摘 要

摘　要：介绍燃气用埋地聚乙烯球阀的特点、类型、基本结构。对设计要求、设计关键点、生产流程、制造工艺注意事项进行了分析。关键词：聚乙烯球阀； 设计； 制造Design and Manuf

摘　要：介绍燃气用埋地聚乙烯球阀的特点、类型、基本结构。对设计要求、设计关键点、生产流程、制造工艺注意事项进行了分析。

关键词：聚乙烯球阀；  设计；  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　特点、类型与基本结构

随着高分子材料科学技术的快速发展，我国管道领域开始推行“以塑代钢”，并以城市燃气领域为先导，埋地聚乙烯(PE)管材、管件的生产和应用得到了长足发展。作为燃气用埋地PE管道系统中重要的组成部件——PE球阀也逐渐得到重视。

①特点

PE球阀与传统金属球阀相比，具有以下明显的优点：重量轻，耐腐蚀，免维护，操作扭矩小，操作简便，体积小，抗沉降，寿命长等，又因与PE管材的材质相匹配，安装简便。但与传统金属球阀相比也存在以下不足：机械强度低，工作压力受限，对温度敏感等。然而，总体优势明显^[1]。

②类型

按材料等级分，可分为PE80级球阀、PEl00级球阀。

按使用功能分，可分为标准型球阀、单放散型球阀、双放散型球阀。单放散型球阀与双放散型球阀是标准型球阀的扩充，本文探讨的PE球阀为标准型球阀。

按通径分，可分为全通径球阀、缩径球阀。

③基本结构

PE球阀的基本结构见图1，各部件名称、材质、数量见表l。

 

 

 

 

2　设计要求及设计关键点

2．1　设计要求

GB l5558．3—2008《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第3部分：阀门》于2008年12月15日发布，并于2010年1月1日实施。因此，现阶段国内设计、制造的PE球阀都必须遵照现行规范的规定。下面对PE球阀的一般设计要求进行归纳分析。

①材料要求

a．PE80、PEl00级混配料应符合GB l5558．1—2003《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统  第1部分：管材》的规定，不得使用回用料。

b．橡胶密封圈应符合HG／T 3092《燃气输送管及配件用橡胶密封圈胶料》的规定，其他密封材料应符合相关标准并适用于燃气输送。

c．润滑剂不应对PE球阀各部件有负面影响，能长期耐受燃气中的腐蚀性组分，能长期维持应有的润滑性能，具有优良的黏温性能和低温性能。

②外观要求

a．阀体颜色应为黑色或黄色。

b．阀门内外表面清洁，无缩孔(坑)及明显的划痕。

c．永久性标志包括：制造商的名称或商标；材料等级或牌号；公称外径；SDR系列及MOP(最大工作压力)；可追溯性编码。

d．无其他影响使用的缺陷。

③几何尺寸要求

a．当管材材料等级为PE80，PE球阀材料等级为PEl00时，阀门壁厚≥0.8倍管材壁厚；当管材为PEl00，PE球阀材料等级为PE80时，阀门壁厚≥1.25倍管材壁厚。且PE球阀的任一点实测壁厚不低于设计壁厚。为了防止应力集中，阀体壁厚的变化应逐渐改变。

b．PE球阀两端可为插口也可为承口，但尺寸必须符合GB l5558．2—2005《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第2部分：管件》对插口及承口的要求。

c．操作帽的尺寸能与长×宽×深为50mm×50mm×40mm的方孔钥匙有效配合。公称外径250mm及以上的阀门可设计为与长×宽×深为75mm×75mm×60mm的方孔钥匙有效配合。

④力学性能要求

阀门的力学性能指标有：静液压强度；密封性能；压力降；操作扭矩；止动强度；对操作装置施加弯矩期间及解除后的密封性能；承受弯矩条件下，温度循环后的密封性能及易操作性(公称外径≤63mm)；承受拉伸载荷后的密封性能及易操作性；冲击后的易操作性；持续内部静液压后的密封性能及易操作性；耐简支梁弯曲密封性能(公称外径>63mm)；耐温度循环试验后的密封性能及操作扭矩(公称外径>63mm)。

⑤物理性能要求

应满足以下两项要求：氧化诱导时间(热稳定性)：在试验温度200℃下，氧化诱导时间>20min。熔体质量流动速率(MFR)：要求在190℃，5kg条件下，0.02g／min≤MFR值≤0.14g／min，且阀体与原材料测量值的相对误差不超过±20％^[2]。

