在閥球表面均勻涂抹PE球閥專用密封脂。

c．閥球裝入后，采甩_螺紋式旋合預(yù)緊”的工藝方法進(jìn)行閥體與閥座的裝配，采用專用扭力扳手扳動(dòng)閥桿，從而帶動(dòng)閥球進(jìn)行反復(fù)旋轉(zhuǎn)，檢查并調(diào)整閥球與橡膠密封圈的密封吻合程度以及閥球在閥體中的對(duì)稱度，并記錄PE球閥操作扭矩，最后選定最佳配合狀態(tài)，扭矩也應(yīng)符合工藝要求。

d．PE球閥操作帽與閥體的裝配：先在閥體上套裝橡膠密封圈，再把PE球閥操作帽套上，用力壓下操作帽，用過(guò)盈配合的方式把操作帽壓套在閥體頭部，使PE球閥操作帽與閥體在正常操作過(guò)程中不脫開(kāi)，并能夠開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)到位^[1]。

⑤熱熔焊接封裝

熱熔焊接封裝指閥體與兩端接管的熱熔焊接，見(jiàn)圖l中位置10。PE球閥的熱熔焊接封裝采用熱熔焊機(jī)進(jìn)行，從而形成不可分離的整體，各規(guī)格PE球閥熱焊封裝工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

 

將接管與閥體固定在夾具上，進(jìn)行位置調(diào)整后，使得接管與閥體焊接面的錯(cuò)位量小于壁厚的10％。然后進(jìn)行焊接面的削銑，削銑后兩焊接面的間隙應(yīng)小于0.3mm。放置加熱板，對(duì)焊接面進(jìn)行加熱，不同規(guī)格PE球閥焊接面的吸熱時(shí)間、吸熱起邊高度應(yīng)符合表2規(guī)定。吸熱完成，快速取出加熱板，中間切換時(shí)間不應(yīng)超過(guò)6s，迅速進(jìn)行對(duì)接操作，按要求上升到對(duì)接壓力(滿足表2規(guī)定)，然后進(jìn)行保壓冷卻。熱熔焊接后的外觀要求：翻邊應(yīng)光滑、圓整、對(duì)稱，起邊高度為5mm左右。

3．2　出廠檢驗(yàn)

①全檢項(xiàng)目

a．外觀檢驗(yàn)：肉眼觀察，閥門內(nèi)、外表面應(yīng)潔凈，無(wú)縮孔(坑)、明顯的劃痕和其他可能影響符合GB15558．3—2008的表面缺陷。閥門顏色應(yīng)為黑色或黃色。

b．操作扭矩試驗(yàn)(環(huán)境溫度23℃)：在0.4MPa的試驗(yàn)壓力下：公稱外徑≤63mm，最大操作扭矩不超過(guò)35N·m；63mm<公稱外徑≤125mm，最大操作扭矩不超過(guò)70N·m；125mm<公稱外徑≤225mm，最大操作扭矩不超過(guò)l50N·m；225mm<公稱外徑≤315mm，最大操作扭矩不超過(guò)300N·m。

c．高壓密封性能試驗(yàn)：23℃下，氣壓為0.6MPa，持續(xù)時(shí)間30s，無(wú)破壞、無(wú)泄漏。

d．低壓密封性能試驗(yàn)：23℃下，氣壓為2.5kPa，持續(xù)時(shí)間≥10min，無(wú)泄漏。

②抽檢項(xiàng)目(按分組、批次抽檢)

a．幾何尺寸檢驗(yàn)：包括閥門端管的外徑，閥門任意點(diǎn)壁厚，長(zhǎng)度，操作帽的尺寸。

b．80℃靜液壓強(qiáng)度試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度80℃；試驗(yàn)時(shí)間165h；試驗(yàn)環(huán)應(yīng)力PE80為4.5MPa，PEl00為5.4MPa。結(jié)果要求：無(wú)破壞，無(wú)滲漏。

c．24h低壓氣密性試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度23℃；試驗(yàn)時(shí)間24h；氣壓2.5kPa。結(jié)果要求：無(wú)破壞，無(wú)滲漏。

d．氧化誘導(dǎo)時(shí)間：試驗(yàn)溫度200℃，氧化誘導(dǎo)時(shí)間大于20min。

e．熔體質(zhì)量流動(dòng)速率(MFR)：在190℃、5kg條件下，0.02g/min≤MFR值≤0.14g／min，且閥體與原料測(cè)量值的相對(duì)誤差不超過(guò)±20％。

4　PE球閥制造工藝注意事項(xiàng)

①閥球表面的粗糙度控制。閥球表面的粗糙度直接關(guān)系到PE球閥的密封性能與操作扭矩，因此在制造工藝允許的情況下，表面粗糙度越小越好，推薦表面粗糙度小于或等于3.2mm，且表面無(wú)缺陷。

②閥座與檔圈的圓度控制。閥座與檔圈的圓度直接關(guān)系到PE球閥的密封性能，但注塑件難免因冷卻收縮、內(nèi)應(yīng)力釋放以及加工過(guò)程中的余量不均、裝夾變形等因素，產(chǎn)生較大的圓度誤差。因此，必須嚴(yán)格控制，宜采用專用夾具進(jìn)行機(jī)加工。在裝配過(guò)程中不能因閥座與檔圈的圓度誤差，而人為過(guò)度地增加裝配預(yù)緊力。

③PE球閥密封脂的選用。密封脂性能對(duì)PE球閥長(zhǎng)時(shí)間安全使用至關(guān)重要，因此必須使用PE球閥專用的密封脂。

④橡膠密封圈的選用。橡膠密封圈的性能也是保證PE球閥長(zhǎng)期有效運(yùn)行的關(guān)鍵，橡膠密封圈的材質(zhì)優(yōu)先選用氟橡膠、三元乙丙橡膠。橡膠密封圈的各項(xiàng)性能指標(biāo)應(yīng)符合HG／T 3092—1997《燃?xì)廨斔凸芗芭浼孟鹉z密封圈膠料》相關(guān)規(guī)定，硬度在邵氏70～72為宜，且對(duì)PE球閥專用密封脂無(wú)不良影響。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]喬國(guó)強(qiáng)，劉士青，田志芳，等．燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┣蜷y的改進(jìn)[J]．煤氣與熱力，2002，22(6)：555-556．

[2]陳健輝，朱勤．燃?xì)夤艿谰垡蚁╅y門制造與安裝質(zhì)量控制[J]．化工裝備技術(shù)，2010(2)：45-46．

 

本文作者：趙立剛，  陳建強(qiáng)，  宋林波

作者單位：寧波市宇華電器有限公司PE管件工程(技術(shù))中心