聚乙烯燃氣管道的應用及發展

賀子東，梁耀方

(1.重慶梁平天然氣有限責任公司，重慶 400000；2.重慶燃氣集團股份有限公司，重慶 400000)

0 引言

經濟的快速增長拉動市場對石化資源的需求，目前主要的石化資源仍是煤、石油、天然氣。這三種石化資源燃燒產生相同熱值時，天然氣的二氧化硫產生量占煤的0.14%、石油的0.25%；二氧化碳產生量占煤的59%、石油的72%；一氧化碳產生量占煤的3.45%、石油的6.25%；灰塵產生量占煤的0.68%、石油的7.14%，因此天然氣更具有綠色環保、經濟實惠等優勢[1]。隨著油氣管道、中緬油氣管線、西氣東輸、川氣東送等國家級天然氣管道工程的建成投產，及國家“煤改氣”“雙碳”等政策導向，城鎮燃氣蓬勃發展，并通過建設城鎮燃氣管網讓清潔、高效、優質的天然氣惠及千家萬戶。當下，聚乙烯燃氣管道以其優良的熱穩定性、耐腐蝕性、柔韌性、適應性等性能，具有壽命長、輕質環保、施工工藝簡單等特點，被廣泛應用于城市燃氣輸配管網，在降低燃氣工程造價、加快工程進度、提高燃氣管網輸配能力、保障燃氣運行安全等方面具有現實意義。

1 聚乙烯燃氣管道簡介

聚乙烯管道是以聚乙烯(由乙烯單體經過一定壓力聚合而成的線型高聚物)為主要原料經擠壓成型的高分子聚合物，生產其原料應使用聚乙烯混配料，不過目前國內規范未明確規定聚乙烯燃氣管道原料的專用混配料配比及其產品標準[2]。作為新一代燃氣輸送管，與傳統的鋼質管道相比，密度僅為鋼管的八分之一，內壁當量絕對粗糙度僅為鋼管的十分之一，使用壽命比鋼管長約30年，同時還具有優良的耐腐蝕性、嚴密性以及撓性、強度高、韌性好、工程適應性強、安裝維護簡便、易操作等特點。目前廣泛應用于中低壓埋地燃氣管道，對用做入戶立管還處于理論研究階段。

聚乙烯燃氣管道在生產、儲運、施工、回填等過程中要避免出現劃傷、刮痕，堆放處應通風良好、遠離熱源、預防物理化學污染，堆放合理以避免不圓度超標，禁止陽光直射、雨淋。從生產到使用，聚乙烯燃氣管材有效時間不宜超過1年，聚乙烯燃氣管件有效時間分別不宜超過2年。

2 聚乙烯燃氣管道焊接

聚乙烯燃氣管道的連接方式主要有電熔承插焊(管徑≤DN90)、熱熔對接焊(管徑＞DN90)、法蘭連接以及鋼塑轉換連接[3]，前兩種方式主要用于聚乙烯燃氣管道間的對接，后兩種方式主要用于聚乙烯燃氣管道與鋼質管道之間的連接。本節主要探討電熔承插焊和熱熔對接焊。電熔承插焊基本原理是電熔管件內壁預埋的電阻絲通電發熱，以熔化電熔管件內壁和承插管道外壁，靜置冷卻后融為一體形成焊接。熱熔對接焊基本原理主要是將兩根管道端面通過專用加熱工具加熱至黏流狀態后，施壓將熔融端面對接、熔合，冷卻后連接為一體形成焊接。電熔承插焊和熱熔對接焊焊接穩定約為190～240 ℃，熔融端面充分接觸和適當壓力保證接口材質與管體的一體化和同一性，減少泄漏的概率。電熔承插焊焊機已實現全自動化，而熱熔對接焊機自動化程度較低于電熔承插焊焊機，檢驗周期均不超過一年。目前國內聚乙烯燃氣管道焊接機具質量水平和性能穩定需要通過產品型式檢驗來確保，焊接工藝參數的性能指標狀況則需通過使用過程的定期檢驗來保障。

電熔承插焊影響因素較少，建議管道表面氧化皮刮除1～2 mm，且管材和管件最好為同一生產廠商。熱熔對接焊影響因素較多，如施焊前要注意管道的清潔、表面刮痕、管道本身是否為橢圓等問題；施焊過程中要注意焊接端面的預防污染、靜電；加強焊接機具和焊接環境的控制等。此外，電熔承插焊和熱熔對接焊的加熱時間都關系到管材吸熱是否均勻、熔融層厚度是否合理，進而直接影響焊接質量。