2．2　设计关键点

①密封方式

线密封与面密封是PE球阀密封件与阀球进行接触密封形成的两种状态。线密封表现为密封件与阀球以线接触为主，特点是：对加工精度和圆度要求相对较低，但操作扭矩偏大。面密封表现为密封件与阀球以面接触为主，特点是：对加工精度和圆度要求相对较高，但操作扭矩较小。综合考虑，适当的线密封与面密封的结合形态是比较理想的密封方式，即选取适当的接触面积。

②阀球设计

阀球可设计成浮动球、固定球。浮动球设计是阀球只靠密封件支撑，没有其他部件固定，阀球既能转动也能左右适当移动。特点是：操作扭矩较大(特别是高压状态下)，对加工精度和装配精度要求较低，高压密封效果较好，若产生密封间隙，可以适当调整。固定球设计是阀球底部比“浮动球”多一个定位销杆固定，阀球只能转动，不能左右移动。特点是：操作扭矩较小(特别是高压状态下)，对加工精度和装配精度要求较高，高压密封效果好，若产生密封间隙，无法调整。

由以上分析可知，高压状态下，浮动球设计往往导致PE球阀操作扭矩过大，甚至损伤密封件。固定球设计可降低高压状态下的操作扭矩，但若阀球与密封件存在装配间隙或因后期磨损导致的间隙，则无法调整，有发生内漏的可能，且无法修复。

因此，在设计时，宜将阀球设计成“改进的浮动球”。在低压状态下，靠密封件与阀球之间的接触实现密封；在高压状态下，由阀座与阀球的接触抵消部分阀球与密封件的接触压力(以减小操作扭矩)。这样设计既能保证密封良好，又不会产生操作扭矩过大的问题，特别是在有较高的冲击气流以及长时间单向高压密封状态下。由于阀座采用的PE材料比阀球采用的尼龙或聚丙烯材料的硬度小，因此阀座与阀球的接触不会损伤阀球。

3　生产流程

PE球阀的生产流程见图2。

 

3．1　制造流程

①原料及检验：对原料(专用PE混配料)各项参数按要求检验，特别是原料的湿度。

②注塑成型及检验：按照工艺要求，用注塑机将所需配件注塑成毛坯件，并检验毛坯件的尺寸和其他各项要求，如颜色、缺陷、气孔等。

③机加工及检验：完全冷却定型并消除内应力后，按图纸和加工工艺要求对毛坯件进行机加工，并检验加工精度、表面粗糙度、圆度等各项指标。

④装配

a．阀杆应与阀体孔紧密配合，在组装时，清理表面并按尺寸要求进行分组装配，按装配工艺要求在阀杆上套装橡胶密封圈到位，不能卷曲、翻转。然后，在阀杆上均匀涂抹PE球阀专用密封脂，然后进行孔、杆装配，装配时用力不宜过猛，以防橡胶密封圈破损，安装好后将阀杆来回扭转几圈以确保安装到位。

b．装配阀座时，橡胶密封圈按工艺要求在阀座就位，采用圆周均匀加压方式实现档圈与阀座的装配，严禁强制装配。在阀球装入前，在密封圈上均匀涂抹PE球阀专用密封脂，并检查阀球表面有无划伤的痕迹，然后擦拭干净。装入时，球体击打面上应放置干净的棉布，用橡胶榔头轻轻敲打就位，严禁用力敲打，然后再旋转阀杆，带动阀球，检查圆周间隙，并进行适当调整，使阀球处于阀体中心位置，最后在阀球表面均匀涂抹PE球阀专用密封脂。

c．阀球装入后，采甩_螺纹式旋合预紧”的工艺方法进行阀体与阀座的装配，采用专用扭力扳手扳动阀杆，从而带动阀球进行反复旋转，检查并调整阀球与橡胶密封圈的密封吻合程度以及阀球在阀体中的对称度，并记录PE球阀操作扭矩，最后选定最佳配合状态，扭矩也应符合工艺要求。

d．PE球阀操作帽与阀体的装配：先在阀体上套装橡胶密封圈，再把PE球阀操作帽套上，用力压下操作帽，用过盈配合的方式把操作帽压套在阀体头部，使PE球阀操作帽与阀体在正常操作过程中不脱开，并能够开关转动到位^[1]。

