煤層氣集輸用薄壁聚乙烯管關鍵技術研究

劉向薇 杜明俊 張朝陽 王予新 廖黔瑜

1中國石油工程建設有限公司華北分公司

2中石油煤層氣有限責任公司

煤層氣是指蘊藏在煤層中以甲烷為主，吸附在煤基質顆粒表面，部分游離于煤孔隙中或溶于煤層水的烴類氣體[1]。我國具有煤層資源豐富、地質儲量巨大的特點。煤層氣是我國非常規油氣資源中的一個重要組成部分，埋深2 000 m 左右的煤層氣資源總量近37×1012m3，可開采資源約10.7×1012m3，與常規天然氣資源量基本相當[2-3]。

煤層氣采氣管網具有敷設密集、多分枝、多變徑、施工周期長的特點，而且管網沿線人煙稀少，敷設地多為山地、坡地、荒地、農田，地貌總體上以河谷和低山丘陵為主，起伏較大、溝壑縱橫，地面表層多為疏松的黃土。煤層氣集輸管道的選用既要考慮安全性，又要控制材料及安裝成本，才能有利地促進煤層氣產業安全、高效發展。因此，煤層氣管道材料應具備低成本、高耐蝕、易焊接、便于施工等特點。

適合煤層氣采氣管網的管材主要包括鋼管、聚乙烯管（PE 管）、柔性復合管、鋼骨架PE 塑料復合管等。其中，聚乙烯管材在成本、運輸、安裝等諸多方面優勢突出，且具有耐腐蝕性強、韌性好、撓性優良、連接性能好、使用壽命長等特點，在城市燃氣管網建設中得到廣泛應用。荷蘭作為最早使用塑料燃氣管的國家，其塑料燃氣管占比已達到50%，英國埋設的燃氣支干線中PE 管占比近80%。國內煤層氣自2012 年開始使用PE 管，PE 管道在煤層氣采氣管網中占比近90%。

目前國內沒有專用于低壓煤層氣集輸的PE 管材及標準，所選用管材主要依據《氣田集輸設計規范》、《城鎮燃氣設計規范》和《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統》 等標準，主要規格為PE100 SDR11、PE100 SDR17[4-6]。此類管材標準與規格主要是針對常規油氣田及城鎮燃氣管道建設，等級要求較高，承壓能力遠超出煤層氣需求，導致管材費在采氣管網工程建設費中所占比例較大。因此，開展煤層氣集輸用薄壁聚乙烯管關鍵技術的研究是必要的。

根據煤層氣管網運行壓力較低、敷設地區等級低、投資控制嚴格等特點，對PE 管道在煤層氣集輸工況下應用的關鍵技術進行了專項研究，以論證低成本的低壓煤層氣集輸用PE100 SDR21 聚乙烯管材應用在煤層氣集輸支干線的可行性。推算出PE100 SDR21 系列管材的焊接工藝參數，通過焊接工藝評定驗證了其適用性，優選出更適用于PE 焊接接頭的無損檢測手段，并通過試驗，論證了其有效性。

1 薄壁PE管在煤層氣集輸中的適用性

1.1 煤層氣集輸的基礎數據

為更好地論證薄壁PE 管在煤層氣集輸工況下的適用性，搜集大量的煤層氣井場的集輸數據，并進行統計分析。圖1 為A、B 兩座煤層氣代表性井場集輸壓力和運行溫度數據統計。

由圖1 可知，煤層氣集輸壓力在0.32 MPa 以下（0.32 MPa 為若干井場統計數據的最高值），運行溫度在22.5 ℃以下（22.5 ℃為若干井場統計數據的最高值），且運行溫度皆高于0 ℃。所以將設計壓力取值為0.4 MPa，設計溫度取值為25 ℃。

圖1 A、B 兩座代表性井場集輸壓力和運行溫度數據統計Fig.1 Data statistics of gathering pressure and operating temperature of two representative well sites A and B

1.2 溫度適用性

ISO 4437—2014 中描述，燃氣用PE 管材的適用溫度范圍為-20～40 ℃，煤層氣集輸溫度范圍為0～25 ℃。因此，在溫度方面，PE 管材適用于煤層氣集輸。

