目前,随着我国社会经济的发展,对工业废水的治理力度、深度与普及率正逐年提高。一般工业废水的含盐量高、腐蚀性强,聚乙烯(PE)管凭借其表面光滑、水头损失小,耐腐蚀,连接可靠漏水率低,造价低等众多优点^[1],在工业废水处理领域得到越来越广泛的应用。PE管有热熔、电熔、法兰连接等多种连接方式^[2],当PE管与法兰件或阀门连接时,需要配套使用PE法兰接头及钢制法兰。

从目前PE管的应用情况看,PE管按公称外径标识,而PE管连接用的钢制法兰及蝶阀均以公称尺寸标识,两者在尺寸上存在一定差异,PE管壁厚较大,内径相对于钢管偏小。由于PE管与其连接用钢制法兰及PE管上蝶阀目前没有明确的对应匹配选用依据,这给设计者、施工者都造成了很大的困扰,经常出现由于PE管道上钢制法兰或蝶阀规格选用不当,进而导致连接失败、废水泄漏、蝶阀不能全部开启、蝶阀损坏等后果,造成经济损失。因此,有必要研究PE管道与钢制法兰及蝶阀的对应匹配尺寸,作为PE管道采用法兰连接时设计、采购及施工的依据。

本文就常用规格PE管道上的钢制法兰规格、蝶阀规格及连接形式进行分析讨论,进而提出合理的选用建议,为PE管道采用法兰连接时的设计、采购及施工工作提供重要的依据,期望对PE管的良好应用具有借鉴作用。

PE管道法兰连接方式如图1所示。具体连接方法是:PE法兰接头连有管道的一端穿过钢制法兰与PE管热熔或电熔连接,PE法兰接头的头部则被卡在钢制法兰的另一侧,钢制法兰通过螺栓与其他钢制法兰连接。钢制法兰规格选用得当是PE管法兰连接成功的关键。

对焊环板式松套法兰是一种能够较好地适用于PE法兰接头的法兰形式,属于《钢制管法兰类型与参数》(GB/T 9112-2010)^[3],如图2a所示。而国内大部分法兰加工厂家依据《板式平焊钢制管法兰》(GB/T 9119-2010)^[4]生产法兰,因此,为了方便采购,国内大多选用依据《板式平焊钢制管法兰》(GB/T 9119-2010)生产的国标平面法兰作为连接PE管的钢制法兰。平面法兰的连接示意如图2b所示。

工业废水处理过程中水压一般不高,在几米至几十米,PE管道压力选用0.6 MPa即够用;PE管等级分为PE63、PE80、PE100,相同外径时,等级越高壁厚越小,内径越大,另外PE100的PE管目前在市场上占主流,因此,本文仅讨论验证等级为PE100、压力为0.6 MPa的PE法兰接头与压力为0.6 MPa、1.0 MPa的钢制法兰尺寸。PE管的壁厚随着直径的增大而增大,PE管直径较大时造价较高,采用防腐碳钢管在经济上更有优势,所以本文仅验证规格d_n≤560的PE管道连接用钢制法兰尺寸。

PE法兰接头与钢制法兰连接时需同时满足以下三个条件才能正常连接。

(1)钢制法兰内径(B)须大于PE管最大平均外径(d_{em max}),PE管才能顺利地穿过钢制法兰,即:B-d_{em max}>0。

(2)钢制法兰螺栓孔中心圆直径(K)与螺栓孔直径(L)的差值(K-L)必须大于PE法兰接头头部的公称外径(D₁)即:K-L-D₁>0。反之,PE法兰接头头部占据部分螺栓孔位置,影响螺栓连接。

(3)PE法兰接头头部的公称外径(D₁)必须大于钢制法兰的法兰内径(B),即:D₁-B>0。反之,PE法兰接头的头部不能有效卡在钢制法兰内,造成连接失效。

其中,PE法兰接头尺寸依据《给水用聚乙烯(PE)管道系统-第2部分:管件》(GB/T 13663.2-2005)^[5],钢制法兰尺寸依据《板式平焊钢制管法兰》(GB/T 9119-2010),PE管尺寸依据《给水用聚乙烯(PE)管材》(GB/T 13663-2000)^[6]确定。0.6 MPa的PE法兰接头与0.6 MPa的钢制法兰的匹配验证结果如表1所示,0.6 MPa的PE法兰接头与1.0MPa的钢制法兰的匹配验证结果如表2所示。

由表1可见:当选用0.6 MPa的钢制法兰时,除d_n125、d_n315外,其他的K-L-D₁值均小于0,除非将法兰规格增大,而在工程上需要采用法兰连接的往往是阀门、设备等,仅仅因此将阀门、设备规格增大往往是不经济的。因此,PE管连接用钢制法兰选用0.6 MPa的钢制法兰是不合适的。

由表2可见:

(1)当选用1.0 MPa的钢制法兰时,除规格为d_n450和d_n560的PE管外,其他规格PE管的K-L-D₁值均大于0。除规格为d_n50、d_n63、d_n90、d_n180、d_n225、d_n280和d_n560的PE管外,其他规格钢制法兰系列1的B-d_{em max}值均大于0。将上述K-L-D₁值及B-d_n<0的钢制法兰规格放大一号,得到规格为d_n50、d_n63、d_n90、d_n450和d_n560的PE管可用钢制法兰。而对于规格为d_n180、d_n225和d_n280的PE管,将其对应的钢制法兰规格放大一号后其D₁-B值便小于0,可见d_n180、d_n225和d_n280没有可选的连接钢制法兰,因此在工程上应尽量避免选用这三个规格的PE管。