⑤热熔焊接封装

热熔焊接封装指阀体与两端接管的热熔焊接，见图l中位置10。PE球阀的热熔焊接封装采用热熔焊机进行，从而形成不可分离的整体，各规格PE球阀热焊封装工艺参数见表2。

 

将接管与阀体固定在夹具上，进行位置调整后，使得接管与阀体焊接面的错位量小于壁厚的10％。然后进行焊接面的削铣，削铣后两焊接面的间隙应小于0.3mm。放置加热板，对焊接面进行加热，不同规格PE球阀焊接面的吸热时间、吸热起边高度应符合表2规定。吸热完成，快速取出加热板，中间切换时间不应超过6s，迅速进行对接操作，按要求上升到对接压力(满足表2规定)，然后进行保压冷却。热熔焊接后的外观要求：翻边应光滑、圆整、对称，起边高度为5mm左右。

3．2　出厂检验

①全检项目

a．外观检验：肉眼观察，阀门内、外表面应洁净，无缩孔(坑)、明显的划痕和其他可能影响符合GB15558．3—2008的表面缺陷。阀门颜色应为黑色或黄色。

b．操作扭矩试验(环境温度23℃)：在0.4MPa的试验压力下：公称外径≤63mm，最大操作扭矩不超过35N·m；63mm<公称外径≤125mm，最大操作扭矩不超过70N·m；125mm<公称外径≤225mm，最大操作扭矩不超过l50N·m；225mm<公称外径≤315mm，最大操作扭矩不超过300N·m。

c．高压密封性能试验：23℃下，气压为0.6MPa，持续时间30s，无破坏、无泄漏。

d．低压密封性能试验：23℃下，气压为2.5kPa，持续时间≥10min，无泄漏。

②抽检项目(按分组、批次抽检)

a．几何尺寸检验：包括阀门端管的外径，阀门任意点壁厚，长度，操作帽的尺寸。

b．80℃静液压强度试验：试验温度80℃；试验时间165h；试验环应力PE80为4.5MPa，PEl00为5.4MPa。结果要求：无破坏，无渗漏。

c．24h低压气密性试验：试验温度23℃；试验时间24h；气压2.5kPa。结果要求：无破坏，无渗漏。

d．氧化诱导时间：试验温度200℃，氧化诱导时间大于20min。

e．熔体质量流动速率(MFR)：在190℃、5kg条件下，0.02g/min≤MFR值≤0.14g／min，且阀体与原料测量值的相对误差不超过±20％。

4　PE球阀制造工艺注意事项

①阀球表面的粗糙度控制。阀球表面的粗糙度直接关系到PE球阀的密封性能与操作扭矩，因此在制造工艺允许的情况下，表面粗糙度越小越好，推荐表面粗糙度小于或等于3.2mm，且表面无缺陷。

②阀座与档圈的圆度控制。阀座与档圈的圆度直接关系到PE球阀的密封性能，但注塑件难免因冷却收缩、内应力释放以及加工过程中的余量不均、装夹变形等因素，产生较大的圆度误差。因此，必须严格控制，宜采用专用夹具进行机加工。在装配过程中不能因阀座与档圈的圆度误差，而人为过度地增加装配预紧力。

③PE球阀密封脂的选用。密封脂性能对PE球阀长时间安全使用至关重要，因此必须使用PE球阀专用的密封脂。

④橡胶密封圈的选用。橡胶密封圈的性能也是保证PE球阀长期有效运行的关键，橡胶密封圈的材质优先选用氟橡胶、三元乙丙橡胶。橡胶密封圈的各项性能指标应符合HG／T 3092—1997《燃气输送管及配件用橡胶密封圈胶料》相关规定，硬度在邵氏70～72为宜，且对PE球阀专用密封脂无不良影响。

 

参考文献：

[1]乔国强，刘士青，田志芳，等．燃气用埋地聚乙烯球阀的改进[J]．煤气与热力，2002，22(6)：555-556．

[2]陈健辉，朱勤．燃气管道聚乙烯阀门制造与安装质量控制[J]．化工装备技术，2010(2)：45-46．

 

本文作者：赵立刚，  陈建强，  宋林波

作者单位：宁波市宇华电器有限公司PE管件工程(技术)中心