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浅谈管件设计的细节
作者:管理员    发布于:2013-03-20 09:07:12    文字:【大】【中】【小】

浅谈管件设计的细节

四川森普管材股份有限公司  周以春

PE压力管道自上世纪90年代末开始进入全面发展后,已经经历了十多年的快速发展。全国规模以上PE压力管道制造企业也从无到有,有了长足的进步。十多年来,产能从98年不足200万吨到2011年已突破亿吨。管件也逐渐跟上了行业发展,基本实现了满足国内市场需求的目标。

在十余年的时间里,管件结构设计呈现五花八门,异彩纷呈的状况,大家都在时间中逐渐总结出自己的设计思路和理念。

一、外形设计

在管件外形设计中,主要是满足三个方面的要求:1、标准和内在质量要求;2、生产工艺要求;3、美观要求。

对于插口类管件,管形部分的几何尺寸毫无疑问必须满足标准要求,有所变化的仅仅是过渡段的设计。目前,叫常见的就是在过渡段加厚壁厚,以增加该部分的有效壁厚,从而提高承受环应力的能力。有些变径类管件也采用变化内外锥面起始位置和角度的办法来隐性增加壁厚;还有部分产品采用内表面和外表面同时增加厚度的办法,在加大有效壁厚的同时,减少外形变化的突兀感,但这种方法若内部尺寸变化过大会存在有效通径损失和流阻较大的问题。

从承压的角度来说,这样的确会提高插口累管件过渡段的机械强度,但是,由于壁厚尺寸出现一个突变,在注塑过程中加工应力集中的问题将不可避免,严重时会导致产品存在盈利缺陷。当加厚部位与管形部分尺寸差异过大时,在大尺寸制品上比较容易出现内部收缩孔,这对工艺调整和原料选择提出了较高要求。

对于承口类管件,由于产品内径对应公称直径,外径的选择就是一个比较困扰的问题。有一部分产品采用的设计原则是:按照内径、产品设计承压反推外径,甚至要加上1.1-1.25左右的安全系数,个别产品甚至按照SDR9来反推产品外形尺寸;还有一部分产品走向另一个极端:仅考虑焊接过程的材料强度,不考虑产品使用过程承压能力和安全系数。两种思路下产品壁厚呈现很大的差异。

从生产角度来说,PE注塑管件本身就属于小投影面积大注射重量产品。当使用较大的壁厚时会进一步加大制品重量,生产过程中容易出现收缩变形、较重的流纹和内部收缩孔,并且设备的负荷也会比较大,甚至需要更大的设备来生产,生产效率也会降低,产品成本会有所上升。而较小壁厚的产品可以较好的解决收缩变形问题,较小口径产品模具甚至不需要在型腔内做反补偿,模具成本会少许降低,加工效率和能耗也会有明显改善。

从质量角度看,较大的壁厚保证了产品有足够的承压能力。有些观点认为承口类管件本身可以不考虑承压问题,因为管材插入承口完成焊接后承担了耐压的任务;但是在过渡段这个问题同样存在。针对这一问题,有部分产品采用在过渡段外径急剧缩小,在保证壁厚的同时减小制品重量,但存在的问题是:制品外形存在剧烈变化,产品制造过程中的应力集中问题非常突出。

图1、不同设计思想下承口管件壁厚设计的对比



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2、采用内加强和外加强方式设计的插口管件示意图


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3、过渡段突变结构管件的示意图

二、模具设计

模具设计是在满足产品性能要求的前提下尽量提高效率降低成本的平衡过程。PE压力管道注塑管件其结构并不复杂,很少出现旋脱、多级脱模等复杂结构。在模具结构选择和制品设计紧密配合的情况下三个小的细节对产品内在性能、模具寿命中后期使用情况和加工效率有较大影响。

1、外形设计对模具结构的影响

一般情况下PE管件很少出现复杂分型面的情况,但若制品外形设计会导致这一情况出现。例如:PE承插弯头,若采用大弧面设计,在多型腔结构中由于无法将制品水平摆放,导致模具分型面是一个不规则的曲面。这种情况在模具使用时间较长出现飞边以后维修难度会非常大,且不能保证维修效果维持的时间长度。所以现在部分企业在弯头上采用了小弧度设计,即弯头的弧度部分为两个管型中心线交叉的部分,这样可以大大降低模具的复杂长度,但制品在使用中的流阻损失和流体冲击较大。



图4、采用大圆弧和小圆弧方式设计的弯头典型结构,其中左图可以在较简单的模具结构下实现4个以上的型腔,右图水力学特性较好,但模具结构复杂,分型面呈现不规则曲面。

2、模具设计对合缝线的影响

合缝线是注塑产品周向强度最低的位置。产品在模具内摆放的姿势和浇口位置直接决定了产品合缝线的位置和料流流程长度,也决定了合缝线强度的大小。一般的共识是:尽量避免合缝线与产品外形激烈变化的位置重叠;尽量减小料流流程长度;在主浇口下方和合缝线末端设置冷料井。

3、浇口形状和类型对制品性能的影响

在笔者接触的PE注塑管件中较常见的浇口类型有:点状浇口、剪切浇口和盘状浇口。点状浇口的优势是:结构简单、进胶效率高、注射压力损失小,适应于较大注塑量的制品;剪切浇口:浇口面小,可实现自动化生产和免削流道把,但不适应大制品生产,注射压力损失较大,补塑能力不强,合缝线较明显;盘状浇口对制造纯回转体制品较常用,料流流程均匀一致,可实现均匀的环向补塑,但浇口重量较大,对工艺调整有较高要求,需要二次加工去除浇口盘,很难实现多腔生产。

从浇口的特点来看,选择哪一种浇口类型主要取决于制品类型、分型情况、制品重量和加工效率要求。

无论如何,浇口的选择、分型面的选择以及合缝线位置的确定是一体的,其中心目的是在保证质量的前提下提高效率降低成本。

综上所述,PE注塑管件虽然是PE管道中的配套和附属产品,但其质量水平的好坏、产品成本的高地仍然影响着管道系统的质量和管道产品的市场推广。我们相信在同行技术精英的辛勤研究和总结下我国聚乙烯注塑管件一定会在质量、效率和成本上取得多赢。


 
 
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