城市聚乙烯燃氣管道漏氣案例統計與原因分析

李夏喜，邢琳琳，田曉江，高觀玲，劉敏，胥晴晴，高瑾

（1.北京燃氣集團有限責任公司，北京 100035；2.北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083）

城市燃氣管道的安全運行是城市安全的重中之重，聚乙烯（PE）管道具有突出的耐腐蝕性，不存在電化學腐蝕問題，大大減少了金屬燃氣管道帶來的漏氣事故。同時，PE 管道又具有對輸送介質無污染性、制造安裝易操作、費用低、使用壽命長等優勢[1]，成為市政燃氣工程中、低壓燃氣輸送的首選材料。但漏氣事件仍時有發生，為保障PE 燃氣管道的安全運行，首先需要對PE 燃氣管道的漏氣事故進行科學的分析，明確PE 管道服役的薄弱部位，以及漏氣原因。

PE 管道在國外燃氣領域的應用起始于20 世紀60年代末[2]，在國內起始于20 世紀80 年代初[3]。發達國家，20 世紀80 年代初，PE 燃氣管道的普及率大多超過50%[4]，90 年代初超過90%[5]，20 世紀末、21世紀初，新敷設的燃氣管道 PE 管材占比接近100%[5-7]。國內由20 世紀初的20%增至2014 年的40%[8-11]，到2020 年，新敷設的中低壓燃氣管道中，90%以上采用PE 管材[12]。隨著PE 燃氣管道的廣泛應用，以及服役年限增加，PE 管材抗傷能力弱、不耐高溫、易燃、機械強度低的缺點開始顯現。隨PE管道服役年限的增加，PE 材料性能發生衰減，尤其是當材料本身存在缺陷時，PE 管材直接發生脆性斷裂失效[13]，且焊接過程中溫度的變化會導致材料的結晶度發生變化[14]，削弱管道的強度[15]。鋼塑轉換接頭中，塑料部分的導熱性差，當溫度過高時，會導致接頭的失效[16]，且土壤環境中的活性溶劑和應力的共同作用會使得PE 管道發生環境應力開裂[17-18]，使得PE 燃氣管道漏氣事故時有發生[19-26]。PE 燃氣管道漏氣事故社會影響惡劣，嚴重威脅城市安全。2010 年，外力施工導致中壓PE 燃氣管道破裂，造成2 人死亡，2 人受傷[27]。2017 年，PE 管焊縫發生脫焊，造成1人死亡，事故直接經濟損失約147 萬元[28]。同年，PE燃氣管道被鉆漏，造成 7 人死亡，85 人受傷，以及直接經濟損失4 419 萬元[29]。2020 年，PE 管道焊縫脫焊，造成1 人死亡，2 人受傷[28]。雖然漏氣事故引起了社會的關注與重視，但對PE 燃氣管道的認知還存在不足，無法保證PE 燃氣管道的安全運行。

本文立足于某城市燃氣集團提供的290 例珍貴的PE 燃氣管道漏氣案例，從服役年限、漏氣發生季節、漏氣部位等多方面對漏氣案例進行統計分析，確定了PE 管道在服役過程中的薄弱部位，進而對其漏氣原因進行了深入的探討與分析，為城鎮埋地環境下PE 燃氣管道的安全服役評估體系的建立奠定基礎。

1 漏氣案例統計分析

2016—2020 年，某城市燃氣集團所轄管線發生燃氣泄漏事故共3 469 例，其中PE 燃氣管道漏氣事故有290 例。將燃氣管道的漏氣部位、服役年限、漏氣季節等相關信息進行匯總，并分析。PE 燃氣管道漏氣部位的服役年限匯總見表1。

表1 PE 燃氣管道服役年限匯總Tab.1 Summary of service life of PE gas pipelines

1.1 PE 燃氣管與金屬管道漏氣案例數量對比分析

將2016—2020 年間搶修事故中的燃氣管道按照材質進行劃分，各年燃氣管道事故以及管道材質數量對比如圖1 所示。可以看出，近5 年的PE 燃氣管漏氣事故數遠低于鋼管的漏氣事故，體現了PE 管用于城市中、低壓燃氣管網的優勢，并且PE 燃氣管道的敷設量是逐年增加的，而漏氣事故的數量是逐年減少的。這不僅表明了PE 管道用于城鎮中、低壓燃氣管網的優勢，也說明了PE 燃氣管網工程質量管控的不斷提高。

圖1 不同年份各種材質燃氣管漏氣案例數量對比Fig.1 Comparison of the number of gas leakage cases of gas pipelines made of various materials in different years

