聚乙烯(PE)球閥在燃氣管道應用
上海申弘閥門有限公司
1、概述
在城市地下燃氣管網系統中,聚乙烯(PE)管道得到越來越多地應用。作為其同壽命、同性能,焊接簡單、密封性能好、使用方便的聚乙烯球閥已作為*的管道控制元件得到越來越多的使用和重視。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥,電動球閥,氣動球閥,電動閘閥,氣動閘閥,電動調節閥,氣動調節閥，減壓閥。水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。PE球閥概述
一、前言
PE球閥與傳統金屬閥門相比，具有重量輕、耐腐蝕、免維護、啟閉力矩小、體積小、占地少等特點，且因與PE管材材質匹配，故安裝方便，使用簡單，在城市燃氣管網中隨著PE燃氣管的廣泛使用而越來越普遍。但在實際使用中，由于對PE球閥的結構和特性沒有充分的了解，常常發現投入運行不久的PE燃氣管網中的球閥或因為內泄漏、或因為無法啟閉而報廢，影響了燃氣管網的正常運行，增加了燃氣企業的運營成本。本文簡單介紹了PE球閥的基本結構，分析了影響PE球閥的幾種因素，同時提出了安裝和使用PE球閥的方法。
2、材料選擇
聚乙烯是一種熱塑性的塑料工程材料,具有一定的強度、剛度、韌性、抗沖擊性、耐腐蝕性和耐磨性。通過控制聚合工藝和在聚合時加入一定量的共聚單體,可以調整或改善聚乙烯材料的性能(表1)。因此聚合工藝的*與否直接導致材料性能的差異。為了管網系統長期安全運行,燃氣管材、管件及閥門必須使用根據材料類型分級的管材料(PE80、PE100)和混配料,不能使用色母。材料顏色一般為黑色和黃色。
3、類型結構
聚乙烯燃氣用閥門一般為球閥(圖1),分為小型聚乙烯閥門(SD63以下)和大型聚乙烯閥門(SD63以上,含SD63)。小型聚乙烯閥門一般不設放散口,大型聚乙烯閥門可根據需要采用不設、設1個或設2個放散口。PE球閥從結構上可以分為無放散型和放散型兩類，而放散型又分為單放散型和雙放散型，但它們關鍵的結構是相同的。
PE球閥是由塑料配件組成的全封閉式結構，由接管座1，閥座2，閥殼體3，閥球4，閥桿5，扳手6，擋圈7，密封圈8組成。其中接管座1，閥座2，閥殼體3采用與管體相同的PE材料制成，閥球4，閥桿5，扳手6，擋圈7用比主體材料硬度、強度更高的其他塑料制成。通過閥座2，擋圈7來固定密封圈8，并構成閥座組合體，分布在閥球8的兩側，閥桿環形凹槽上的密封圈和扳手內腔上的密封圈保證了PE球閥在閥桿5、扳手6處的密封性，而閥殼體3、閥座2與接管座1又通過熱熔方式組合成一整體，保證了連接處的嚴密性，因此PE球閥在通常情況下不會產生外泄漏現象。從結構上看，PE球閥屬于浮動球閥，閥球在外力的作用下，會作相對于閥體的位移，對閥座產生壓力作用，使閥座上的密封圈產生變形，閥座產生蠕變；而當閥殼體受到軸向拉力或壓力作用時，閥球基本上不受影響，而閥殼體帶動閥座產生拉伸或收縮變形；閥殼體內部受到細小硬物影響時，有可能劃傷閥球表面或損壞密封圈。
1.端管 2.閥座(丁腈橡膠- NBR) 3.支撐環(聚丙烯- PP) 4.操作桿(丁腈橡膠) 5.密封圈(縮醛- ACETAL ) 6.扳手帽(聚丙烯、MC 鑄型尼龍) 7.球體(聚丙烯、MC 鑄型尼龍) 8.中閥體
4、性能特點
