聚乙烯燃氣管道基于失效分析的全面檢驗技術探討

陳 晨，張 偉，雷玉蘭

(江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)被譽為城市的生命線，它在維系城市功能中有著至關重要的作用。聚乙烯(Polyethylene，以下簡稱PE)管憑借其優(yōu)良的耐腐蝕性、可熔接性、柔韌性、環(huán)保性等特點[1]，已逐漸代替鋼管和鑄鐵管被廣泛應用于燃氣管道工程中，“以塑代鋼”已成為管道領域的主流。國內從20世紀 80年代初開始使用PE管，目前在新建、改擴建的燃氣管道工程中，所用管材70%以上為PE管[2]，且在今后的燃氣管網(wǎng)建設中，PE管所占的比重會更大。隨著服役年限的增加、應用范圍的加大，PE燃氣管道暴露出的安全問題愈加突出。近年來，國內外PE燃氣管道發(fā)生多次事故[3]。由于PE燃氣管道的敷設地段多為人口集中地帶、道路網(wǎng)密布區(qū)及各種建筑密集區(qū)，一旦發(fā)生泄漏、爆炸等安全事故，將直接影響當?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)安全，造成巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，后果相當嚴重。

作為特種設備檢驗檢測機構，必須加強對PE燃氣管道的全面檢驗工作，定期進行安全隱患排查。目前，PE燃氣管道的全面檢驗參照TSG D7004-2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則-公用管道》，但標準中對PE管的檢驗只有附錄B1.6.2條百余字的基本要求[4]，現(xiàn)場檢驗實施比較困難。本文立足我省的實際情況，分析PE燃氣管道的失效原因及模式，探討全面檢驗技術并提出相關建議，對提高全面檢驗質量有一定的現(xiàn)實意義。

1 PE燃氣管道的失效分析

1.1 主要失效原因

筆者開展了江蘇省內的燃氣公司PE管道失效事故調研，共調研了5家公司，收集130余起失效案例，具體失效原因如圖1所示。其中第三方破壞81起，焊接質量38起，管材質量12起，鋼塑轉換3起，墊片失效2起，埋深不夠1起。可見省內PE燃氣管道的主要失效原因為第三方破壞(59%)、焊接質量(28%)及管材質量(9%)。本文就這三種主要的失效原因展開分析。

圖1 PE燃氣管道失效原因統(tǒng)計

1.2 第三方破壞

管道第三方破壞是指由于運營承包商或非運營者的個人行為，導致管道及相關的設備、工具等遭到直接或間接損毀的外力破壞行為[5]。PE燃氣管道第三方破壞事故頻發(fā)的原因主要有以下幾點：

(1)地面標識缺失導致管道遭到破壞。管道建設期沒有按照標準規(guī)范來設置地面標識，造成地面標識不明或缺失，或者在管道服役期由于各種原因造成原本的地面標識缺失。

(2)建設施工方盲目施工造成破壞。我省近年來城鎮(zhèn)化率不斷提高，城鎮(zhèn)基礎建設遠遠不能滿足當前的使用需求，在各種城鎮(zhèn)基礎設施改造過程中，施工方在改造前沒有對管道進行實地探測，盲目開挖，造成破壞。

(3)企業(yè)日常巡檢工作不到位。管道的日常巡檢工作對避免第三方破壞事故十分重要，而由于企業(yè)不重視、管網(wǎng)信息不通暢、監(jiān)測技術缺乏等因素造成巡檢工作流于形式，沒有發(fā)揮其關鍵作用。

1.3 焊接質量

為保證PE燃氣管道的連接質量，標準明確規(guī)定：PE管材與管件、閥門的連接應采用熱熔對接或電熔連接(電熔承插連接、電熔鞍形連接)方式[6]。焊接質量引起失效主要是指在焊接接頭處發(fā)生的失效，即未熔合、夾渣、氣孔、咬邊、電熔管件質量缺陷等[7]。焊接質量缺陷及原因主要有但不限于以下幾個：

(1)對接壓力不足或過大、加熱溫度過低、焊機油壓卸壓慢造成對接兩管的錯邊量過大、焊環(huán)高度過低、連接面出現(xiàn)孔洞。

(2)焊接吸熱或冷卻時間過短、焊接環(huán)境溫度過低或轉換時間過長造成焊縫缺口、中心不凹、中空翻邊。

(3)加熱板或熔接斷面被污染造成焊縫裂紋缺陷。

(4)管材端部吸潮造成翻邊上有“芝麻”點氣孔。

(5)裝夾管材時未能保證同軸度或管材外徑有偏差造成對接兩管軸線不在同一條直線上。

1.4 管材質量

PE管在靜液壓作用下主要有三種失效模式：韌性失效、脆性失效及老化失效。韌性失效是由于蠕變引起的破壞，這種失效模式屬于材料力學范疇。具體表現(xiàn)為PE管在恒壓力下，隨著時間的增加，管壁由彈性狀態(tài)逐漸演變到塑性變形狀態(tài)，直到全部屈服鼓脹，最終爆破。發(fā)生韌性失效的原因主要是壓力過高或載荷過大。

脆性失效是由快速裂紋增長引起的破壞，這種失效屬于斷裂力學范疇。具體表現(xiàn)為管壁上產(chǎn)生脆性裂紋后，裂紋按每秒幾百米的速度擴展，導致管道大規(guī)模破壞，造成災難性后果。隨著服役時間的增加，PE管道的失效模式將由韌性失效向脆性失效轉變，即韌脆轉化[8]。韌脆轉化可能導致管道承受內壓能力大大降低，從而給PE管的應用和質量控制增加不少難度[9]。發(fā)生脆性失效的原因主要是管道在制造、運輸、安裝和使用過程中可能存在的缺陷或劃痕等構成了脆性裂紋源而導致失效。

