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聚乙烯(PE)球阀在燃气管道应用
上海申弘阀门有限公司
1、概述
在城市地下燃气管网系统中,聚乙烯(PE)管道得到越来越多地应用。作为其同寿命、同性能,焊接简单、密封性能好、使用方便的聚乙烯球阀已作为*的管道控制元件得到越来越多的使用和重视。上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀,气动截止阀,电动蝶阀,气动蝶阀,电动球阀,气动球阀,电动闸阀,气动闸阀,电动调节阀,气动调节阀，减压阀。水力控制阀、真空阀门、衬胶阀门、衬氟阀门。PE球阀概述
一、前言
PE球阀与传统金属阀门相比，具有重量轻、耐腐蚀、免维护、启闭力矩小、体积小、占地少等特点，且因与PE管材材质匹配，故安装方便，使用简单，在城市燃气管网中随着PE燃气管的广泛使用而越来越普遍。但在实际使用中，由于对PE球阀的结构和特性没有充分的了解，常常发现投入运行不久的PE燃气管网中的球阀或因为内泄漏、或因为无法启闭而报废，影响了燃气管网的正常运行，增加了燃气企业的运营成本。本文简单介绍了PE球阀的基本结构，分析了影响PE球阀的几种因素，同时提出了安装和使用PE球阀的方法。
2、材料选择
聚乙烯是一种热塑性的塑料工程材料,具有一定的强度、刚度、韧性、抗冲击性、耐腐蚀性和耐磨性。通过控制聚合工艺和在聚合时加入一定量的共聚单体,可以调整或改善聚乙烯材料的性能(表1)。因此聚合工艺的*与否直接导致材料性能的差异。为了管网系统长期安全运行,燃气管材、管件及阀门必须使用根据材料类型分级的管材料(PE80、PE100)和混配料,不能使用色母。材料颜色一般为黑色和黄色。
3、类型结构
聚乙烯燃气用阀门一般为球阀(图1),分为小型聚乙烯阀门(SD63以下)和大型聚乙烯阀门(SD63以上,含SD63)。小型聚乙烯阀门一般不设放散口,大型聚乙烯阀门可根据需要采用不设、设1个或设2个放散口。PE球阀从结构上可以分为无放散型和放散型两类，而放散型又分为单放散型和双放散型，但它们关键的结构是相同的。
PE球阀是由塑料配件组成的全封闭式结构，由接管座1，阀座2，阀壳体3，阀球4，阀杆5，扳手6，挡圈7，密封圈8组成。其中接管座1，阀座2，阀壳体3采用与管体相同的PE材料制成，阀球4，阀杆5，扳手6，挡圈7用比主体材料硬度、强度更高的其他塑料制成。通过阀座2，挡圈7来固定密封圈8，并构成阀座组合体，分布在阀球8的两侧，阀杆环形凹槽上的密封圈和扳手内腔上的密封圈保证了PE球阀在阀杆5、扳手6处的密封性，而阀壳体3、阀座2与接管座1又通过热熔方式组合成一整体，保证了连接处的严密性，因此PE球阀在通常情况下不会产生外泄漏现象。从结构上看，PE球阀属于浮动球阀，阀球在外力的作用下，会作相对于阀体的位移，对阀座产生压力作用，使阀座上的密封圈产生变形，阀座产生蠕变；而当阀壳体受到轴向拉力或压力作用时，阀球基本上不受影响，而阀壳体带动阀座产生拉伸或收缩变形；阀壳体内部受到细小硬物影响时，有可能划伤阀球表面或损坏密封圈。
1.端管 2.阀座(丁腈橡胶- NBR) 3.支撑环(聚丙烯- PP) 4.操作杆(丁腈橡胶) 5.密封圈(缩醛- ACETAL ) 6.扳手帽(聚丙烯、MC 铸型尼龙) 7.球体(聚丙烯、MC 铸型尼龙) 8.中阀体