1.2 漏氣部位統計分析

PE 燃氣管道不同部位導致的漏氣事故數量統計如圖2 所示。可以看出，PE 管材漏氣比例最大，為64%，但大多是由于外力損傷導致的管材破損，其他需要重點關注的是鋼塑轉換、套袖、焊接位置等連接處占比36%，說明它們是影響PE 管道安全服役的薄弱部位。其中，鋼塑轉換、套袖事故占比較高，為18%，是需高度重視的部位，是影響PE 管道安全服役的重要薄弱部位。

圖2 不同漏氣部位數量占比統計Fig.2 Statistics on the proportion of different gas leakage parts

不同服役壓力的PE 管道漏氣部位數量統計如圖3 所示。可以看出，中、低壓服役的PE 管材漏氣案例數量相差不大。閥門漏氣案例都是中壓管線，表明管內運輸壓力大會給閥門的安全服役帶來更大的威脅。對于鋼塑轉換、套袖、焊接、管件這些薄弱部位，低壓服役的發生漏氣案例數略大于中壓，但是低壓管網采用PE 管道的工程量大，不能說明低壓對管道漏氣薄弱部位的影響。

圖3 中低壓PE 管不同部位漏氣案例數量對比Fig.3 Comparison of the number of gas leakage cases in different parts of medium and low pressure PE pipelines

1.3 漏氣案例管道已服役年限統計分析

PE 燃氣管道的不同部位發生漏氣事故時的服役年限不同，290 例案例的服役時間可分成0～10 a、10～20 a、20 a 以上等3 組，PE 燃氣管道在不同服役年限的數量如圖4 所示。可以看出，PE 燃氣管道漏氣事故中服役20 a 以下的高達81%，但2000 年后，PE 管在燃氣管網應用的數量大大增加，這也是服役20 a 以下的管道數量遠大于20 a 以上的原因。管道連接部位、連接工藝、結構、受力不同，對服役環境的敏感性不同。分析認為，不同部位漏氣時的服役年限會有所差距，各部位漏氣時服役年限統計對比如圖5所示。

圖4 PE 燃氣管道服役年限Fig.4 Service life of PE gas pipelines

圖5 各部位在不同服役年限發生漏氣事故的數量對比圖Fig.5 Comparison chart of the number of gas leakage accidents of various parts in different service years

管材的漏氣主要是由于外力施工機械力損傷管材導致的，而連接部位受服役環境與應力的長期耦合作用的影響大。圖5 表明，焊接處在服役0～10 a 間漏氣的占比約是服役10～20 a 占比的1.85 倍，遠遠高于其他連接部位。法蘭絲扣、閥門、鋼塑轉換、套袖、連接部位等的漏氣在10～20 a 的占比高于0～10 a。這在一定程度上說明焊接處對服役環境更為敏感，若焊接質量稍有不足，PE 燃氣管道就無法長期承受環境與應力的耦合作用，在服役早期就會產生缺陷導致漏氣。

1.4 漏氣事故多發月份統計分析

不同月份的漏氣事故數量對比如圖6 所示。可以看出，在3、5 月份發生PE 管道的漏氣事故較多。典型漏氣部位在各月份發生的漏氣事故數量對比如圖7所示。可以看出，鋼塑轉換、套袖本體在3 月份發生的漏氣事故最多，焊縫位置在5 月份發生的漏氣事故最多，表明鋼塑轉換、套袖本體對某城市3 月土壤溫度由低向高的變化較為敏感，焊縫對春季向夏季的溫度過渡環境較為敏感。漏氣案例漏氣月份的統計，在一定程度上可以反映不同漏氣部位的高發月份，這就提醒燃氣集團相關人員在日常巡查的基礎上要在不同月份對不同部位進行重點關注與防范。管材在3、4、5、9 月份發生的漏氣事故較多，這可能與春秋兩季城鎮市政施工較多有關。在沒有明確PE 燃氣管道的具體位置的情況下，機械作業損傷管材部位幾率增大。

圖6 不同月份的漏氣事故量對比Fig.6 Comparison of the number of gas leakage accidents in different months

圖7 典型漏氣部位在各月份發生的漏氣事故數量對比Fig.7 Comparison of the number of gas leakage accidents in typical gas leakage parts in each month