老化失效是由于材料本身性能或高溫、腐蝕等外部環(huán)境的影響造成PE管材料發(fā)生材質劣化，喪失正常的使用性能。發(fā)生老化失效的原因主要有PE管原材料性能、燃氣的有機組分對管材內壁的長期腐蝕破壞、周圍的熱力管道的熱量輻射等。

2 基于失效分析的全面檢驗技術

2.1 針對第三方破壞的全面檢驗技術

由于第三方破壞在事故調研中占比最大，所以在全面檢驗過程中應當給予足夠的重視。主要的檢驗技術有：

(1)管道位置與埋深檢測。正確定位PE管道位置和埋深可以有效避免第三方破壞。對于示蹤線(帶)電連續(xù)性能完好的，利用信號源井、閥門井或測試樁，可采用金屬管線探測儀進行檢測，檢測結果比較準確。對于金屬示蹤線(帶)已損壞、未敷設或沒有預留出露點的管道可以采用地質雷達探測法、管道聲學定位探測法、主動聲源探測法等方法進行檢測，但檢測結果受地質狀況、埋深等因素影響較大，不是很理想。目前比較主流的檢測設備見表1[10]。

表1 PE管道定位檢測設備

(2)現(xiàn)場管道地面標識確認。現(xiàn)場巡檢過程中，著重注意沿線的管道地面標識是否按照CJJ63-2018《聚乙烯燃氣管道工程技術標準》及CJJ/T153-2010《城鎮(zhèn)燃氣標志標準》設置，確保地面標識齊全且符合要求。

2.2 針對焊接質量的全面檢驗技術

焊接質量不佳會導致密封不嚴、燃氣泄漏，甚至引起爆炸，給周圍人民生命和財產(chǎn)安全帶來重大威脅，主要的檢驗技術有：

(1)燃氣泄漏檢測最實用的方法是嗅敏儀法和基于聲波的泄漏定位技術。主要檢測設備有燃氣泄漏定位檢測儀、激光甲烷遙距檢測儀等。主要針對管網(wǎng)的閥門井、調壓裝置、管道沿線可能擴散到的建筑物進行檢測。

(2)開挖直接檢驗過程中，對焊接接頭質量進行宏觀檢查，當熱熔接頭外觀檢查不合格時，需對其進行翻邊切除檢查。必要時，對焊接接頭采用超聲相控陣動態(tài)聚焦并結合B掃查成像技術和耦合聚焦超聲技術進行檢測，并對缺陷大小進行定位[11]。

2.3 針對管材質量的全面檢驗技術

PE管由于質量問題發(fā)生斷裂或老化都會嚴重影響管道的正常運行。主要的檢驗技術有：

(1)資料審查結合現(xiàn)場巡檢，檢查管道與其他建(構)筑物或者熱力管道的凈距和騎壓狀況。尤其是與熱力管道等熱源相鄰敷設時，測量管道地下敷設環(huán)境溫度。

(2)開挖直接檢驗過程中，檢查管道表面有無鼓脹、氣泡、槽痕或凹痕等缺陷，管道有無老化降解(如表面粉化)等跡象。另外，采用超聲波測厚方法在管體上進行壁厚測量。

(3)必要時進行管體性能試驗。管體性能試驗項目主要有靜液壓強度、斷裂伸長率、氧化誘導時間、熔體質量流動速率等。

3 幾點建議

3.1 首次全面檢驗時間

TSG D7004-2010規(guī)定PE管道首次全面時間不超過15年，筆者認為這個時間有待考量。首次全面檢驗的目的主要是對管道本質安全和與時間無關部分的風險源進行排查，越早進行越能有效減緩風險。在實際檢驗中，綜合考慮管道周邊設施環(huán)境和管道設計條件，一般將首次全面檢驗時間定為3-6年。

3.2 開挖比例及開挖點選擇

TSG D7004-2010對PE管道開挖點位置選擇的規(guī)定過于籠統(tǒng)，對開挖檢驗的比例規(guī)定“一刀切”(0.3處/km)，在實際檢驗過程中可操作性不高。筆者認為開挖比例和開挖點的選擇需要檢驗人員結合危害源識別結果和現(xiàn)場實際環(huán)境來確定。在揚州某公司PE燃氣管道全面檢驗項目中，開挖比例的確定原則具體見表2。

表2 開挖比例的確定原則

續(xù)表2

3.3 管道綜合評級

TSG D7004-2010中PE管道的全面檢驗周期不超過15年，筆者認為這個規(guī)定過于籠統(tǒng)且缺乏可操作性。結合多年的檢驗經(jīng)驗，筆者認為可以根據(jù)風險評估等級和管道性能等級綜合評定管道級別。具體評級見表3。

表3 PE管道綜合評級表

4 結 論

(1)本文立足我省的實際情況，通過省內調研分析了PE燃氣管道主要的失效原因及模式，有利于針對性開展管道全面檢驗。

(2)結合多年的檢驗經(jīng)驗，基于對我省PE燃氣管道的失效分析，探討全面檢驗相關技術，進一步提升全面檢驗質量。

(3)對PE燃氣管道全面檢驗的過程提出幾點建議，希望與同行共同探討，為推動特檢事業(yè)高質量發(fā)展共同努力。

(4)建議江蘇省相關機構立足省內實際情況，制定適用性較強、操作性較高的PE管道相關檢驗規(guī)則，規(guī)范檢驗工作，優(yōu)化檢驗策略，使PE管道的運行管理更加合理化、科學化。