1.3 壓力適用性

PE 管材最大允許工作壓力的主導因素包括管材的最小要求強度和設計系數等。

1.3.1 最小要求強度

PE 管材的最小要求強度是按照GB/T 321—2005 向小圓整，獲得置信下限σLPL的值。當σLPL＜10 MPa 時，按R10 圓整；當σLPL≥10 MPa時，按R20 圓整。PE100 置信下限取值要求為10.0 MPa≤σLPL＜11.2 MPa，按R20 圓整后，最小要求強度為10.0 MPa。

1.3.2 設計系數

設計系數的取值主要取決于管材輸送介質成分、快速裂紋擴展和敷設地區等級等因素。

（1）介質成分（碳氫類凝析物會對PE 管材性能有所破壞）。煤層氣的主要成分為甲烷，不含重烴，運行過程中不會產生碳氫類凝析物，因此，在介質方面無需提高其設計系數。

（2）快速裂紋擴展。煤層氣集輸運行溫度常年在0 ℃以上，其快速開裂的風險較低。另外，每批次PE 管材出廠前均做快速裂紋擴展評定，因此，快速裂紋擴展方面無需提高其設計系數。

（3）敷設地區等級。煤層氣集輸工況所屬地區等級一般為最低地區等級，原則上無需提高其設計系數。

綜上所述，在一般地區，可參照GB/T 15558—2015，取最低值2 作為設計系數（具體設計取值仍需按照相關標準要求合理增大）。

1.3.3 最大允許工作壓力

根據CJJ 63—2018，PE 管材不同溫度下最大允許工作壓力(MOP)需按照式（1）進行計算

式中：MOP為最大允許工作壓力，MPa ；MRS為最小要求強度，MPa；C為設計系數，無量綱；DF為溫充折減系數，無量綱；SDR為標準尺寸對比，無量綱。

根 據 式（1），20 ℃時，SDR11、SDR17、SDR21、SDR26 等系列PE100 管材的最大承壓均大于煤層氣實際集輸壓力。由表1 可知，SDR21 系列最大允許工作壓力為0.5 MPa，SDR26 系列最大允許工作壓力為0.4 MPa。因此，SDR21、SDR26 系列PE100 管材均可作為煤層氣集輸管線，但考慮溫度在20 ℃以上時，PE 管材的承壓可能會有一定折減，在壓力較低的工況下僅應用SDR26 系列。

表1 PE100 管材在不同溫度下的最大允許工作壓力Tab.1 Maximum allowable operating pressure of PE100 pipe under different temperature

1.4 管徑適用性

煤層氣單井產量較低、井數較多，單井管線所選用的管徑較小。集氣站前端采氣干線輸氣量大、壓力低，管線所選管徑較大。煤層氣采氣管網管徑的計算采用《油氣集輸設計規范》中計算公式。考慮到各條采氣干線的高差雖小于200 m，但整條采氣干線的起、末點高差均大于200 m，因此，在計算時采用有高差影響的公式（2）。

式中：qv為氣體流量，m3/d；d為管線內徑，cm；p1為計算管段起點壓力（絕壓），MPa ；p2為計算管段終點壓力（絕壓），MPa ；Z為氣體的壓縮系數，無量綱；T為氣體的平均輸送溫度，K；L為管道的計算長度，km；Δ 為氣體的相對密度，無量綱；Δh為起末點高差，m；a為系數（見GB/T 50349—2015），m-1；n為管段數，無量綱；hi為終點標高，m；hi-1為起點標高，m；Li為各段管長，m。

依據常規方案的配產量，水平井為17 000 m3/d，直井為2 500 m3/d。經計算，煤層氣采氣管網最小計算管徑為32 mm，采氣干線最大計算管徑為492 mm（輸氣量為535 000 m3/d）。根據ISO 4437—2014 規定，PE100 級燃氣管道，外徑可以為20～630 mm，因此煤層氣采氣管網可全部采用聚乙烯PE100 級管道。

綜合煤層氣集輸數據、溫度適用性、壓力適用性及管徑適用性的研究可以發現，煤層氣集輸管線管材可全部選用PE 管材。對于一般段的常規敷設，選用薄壁PE100 聚乙烯管材是適用的。