(2)对于钢制法兰与PE法兰接头的复合程度,系列1要好于系列2。

综上,工程中可以选用压力为1.0 MPa、系列1的钢制法兰作为PE管连接法兰。

蝶阀作为一种关断阀门,在水处理领域被广泛采用,蝶阀具有体积小、质量小、结构简单,操作简单等优点^[7]。相对于钢管而言,PE管壁厚较厚、内径较小,且采用法兰连接时配套的PE法兰接头伸出钢制法兰面的长度较长,蝶阀规格及连接方式选用不当会造成蝶阀不能全开等后果。因此本文将对常用规格的PE管上蝶阀的规格及连接形式进行分析。

蝶阀的连接形式分对夹式和法兰式,其中,对夹连接蝶阀示意如图3a所示,法兰连接蝶阀示意如图3b所示。

本文中蝶阀长度依据《金属阀门结构长度》(GB/T 12221-2005)^[8],PE管尺寸依据《给水用聚乙烯(PE)管材》(GB/T 13663-2000)。根据前文所述,本文仅对等级为PE100、压力为0.6 MPa的PE管与1.0 MPa的蝶阀规格进行验证,并对蝶阀的连接形式进行分析。PE管内径d_i=d_n-2(e_n+t_y),其中e_n为PE管公称壁厚,是最小壁厚,t_y为壁厚公差,d_n为PE管公称外径,是最小平均外径。L₁为对夹连接蝶阀长度,L₂为法兰连接蝶阀长度,φ为蝶阀阀板的直径,a为阀板与PE法兰接头头部横截面最大交线长度,PE管与对夹连接蝶阀及法兰连接蝶阀的尺寸验证关系如表3所示。

对于对夹连接蝶阀,阀门长度均小于阀板的直径,即:L₁-φ<0,阀板有部分边缘伸入了PE管内。当PE管内径-阀板与PE法兰接头头部横截面最大交线长度值大于0,即:d_i-a>0时,阀板与PE管内壁不冲突,认为可以采用对夹连接蝶阀,反之,阀板与PE管内壁冲突,蝶阀不能完全打开。根据勾股定理,a值可以根据式(1)计算。

对于法兰连接蝶阀,规格不同的法兰式蝶阀的长度与阀板直径的大小关系不同,分为以下两种情况。

(1)阀门长度大于阀板的直径,即:L₂-φ>0时,阀板不伸入PE管内,阀板与PE管内壁不冲突,可以采用法兰连接蝶阀。

(2)阀门长度小于阀板的直径,即:L₂-φ<0时,阀板有部分边缘伸入了PE管内。只有当PE管内径-阀板与PE法兰接头头部横截面最大交线长度值大于0,即:d_i-a>0时,阀板与PE管内壁不冲突时,才可以采用法兰连接蝶阀。根据勾股定理,a值可以根据式(2)计算。

由表3可知:

(1)d_n110及以下PE管上的蝶阀采用对夹连接时,d_i-a>0,且数值较大,宜采用对夹式连接。

(2)d_n110以上PE管道上的蝶阀采用对夹连接时,对于部分管径,除规格为d_n140、d_n160、d_n355的PE管外,虽然d_i-a>0,PE管内径-阀板与PE法兰接头头部横截面最大交线长度值小于5 mm,而工业废水中一般悬浮物较高,蝶阀全开时,阀板与法兰接头之间的间隙过小,容易附着悬浮物而影响阀门启闭,因此认为这些蝶阀不宜采用对夹式连接方式。规格为d_n140、d_n160、d_n355的PE管上的蝶阀可采用对夹式连接。

(3)d_n110以上PE管上的蝶阀采用对夹式连接时,对于另一部分管径,d_i-a<0,即:PE管内径-阀板与PE法兰接头头部横截面最大交线长度值为负值,这意味着阀门的阀板与PE管道内壁冲突,阀门不能完全打开,对于这些蝶阀不能采用对夹式连接。

(4)d_n140及以下PE管上的蝶阀采用法兰式连接时,蝶阀长度大于阀板直径,阀板在阀体内可实现全闭、全开,不存在阀板与PE管内壁冲突的问题,蝶阀可采用法兰式连接。

(5)d_n140以上PE管上的蝶阀采用法兰式连接时,除d_n450的PE管上蝶阀外,PE管内径均大于阀板与PE法兰接头头部横截面最大交线长度,蝶阀可以采用法兰式连接,而d_n450的PE管需选用DN600的法兰式蝶阀才满足阀板与PE管内壁不冲突。d_n560的PE管选用DN600的法兰式蝶阀时,d_i-a=0.08mm,仍小于5mm,建议采用其他形式阀门。

(1)通过等级为PE100、压力为0.6 MPa的PE法兰接头与0.6MPa及1.0MPa的钢制法兰的尺寸验证可知,PE管连接用钢制法兰采用0.6 MPa的钢制法兰是不合适的,工程中可以选用压力为1.0MPa、系列1的钢制法兰作为0.6 MPa的PE管连接用法兰。在工程上应尽量避免选用d_n180、d_n225和d_n280这3个规格的PE管。

(2)通过等级为PE100、压力为0.6MPa的PE管与对夹连接钢制蝶阀及法兰连接钢制蝶阀的尺寸验证可知,d_n110及以下的PE管道上的蝶阀宜采用对夹连接方式,也可采用法兰式连接蝶阀。除规格为d_n140、d_n160、d_n355的PE管道外,d_n110以上的PE管道上的的蝶阀宜采用法兰连接方式。规格为d_n140、d_n160、d_n355的PE管道上的蝶阀可采用对夹式连接或者法兰式连接,d_n450的PE管需选用DN600的法兰式蝶阀才满足阀板与PE管内壁不冲突。d_n560的PE管选用DN600的法兰或蝶阀时,d_i-a仍小于5 mm,建议选用其他形式阀门。