現階段聚乙烯管道焊接接頭質量主要通過檢查進行加強。電熔承插焊質量要求：針對熔接強度，要求剝離脆性破壞百分比≤33.3%(即韌性破壞百分比>66.7%)；靜液壓強度試驗要求是合格；端面無熔融料溢出；電阻絲不應擠出(特別結構設計除外)等。熱熔對接焊應具有沿管道外端面平滑對稱、對正的焊環[4]，規范要求對稱性和對正性均需100%檢驗，翻邊切除檢驗10%。針對180°背彎試驗方法無法100%檢測出熱熔對接接頭翻邊不合格的情況，可采取增加360°面彎拉伸試驗[5]。不同牌號的聚乙烯燃氣管道對焊時，推薦采用壁厚較大管材的參數，且必須焊接工藝評定合格。在役燃氣管道改造或檢修時應根據在役管道出廠時的熱性能參數確定焊接工藝參數，熱性能參數相差過大時建議不采用熱熔焊接工藝。

為確保聚乙烯燃氣管道焊接質量，焊接作業應嚴格按照聚乙烯燃氣管道施工管理規程，管控好人材機、施工單位、施工現場、施工資料，通過強化停檢點(安裝告知、管材管件合格證、質檢證等、焊接工藝評定、強度和嚴密性試壓等)、必檢點(技術資料、閥門及管件合格證、質檢證等、管溝位置、焊接接頭、竣工資料等)、巡檢點(人材機條件及技術準備、安全間距、管溝質量審查記錄、吹掃、清掃等)等過程監檢，對各個單位、各個環節的現場工程質量進行控制，進一步發展聚乙烯燃氣管道焊接數據分析管理系統進行信息化監管。

3 聚乙烯燃氣管道安全運行

聚乙烯燃氣管道設計、制造、運輸、埋設、運行5個階段，共涉及25個危險源：管溝設計、壁厚控制、壓力-溫度、力學性能、標準執行、原材料質量、加工質量、單位資質、表面處理、出廠檢驗、運輸方式、防曬措施、防污措施、防撞措施、損傷檢查、熔接質量、運輸防護、最小埋深、工序管理、管線標識、第三方破壞、地質沉降、白蟻啃食、土壤侵蝕、根系破壞，最終確定對聚乙烯燃氣管道危害最大的為第三方破壞[6]。

國內學者們借助風險管理對聚乙烯燃氣管道進行安全評價的方法衍生有：運用危險源指標理論，建立灰色關聯理論的重大危險源評估模型；結合FTA、AHP和灰色分析法，將變權思想與灰色理論相結合以綜合處理風險評價問題；基于物元和可拓學的風險評價方法建立了管道失效(如第三方破壞、失效因素等)風險等級評定模型；管道全面檢驗(含強度校核和耐候性試驗)；利用模糊綜合評價算法、風險矩陣法、安全預警理論等進行風險評估；基于Visual Basic語言、Matlab軟件、DS-AHP-GRA理論開發了DS-AHP-GRA安全評價程序；在Microsoft Visual Studio 2015上采用C#語言開發聚乙烯燃氣管道風險評價系統軟件等。

除安全評價外，定位聚乙烯燃氣管道對其運行維護都有至關重要的作用，然而聚乙烯燃氣埋地管道探測定位技術還有待研究提升，目前研究較多的四種定位方法為：一是探地雷達法、二是示蹤線探測法、三是聲學定位法、四是靜電力法[7]。探地雷達法受地質條件、其他埋地管道、探測人員專業素養等限制，且很難定位埋深較大的小口徑聚乙烯燃氣埋地管道。目前探測效率最高、效果最好、運用最多的是示蹤線探測法，其依賴于建設時沿管線敷設示蹤線且不能中斷。聲學定位法屬于一種新型技術，不需要與管道連接，受干擾因素少，局限性在于無法區分金屬與非金屬管道，且需與常規探測方法聯合判斷管道埋深。靜電力法具有很好的發展前景，主要是捕捉管內輸送的天然氣特有的靜電力，不受管材影響，局限于受外界濕度、強電磁場干擾等影響。美國天然氣研究所近年來研究出磁性聚乙烯管道，利用地面探測器對磁性管線實現精準定位，引進和研發此類聚乙烯管道定位技術，是亟待我國攻克的技術難題。