2 薄壁PE 管的焊接技術

TSG D2002—2006《焊接技術規則》僅給出了SDR11、SDR17.6 系列的推薦焊接工藝參數，為規范施工，保證SDR21、SDR26 系列管材間的焊接質量，使用合理的薄壁PE 管材焊接工藝參數是必要的[7]。

PE 管道的焊接方式有熱熔焊接和電熔焊接兩種。熱熔焊接是將兩段PE 管道端口置于加熱平臺，加熱至熔融狀態后，在壓力作用下將熔融端面緊密貼合在一起，并在冷卻前保持壓力作用，最終將管道焊為一體。電熔焊接主要是對預埋在電熔管件內表面的高電阻金屬絲進行通電，其產生的熱量將管端融化，并逐漸相互融合，經自然冷卻后即可完成電熔焊接。

2.1 電熔焊接

根據TSG D2002—2006 中要求，電熔承插焊接及電熔鞍形焊接的關鍵工藝參數包括電壓、加熱時間、冷卻時間、電阻值。以上關鍵工藝參數由管道元件制造單位提供。

2.2 熱熔焊接

熱熔接焊的工藝參數包括卷邊高度、吸熱時間、切換時間、增壓時間、冷卻時間、焊接壓力等。

2.2.1 熱熔焊接參數

熱熔焊接工藝參數的推算是參照德國焊接技術規則DVS 2207—1，推算原則見圖2。

圖2 熱熔焊接工藝參數的推算原則Fig.2 Calculation principle of hot-melt butt welding process parameters

其中焊接壓力P1和焊接規定的壓力P2分別按式（3）、式（4）計算：

式中：p1為總焊接壓力，MPa；p2為焊接規定壓力，MPa；pt為拖動壓力，MPa；A1為管材的截面積，mm2；A2為焊機液壓缸中活塞的有效面積，mm2；p0為作用于管材上單位面積的力，0.15 N/mm2。

根據以上推算原則，推算出的SDR21 系列PE100 管材的熱熔焊接工藝參數見表2。其他薄壁系列均可參照該原則推算。

表2 SDR21 系列PE100 管材的熱熔焊接參數Tab.2 Hot-melt butt welding parameters of SDR21 series PE100 pipe

2.2.2 焊接工藝評定

為驗證焊接工藝參數的合理性，制備了DN110、SDR21 PE100 焊接試件，并按照TSG D2002—2006、GB/T19810—2005、GB/T6111—2018等破壞性試驗評價標準，對其進行破壞性試驗評價，評價結果見表3。

表3 焊接工藝評定結果Tab.3 Welding process evaluation results

焊接工藝表征結果顯示，按照DVS2207—1 推算出的SDR21 系列PE100 焊接工藝參數適用于該系列管材的熱熔焊接，在選用該系列管材時，可按照該參數執行。但考慮到不同廠家管道元件性能參數存在一定的差異性，焊接施工前應進行焊接工藝評定，評定通過后方可進行焊接施工。

3 焊接接頭無損檢測

近年來各地方政府對壓力管道的安全監管工作越來越重視。PE 管道的應用不斷擴大，全國范圍內的PE 管道因存在缺陷導致焊接質量降低所引發的事故逐年上升，而國內現行標準中對PE 管道焊接接頭的檢測方式僅有目視檢測和試壓等方式，其缺陷辨識度遠達不到工程需求。所以，亟需一種有效合理的無損檢測手段來實現PE 管道焊接接頭檢測。

3.1 無損檢測方式比選

PE 管道焊接接頭的有效無損檢測手段主要有相控陣超聲檢測和射線檢測兩種。

射線檢測借助于計算機數字圖像處理技術，降低圖像噪聲，提高圖像的對比度、清晰度，圖像質量可以和X 射線照相底片質量相媲美，通過灰度—厚度曲線可以實現測厚和缺陷高度測量，使成像更為直觀。但射線衍射對人體有一定程度的危害，且對電熔焊接中存在的冷焊、過焊、氧化皮未刮等缺陷類型較難辨識。