(1)耐腐蝕。聚乙烯為惰性材料,除少數強氧化劑外,可耐多種化學介質的侵蝕。無電化學腐蝕,不需要防腐層。
(2)無外漏。聚乙烯閥門閥體和端管的連接部位主要采用熔接連接(熱熔連接或電熔連接),熔接寬,密封性能優良。與橡膠圈類接頭或其他機械接頭相比,不存在因接頭扭曲造成外部泄漏的危險。
(3)高韌性。聚乙烯是一種高韌性的材料,其斷裂伸長率一般超過500%,對管基不均勻沉降的適應能力非常強。也是一種抗震性能優良的管道。
4)使用壽命長。聚乙烯材料可使用50年以上,這是國外根據聚乙烯管材環向抗拉強度的長期靜水壓設計基礎值(HDB)確定的,已被標準確認。
(5)施工方便。聚乙烯閥門與金屬閥門相比質量輕,便于安裝。開閉容易,操作力矩小。閥門為全通徑,壓力損失小。
影響PE球閥性能的因素
1、內部壓力對球閥的影響
PE球閥在全開的情況下，基本上不受內力的影響。但在球閥關閉的情況下，閥球受到軸向力的作用時，會沿閥體作軸向相對移動，對密封圈和閥座單向擠壓，影響密封圈彈性，并使閥座上的擋圈產生蠕變，力越大，閥球位移越大，擋圈的蠕變量也越大，閥球開啟力矩也越大。而當閥球受力減小時，閥球位移量減少，而擋圈上產生的變形量仍保持在大壓力下產生的位置。此時，閥球與密封圈接觸不嚴或產生間隙，造成低壓內漏。
根據聚乙烯燃氣管道技術規程的規定，管網的耐壓試驗時的壓力為設計壓力的1.5倍，且不小于0.4MPa。密封性試驗壓力為設計壓力的1.15倍。但城市燃氣管網中的實際運行壓力遠小于上述規定的壓力。因此在進行管網的耐壓試驗和密封性試驗時，必須開啟試驗段范圍內的所有PE球閥，末端用盲板封堵。切忌在PE球閥開啟不到位，或用PE球閥代替盲板封堵的情況下進行試驗，否則PE球閥產生低壓內漏的可能性會很大。
2、外部應力對球閥的影響
PE球閥所受外部應力分為拉伸應力和壓縮應力，對閥球無直接影響，對其他部件有影響。
當PE球閥受到拉伸應力作用時，閥體會產生拉伸變形，閥座和閥球的距離增加，導致閥球與密封圈接觸松動，密封性能下降，從而導致球閥的內泄漏。當PE球閥受到壓縮應力作用時，閥殼體會產生壓縮變形。閥座與閥球的距離變小，密封圈會與閥球過度擠壓而變形，此時球閥的啟閉力矩急劇增加，當超過允許限度時，就會無法啟閉球閥，造成閥桿或扳手的損壞。
PE管材采用擠出拉伸加工而成，在成型工程中，PE大分子鏈通過拉伸而取向，在軸向上的拉伸強度和壓縮程度大為增加，而PE球閥中各部件通過注塑成型，大分子鏈成無序狀態排列，因此PE球閥的抗拉強度和抗壓強度低于管材的強度，當管網中產生拉伸壓力和壓縮應力時，PE球閥所受到的影響遠遠大于PE管材所受到的影響。
在PE燃氣管網中，PE球閥受到兩類應力作用，一是因土壤地基不均勻引起局部管線下沉，從而對閥門產生拉伸作用，另一是管線安裝與使用過程中的溫度不同，導致管線產生溫差應力，從而對閥體產生拉伸或者壓縮，拉伸可能導致球閥的內泄漏，壓縮可能導致球閥的啟閉力矩增加，影響正常操作。
3、固體顆粒的影響
管線中存在固體顆粒時，運行過程中，固體顆粒可能會粘附在閥內腔、閥球 表面或密封圈上，操作時可能卡住閥球，使閥球無法轉動，或者劃傷閥球表面，損壞密封圈，造成閥球與密封圈的密封性能減小或無法密封，從而造成球閥的內泄漏。
5、應用