4、性能特点
(1)耐腐蚀。聚乙烯为惰性材料,除少数强氧化剂外,可耐多种化学介质的侵蚀。无电化学腐蚀,不需要防腐层。
(2)无外漏。聚乙烯阀门阀体和端管的连接部位主要采用熔接连接(热熔连接或电熔连接),熔接宽,密封性能优良。与橡胶圈类接头或其他机械接头相比,不存在因接头扭曲造成外部泄漏的危险。
(3)高韧性。聚乙烯是一种高韧性的材料,其断裂伸长率一般超过500%,对管基不均匀沉降的适应能力非常强。也是一种抗震性能优良的管道。
4)使用寿命长。聚乙烯材料可使用50年以上,这是国外根据聚乙烯管材环向抗拉强度的长期静水压设计基础值(HDB)确定的,已被标准确认。
(5)施工方便。聚乙烯阀门与金属阀门相比质量轻,便于安装。开闭容易,操作力矩小。阀门为全通径,压力损失小。
影响PE球阀性能的因素
1、内部压力对球阀的影响
PE球阀在全开的情况下，基本上不受内力的影响。但在球阀关闭的情况下，阀球受到轴向力的作用时，会沿阀体作轴向相对移动，对密封圈和阀座单向挤压，影响密封圈弹性，并使阀座上的挡圈产生蠕变，力越大，阀球位移越大，挡圈的蠕变量也越大，阀球开启力矩也越大。而当阀球受力减小时，阀球位移量减少，而挡圈上产生的变形量仍保持在大压力下产生的位置。此时，阀球与密封圈接触不严或产生间隙，造成低压内漏。
根据聚乙烯燃气管道技术规程的规定，管网的耐压试验时的压力为设计压力的1.5倍，且不小于0.4MPa。密封性试验压力为设计压力的1.15倍。但城市燃气管网中的实际运行压力远小于上述规定的压力。因此在进行管网的耐压试验和密封性试验时，必须开启试验段范围内的所有PE球阀，末端用盲板封堵。切忌在PE球阀开启不到位，或用PE球阀代替盲板封堵的情况下进行试验，否则PE球阀产生低压内漏的可能性会很大。
2、外部应力对球阀的影响
PE球阀所受外部应力分为拉伸应力和压缩应力，对阀球无直接影响，对其他部件有影响。
当PE球阀受到拉伸应力作用时，阀体会产生拉伸变形，阀座和阀球的距离增加，导致阀球与密封圈接触松动，密封性能下降，从而导致球阀的内泄漏。当PE球阀受到压缩应力作用时，阀壳体会产生压缩变形。阀座与阀球的距离变小，密封圈会与阀球过度挤压而变形，此时球阀的启闭力矩急剧增加，当超过允许限度时，就会无法启闭球阀，造成阀杆或扳手的损坏。
PE管材采用挤出拉伸加工而成，在成型工程中，PE大分子链通过拉伸而取向，在轴向上的拉伸强度和压缩程度大为增加，而PE球阀中各部件通过注塑成型，大分子链成无序状态排列，因此PE球阀的抗拉强度和抗压强度低于管材的强度，当管网中产生拉伸压力和压缩应力时，PE球阀所受到的影响远远大于PE管材所受到的影响。
在PE燃气管网中，PE球阀受到两类应力作用，一是因土壤地基不均匀引起局部管线下沉，从而对阀门产生拉伸作用，另一是管线安装与使用过程中的温度不同，导致管线产生温差应力，从而对阀体产生拉伸或者压缩，拉伸可能导致球阀的内泄漏，压缩可能导致球阀的启闭力矩增加，影响正常操作。
3、固体颗粒的影响
管线中存在固体颗粒时，运行过程中，固体颗粒可能会粘附在阀内腔、阀球 表面或密封圈上，操作时可能卡住阀球，使阀球无法转动，或者划伤阀球表面，损坏密封圈，造成阀球与密封圈的密封性能减小或无法密封，从而造成球阀的内泄漏。
5、应用