相控陣超聲技術通過聚焦得到的超聲波很細，從而使超聲波有足夠的能量反射并被換能器接收，保證接收信號有良好的分辨率和信噪比。采用相控陣超聲技術，可以通過計算機靈活地控制超聲波束的入射角度、焦點及焦距，并且超聲波束可以在探頭內快速平移調整，這也使相控陣超聲檢測技術的適用性大大增強[8-9]。相控陣超聲檢測技術的圖譜識別需要掌握一定的專業能力，通過圖譜解讀來識別PE 管道焊接接頭常見的電阻絲錯位、承插不到位、夾雜、冷焊、過焊、氧化皮未刮等全部缺陷類型，并且通過對特征線之間的間距測量可以計算出缺陷尺寸，實現對缺陷的量化表征，兩種無損檢測技術的檢測效果見圖3。

圖3 PE 管道焊接接頭無損檢測效果Fig.3 Nondestructive testing effect of PE welding joints

兩者相比，相控陣超聲檢測所能識別的缺陷類型更廣、檢測成本更低、設備更加便攜，且對人體無傷害。另外，GB/T 38942—2020《壓力管道規范公用管道》第7.2.3.3 條無損檢測中要求：“除設計文件另有規定外，現場電熔焊接和熱熔焊接的管道及管道附件焊接處宜進行100%相控陣超聲檢測。”[10]因此，超聲相控陣技術在PE 管道焊接接頭的檢測中更具優勢。

根據比選結果和標準介紹，相控陣檢測技術更適用于PE 管道焊接接頭的檢測。

3.2 相控陣超聲檢測試驗

為驗證相控陣超聲檢測技術對PE 管道焊接接頭缺陷檢測的有效性，制備了PE 電熔冷焊缺陷試件、PE 電熔過焊試件、PE 熱熔金屬夾雜試件、PE熱熔未熔合試件（熔合面污染）及其對應的熱熔、電熔平行試件，并采用BAMBOO-200 相控陣超聲檢測儀對上述試件進行缺陷表征檢測，表征結果見圖4。

圖4 相控陣超聲檢測圖譜表征結果Fig.4 Characterization results of phased array ultrasonic testing map

由圖4 可知，a1電熔標準試件電阻絲排列規整，沒有明顯錯位現象，電阻絲上方的特征線與電阻絲的間距為3.29 mm，熔合面沒有間隙和空洞，管材內壁信號連續、清晰。a2電熔過焊試件（試件制備時，加熱時間為正常加熱時間的130%），電阻絲與特征線之間的間距為4.5 mm，對比于標準試件的3.29 mm，其過焊程度H=36.8%，與實際過焊程度基本相符。a3電熔冷焊試件（試件制備時，加熱時間為正常加熱時間的40%），電阻絲與特征線之間的間距為1.3 mm，對應的冷焊程度H=60.5%，與實際冷焊程度基本相符。b1熱熔標準試件，采用扇掃描從焊縫位置檢測的圖像，除探頭本身的干擾信號之外，沒有明顯缺陷信號。b2熱熔金屬夾雜試件，采用扇掃描從焊縫位置檢測的圖像，標識處顯示有較強的金屬夾雜信號。b3熱熔未熔合試件，采用扇掃描從焊縫位置檢測的圖像顯示，除探頭本身的干擾信號之外，焊縫位置出現貫穿性信號，檢測結果顯示試件內部含未熔合缺陷。在之前的研究中發現，相控陣超聲檢測技術對其他類型缺陷的檢測上也有較大優勢[11]。

以上結果表明，相控陣超聲檢測技術是一種優異的PE 管道焊接缺陷表征方式，可有效實現對PE管道接頭內部缺陷的量化表征。

4 結論

研究結果表明，薄壁SDR21 系列薄壁PE100 管材適用于常規的煤層氣集輸工況，且PE 管材的外徑范圍可完全覆蓋煤層氣采氣管線的所需范圍。對于煤層氣集輸的一般段敷設，設計人員可優先選取薄壁PE 管。對于薄壁PE 管的焊接施工問題，建議參照文中的推算原則推算出對應的焊接參數，通過焊接工藝評定后可進行焊接施工。另外，考慮PE管材正向著強度更高、壁厚更薄的方向發展，工程中所采用人工目視檢測和壓力試驗對焊接接頭的檢測方式，很難保證接頭及管件連接處的焊接質量，建議PE 管道施工完成后，對管線連接處進行100%相控陣超聲檢測。