高、中壓聚乙烯管道主管上應設置分段聚乙烯閥門,并應在閥門兩側設置放散管。高、中壓聚乙烯燃氣管支管起點處也應設置聚乙烯閥門,可單側設置放散管。聚乙烯球閥主要為埋地中密度聚乙烯管線配套,輸送及截斷各種燃氣介質流。該閥可直埋于地下,只需安裝很簡單的護套、啟閉座配件,就可使用扳手在地面上執行啟閉操作,聚乙烯球閥適用的介質為符合國家標準的凈化天燃氣、液化石油氣和人工煤氣等。對策
影響PE球閥性能的因素常常產生在安裝和使用的過程中。只要正確掌握PE球閥的安裝和使用方法，就能減少PE球閥產生故障的可能性。其安裝與使用過程中應注意以下幾點：
1、安裝前不必進行氣密性試驗。按照標準ISO10933和歐洲標準EN1555-4要求，每只PE球閥都要求進行三個項目的出廠檢驗，即外觀檢驗、扭矩檢驗、密封性檢驗，合格后才能出廠。由于PE球閥的特殊性，除外觀檢驗外，扭矩檢驗和密封性檢驗一般燃氣用戶不具備檢驗條件，特別是密封性檢驗，決不能用夾緊金屬閥門的方法夾緊PE閥門，更不能用千斤頂來頂緊閥門的接管座進行檢驗，這樣會使閥體產生應力變形而損壞，燃氣企業通常只憑產品的合格證作為產品是否合格的依據。
2、閥門安裝前應在現場陰涼處放置一段時間，使閥門溫度與管材溫度基本一致。閥門與管材應避免在陽光下暴曬，盡量使安裝與使用時的溫度相差不大，以減少溫差應力對閥門的影響。
3、閥門拆除包裝時，保持焊接區域的干凈，管線應吹掃干凈。在*開啟閥門的情況下，與管線進行焊接。閥門底部土壤應予夯實，且與管線的中軸線一致，閥門桿軸線垂直于地面。同時將閥門四周的回填土夯實，避免閥門的晃動或移動。
4、閥門前后管線的土壤應盡量平整，閥門前后管線的直管段盡量短，必要時可以人為增設彎頭來縮短直管段的長度，避免因管線地基不勻而導致管線下沉，直接對閥門產生拉伸作用，造成閥門的密封性能下降。
5、閥門安裝完畢后，應全開全關閥門數次，使閥球轉動靈活，并使閥門處于全開狀態，扳手上加防護套管，及時砌筑閥門井，避免泥土、石塊落入套管內，影響套桿與扳手的接觸，造成閥門啟閉困難或無法啟閉。
6、管線進行耐壓試驗和氣密性試驗時，閥門應處于全開狀態，禁止閥門關閉或開啟不到位，不能用閥門代替盲板封堵，否則會造成閥門內漏。
7、已運行管線需延長或接旁通管線時，應先盡量降低管線的壓力，然后關閉閥門。安裝完畢后，先開啟閥門，然后再增加管線的壓力。
8、管線上的閥門，每6個月左右應進行啟閉操作，每次啟閉數個來回，確保閥門啟閉正常。在開關過程中，應逐漸加力至主閥門全開或全閉。切忌一下用力過猛而造成扳手打滑或扭斷閥桿。因為閥球在長期靜止狀態下產生靜止慣性，剛開啟時，轉動力矩較大。啟閉數次后，就會正常。
總之，影響PE球閥性能的因素是多方面的，但只要掌握了它的結構和基本特性，并在安裝和使用過程中采取必要的應對措施，PE球閥在燃氣管道中的使用壽命還是能夠得到保證的。
6、結語
聚乙烯球閥開啟和關閉的力矩小,閥門無腐蝕,不需維護和維修,使用壽命50年,提高了聚乙烯管網系統的完整性。整體式的閥體,免除了泄漏的可能,聚乙烯球閥與聚乙烯管道連接時,無需設置閥門井,直埋施工,閥體端管可使用對接焊或電熔焊方法連接,閥門的開、關在地面操作,比傳統的金屬球閥綜合經濟效益高約2倍。聚乙烯管具有優良的性能,隨著聚乙烯材料的進一步研究與發展,聚乙烯管和閥門會有更好的應用。與本文相關的論文有：礦山電動插板閥
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