高、中压聚乙烯管道主管上应设置分段聚乙烯阀门,并应在阀门两侧设置放散管。高、中压聚乙烯燃气管支管起点处也应设置聚乙烯阀门,可单侧设置放散管。聚乙烯球阀主要为埋地中密度聚乙烯管线配套,输送及截断各种燃气介质流。该阀可直埋于地下,只需安装很简单的护套、启闭座配件,就可使用扳手在地面上执行启闭操作,聚乙烯球阀适用的介质为符合国家标准的净化天燃气、液化石油气和人工煤气等。对策
影响PE球阀性能的因素常常产生在安装和使用的过程中。只要正确掌握PE球阀的安装和使用方法，就能减少PE球阀产生故障的可能性。其安装与使用过程中应注意以下几点：
1、安装前不必进行气密性试验。按照标准ISO10933和欧洲标准EN1555-4要求，每只PE球阀都要求进行三个项目的出厂检验，即外观检验、扭矩检验、密封性检验，合格后才能出厂。由于PE球阀的特殊性，除外观检验外，扭矩检验和密封性检验一般燃气用户不具备检验条件，特别是密封性检验，决不能用夹紧金属阀门的方法夹紧PE阀门，更不能用千斤顶来顶紧阀门的接管座进行检验，这样会使阀体产生应力变形而损坏，燃气企业通常只凭产品的合格证作为产品是否合格的依据。
2、阀门安装前应在现场阴凉处放置一段时间，使阀门温度与管材温度基本一致。阀门与管材应避免在阳光下暴晒，尽量使安装与使用时的温度相差不大，以减少温差应力对阀门的影响。
3、阀门拆除包装时，保持焊接区域的干净，管线应吹扫干净。在*开启阀门的情况下，与管线进行焊接。阀门底部土壤应予夯实，且与管线的中轴线一致，阀门杆轴线垂直于地面。同时将阀门四周的回填土夯实，避免阀门的晃动或移动。
4、阀门前后管线的土壤应尽量平整，阀门前后管线的直管段尽量短，必要时可以人为增设弯头来缩短直管段的长度，避免因管线地基不匀而导致管线下沉，直接对阀门产生拉伸作用，造成阀门的密封性能下降。
5、阀门安装完毕后，应全开全关阀门数次，使阀球转动灵活，并使阀门处于全开状态，扳手上加防护套管，及时砌筑阀门井，避免泥土、石块落入套管内，影响套杆与扳手的接触，造成阀门启闭困难或无法启闭。
6、管线进行耐压试验和气密性试验时，阀门应处于全开状态，禁止阀门关闭或开启不到位，不能用阀门代替盲板封堵，否则会造成阀门内漏。
7、已运行管线需延长或接旁通管线时，应先尽量降低管线的压力，然后关闭阀门。安装完毕后，先开启阀门，然后再增加管线的压力。
8、管线上的阀门，每6个月左右应进行启闭操作，每次启闭数个来回，确保阀门启闭正常。在开关过程中，应逐渐加力至主阀门全开或全闭。切忌一下用力过猛而造成扳手打滑或扭断阀杆。因为阀球在长期静止状态下产生静止惯性，刚开启时，转动力矩较大。启闭数次后，就会正常。
总之，影响PE球阀性能的因素是多方面的，但只要掌握了它的结构和基本特性，并在安装和使用过程中采取必要的应对措施，PE球阀在燃气管道中的使用寿命还是能够得到保证的。
6、结语
聚乙烯球阀开启和关闭的力矩小,阀门无腐蚀,不需维护和维修,使用寿命50年,提高了聚乙烯管网系统的完整性。整体式的阀体,免除了泄漏的可能,聚乙烯球阀与聚乙烯管道连接时,无需设置阀门井,直埋施工,阀体端管可使用对接焊或电熔焊方法连接,阀门的开、关在地面操作,比传统的金属球阀综合经济效益高约2倍。聚乙烯管具有优良的性能,随着聚乙烯材料的进一步研究与发展,聚乙烯管和阀门会有更好的应用。与本文相关的论文有：矿山电动插板阀
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