2 PE 燃氣管道漏氣原因歸納分析

深入分析PE 燃氣管漏氣的本質原因，是保障管網安全運行的重要基礎。根據提供的PE 燃氣管道漏氣事故搶修關閉單，燃氣管道漏氣部位為管材、鋼塑轉換與套袖本體、焊接位置、管件、閥門、法蘭與絲扣連接等6 種，漏氣的直接原因為施工外力、塌陷、地面沉降、設備本身質量、外腐蝕、安裝缺陷、焊接質量和燒、熱熔等8 類。但針對燃氣管道漏氣事故采集的信息仍有不明確之處，如“外腐蝕”是沿用鋼管的腐蝕漏氣說法，沒有具體解釋，“設備本身質量”說法太過籠統，沒有進行具體分類。另外，漏氣部位中將鋼塑轉換和套袖、法蘭和絲扣連接歸為一類，沒有準確的劃分。對事故案例進行統計分析仍能在一定程度上反映PE 燃氣管道服役過程中的薄弱部位，以及造成漏氣事故的原因。

不同原因導致的漏氣事故量如圖8 所示。分析其原因可以歸納為，服役環境/力長期耦合作用（塌陷、地面沉降、設備本身質量、外腐蝕、安裝缺陷和焊接質量）和突發外界作用（市政施工機械外力和燒、熱熔）。由服役環境/力長期耦合作用導致的漏氣事故數量有156 例，占比54%，突發外界作用導致的漏氣事故有134 例，占比46%，表明環境的長期作用對PE燃氣管道的安全運行影響重大。

圖8 不同原因導致漏氣事故數量Fig.8 Number of gas leakage accidents due to different causes

2.1 服役環境/力長期耦合作用

服役環境和應力的長期耦合作用會嚴重影響PE燃氣管道的安全運行以及服役壽命，從PE 管道漏氣案例的直接原因來看，主要體現在3 方面：1）管道本身材質，包含漏氣原因中的設備本身質量和外腐蝕；2）工程質量，包含漏氣原因中的安裝缺陷和焊接質量；3）地質變化，包含漏氣原因中的塌陷和地面沉降。

1）管道本身材質。管材、各連接部位由于材質因素在長期服役過程中，性能下降至PE 燃氣管道的臨界值以下，導致管道漏氣。由該原因導致的漏氣事故案例數共計98 例，不同漏氣部位的數量統計如圖9 所示。可以看出，鋼塑轉換、套袖本體部位發生漏氣的案例數最多，占比33.67%，是PE 燃氣管道長期服役的關鍵薄弱部位，在服役過程中需重點關注。其次是管材位置，其他位置漏氣事故相對較少，表明管材和各連接部位材料在環境/力長期耦合作用下會發生老化，使得該部位無法繼續承載外壓力和內壓力的雙重作用，燃氣管道局部出現損傷，發生漏氣事故。

圖9 材質原因導致漏氣事故的部位統計Fig.9 Statistics on the parts of gas leakage accidents caused by the material

2）工程質量。在長期服役過程中，由工程實施質量的問題帶來的漏氣事故共計36 例，如圖10 所示。工程施工質量不到位帶來的漏氣事故主要發生在焊縫位置，表明這一部位是PE 燃氣管道服役安全的重要薄弱部位。

圖10 工程質量導致漏氣事故的部位統計Fig.10 Statistics on the parts of gas leakage accidents caused by engineering quality

3）地質變化。地質變化中的地面沉降是由于管道周邊土壤環境長期緩慢運動導致的。采集的信息中，未對地面沉降、塌陷進行明確分類，本文將其認定為是土壤環境長期變化或突發的塌陷與沉降，帶來管道長期受到額外的應力作用的結果。由塌陷與地面沉降原因帶來PE 管事故有22 例（塌陷10 例，地面沉降12 例），如圖11 所示。可以看出，管材處發生漏氣的案例最多，是因為在燃氣管道中，管材用量是最多的，故是地質變化帶來的塌陷與沉降作用的主要部位。其次是鋼塑轉換、套袖本體位置，其他部位在地質運動下發生的漏氣事故較少。

圖11 地質變化導致漏氣事故的部位統計Fig.11 Statistics on the parts of gas leakage accidents caused by geological changes

綜合以上3 種服役環境/力長期耦合作用導致的漏氣案例，分析認為是由PE 高分子的分子結構決定的。服役的土壤環境中大多含有一定具有表面活性的化學介質，長期在這種環境下服役，PE 管道表面會提前老化，使得PE 的承載能力下降，在環境和內外應力的長期耦合作用下，PE 管道易發生漏氣事故。這就要求在PE 燃氣管道在敷設前，確定土壤中含有的敏感化學介質種類；在生產、選擇管材和各管件時，要保證質量；在運輸、儲存過程中，要遮蔽防護，避免陽光、雨淋對PE 管道的老化影響；在工程施工中，要加強管理和施工質量管控，關鍵部位給予補強，防范地質環境變化帶來的PE 管受力過大，進而漏氣。