為保障聚乙烯燃氣管道安全運行，綜合上述情況，應做好以下措施：新建聚乙烯燃氣管道投運前做好管線的吹掃、嚴密性試壓、強度試壓；設置燃氣管道標志樁、警示帶和示蹤線，為預防標志樁、標志磚被破壞，國內出現電子標簽法，用電子標簽代替標志樁、標志磚；加強巡查和維護，預防第三方施工破壞；高風險地段做好蓋板、套管等保護措施；減少埋地管道地表植物對管道的影響，特別是木本植物等。

4 聚乙烯燃氣管道失效

楊旭等人通過梳理燃氣管道故障、建立故障樹模型，分析出燃氣管道失效可能性大于管道附屬設施[8]。聚乙烯燃氣管道失效形式有變形失效、韌性失效、脆性失效、焊接接頭失效、缺陷失效、表面失效。

管內氣壓、土壤壓力、地面交通載荷等是引起聚乙烯燃氣埋地管道的變形失效的主要原因。土壤壓力和地面交通載荷引起的變形表現在管道豎直徑向變小，水平徑向增大；管內氣壓引起的變形表現在管道環向出現拉伸應力，外徑增大。變形失效無法完全避免，針對變形區漏氣搶修的情況，充分利用電熔鞍型焊接，可以在快捷、經濟的基礎上降低社會影響[9]。韌性失效主要是在管內流體壓力下產生蠕變、脆性破壞、材質劣化等破壞，在實踐中主要通過測試短時間試件的力學參數來判斷；脆性失效歸屬于斷裂力學范圍，可通過在極限溫度下測試確定脆性裂紋發生條件來避免脆性失效的發生；焊接接頭失效中焊接接頭主要利用工業CT、X射線、超聲波檢測方法，工業CT、X射線檢測敏感但不適合現場使用，超聲波不敏感且超聲波相控陣檢測技術無法判斷焊口機械性能，但現場使用方便、識別率高、更具推廣性；缺陷失效主要是從生產至使用過程中出現劃傷、刮痕等不同程度的缺陷產生的；表面失效主要通過能譜儀、電子顯微鏡等儀器研究管道外表面結構和成分，各因素影響程度為：材質＞尺寸＞溫度=劃痕。雖然失效形式種類多，但是表征方法較單一，現主要進行破壞性力學實驗，無損檢測是發展方向，從根本上預防、從源頭上治理，確保管道變形失效在可控范圍內。

除前文有所提及的電磁、聲波、光波、壓力等檢測和直接評價外，針對聚乙烯管道質量檢測還可通過管道機器人檢測，即通過遠程操控攜帶多種傳感器的管道機器人在管內行走來識別缺陷、完成檢測。

5 聚乙烯燃氣管道檢漏與修復

目前PE燃氣管道泄漏點的檢測方法是檢漏儀法和聲發射檢漏技術。檢漏儀法依靠對已知管道定位附近可疑范圍的地面打孔，檢測孔內甲烷濃度來判斷漏氣點。在不破壞地面現狀時，可采用聲發射檢漏技術判斷泄漏點，其具有較高的靈敏度，對泄漏點的定位也很精確，具有良好的應用前景。針對發現的漏點，可利用不停輸開孔封堵技術原理實施聚乙烯燃氣管道帶氣搶修作業[10]，減少對用戶的影響程度，這點是鋼質管道不能比擬的。

6 結語

雖然聚乙烯燃氣管道在施工使用過程中存在焊接工藝檢定難、焊接技術人為影響大、在役埋地管道定位難、裸露隱患大等不足，但是與傳統鋼質管道相比，具有優良的耐腐蝕性、嚴密性以及撓性、強度高、韌性好、工程適應性強、安裝維護簡便、易操作等性能特點。經過半個多世紀的發展，可以看出聚乙烯燃氣管道應用前景廣闊，其管理已在燃氣管網建設中逐步形成較完善的質量監督體系、規章制度、全壽命周期管理制度，能夠確保聚乙烯燃氣管網的安全運行，值得大力推廣應用。在應用聚乙烯燃氣管道的過程中值得注意的是應該加強聚乙烯燃氣管全壽命周期內的細節管理，預防第三方施工破壞，確保每個過程、每個環節受控，特別是施工過程、人為因素。只有不斷改進、總結、提高作業水平，并且推廣使用聚乙烯燃氣管道相關的四新技術，才能進一步促進聚乙烯燃氣管道在城鎮燃氣管網系統中更環保、更安全、更經濟、更快速地發展。