2.2 突發外界作用

市政施工機械外力和燒、熱熔突發事件帶來PE管道漏氣歸納為突發外界作用。本文熱熔案例是由于地面發生燃燒事故，管道覆土較薄，使得其下方燃氣管道發生熱熔而導致漏氣事故，屬于突發外界作用。若PE 燃氣管道附近存在熱力管網，存在熱源長期作用，會使PE 管道老化失效導致漏氣，這屬于環境的長期作用。

1）施工機械外力。被施工機械外力破壞的PE燃氣管道如圖12 所示。PE 燃氣管道在施工外力作用下發生的燃氣管道泄漏事故共計131 例，其中管材處發生破損導致的漏氣事故有126 例，占總漏氣事故的43.45%，故施工機械外力是管材漏氣事故的最主要原因。該原因導致的PE 管材漏氣事故多發是因為PE高分子鏈的非極性烯烴化學結構決定了高密度聚乙烯的強度遠低于金屬，拉伸強度為21～38 MPa。在工程施工中，金屬器械機械作用力很大，若作用在PE管上，會帶來嚴重的機械破壞，產生漏氣。PE 管道的力學強度有限，必須予以充分重視，因此在進行市政施工時，要加強各部門之間的協調溝通，在施工前明確城鎮地下管網的分布，強化施工人員的規范操作，避免野蠻操作，減少工程施工對PE 燃氣管道造成損傷。在燃氣管道安裝工程中，要保證PE 管道在運輸、儲存、敷設過程完好，以及回填土中沒有尖銳的石塊，避免PE 管道表面出現損傷和應力集中，成為服役的薄弱部位。燃氣集團要加強對防止第三方破壞的保護、日常巡查和安全管理措施。

圖12 施工外力損傷PE 管道Fig.12 Damage of PE pipeline caused by external force of construction

2）燒、熱熔。在本文漏氣案例中，共有3 例燒、熱熔案例，均發生在管材部位。其中，由于電纜短路的大電流導致的燒熔事故有2 例，如圖13 所示。由于地面燃燒雜物導致PE 管道熱熔的漏氣事故有1 例。燒、熱熔漏氣案例雖然數量較少，但是性質惡劣，一旦發生破壞性大，嚴重威脅社區安全。PE 管材易發生燒、熱熔事故，是PE 高分子結構決定了PE 管具有不耐高溫、阻燃性弱、應用溫度范圍有限的特性。PE 高分子鏈的氧指數只有17 左右，抗熱降解溫度在300 ℃左右，高于此溫度，大分子鏈大量裂解。因此，PE 管材不耐熱、易燃。由圖13 可見，搭接在PE 管道上的電纜短路時會帶來大電流，使得PE 管道的表面溫度超過降解溫度（300 ℃）而被燒熔，漏氣事件惡劣。當PE 燃氣管道覆土層較薄時，地面發生燃燒事故，地面高溫傳到PE 管道表面的溫度超過了其應用溫度范圍（–60～60 ℃），其力學性能隨著溫度的升高快速下降，使其無法繼續在該管內壓力的作用下服役，故發生熱熔漏氣事故。因此，一定要加強市政管網體系的協調管理，確保PE 燃氣管道附近沒有電纜線路和熱源的存在。其次，為避免當地面發生高溫事故時，土壤層不能有效阻隔溫度造成漏氣事故，在敷設PE 燃氣管道時，要選擇合適的埋深。

圖13 電纜短路導致PE 管熔化燒結Fig.13 PE pipeline melting and sintering caused by short circuit of cable

3 結論

1）某城市燃氣集團2016—2020 的PE 管漏氣案例占總事故量的8.3%，并逐年減少。服役年限10 a以下的漏氣案例居多。服役環境長期對管材外壁、連接薄弱部位老化作用帶來的事故（156 例，占比53.7%）主要發生在服役20 a 前，遠遠低于60 a 設計壽命。

2）鋼塑轉換和套袖、焊接、法蘭、絲扣等連接部位（漏氣占比35.5%）由于設備材質質量、工程質量帶來該部位在服役環境/力的長期耦合作用下早于管材老化失效，是PE 管網的安全服役關鍵薄弱部分。

3）PE 高分子鏈的非極性碳鏈結構決定了其強度低，易被施工機械外力損傷，導致漏氣，漏氣事故占比高（43.5%）。PE 分子鏈結構也決定了管材的耐高溫性和阻燃性較弱，在電纜大電流、環境溫度較高時，管材會發生燒、熱熔，導致漏氣。這些外界突發作用帶來的管道損傷程度大，會帶來重大安全、經濟損失的惡劣事故。