基于S4試驗(yàn)PE管凍土層內(nèi)淺埋安全性研究

楊 梅, 陳泂杉

(港華燃?xì)馔顿Y有限公司 工程技術(shù)中心, 廣東 深圳 518000)

1 概述

聚乙烯管(簡(jiǎn)稱(chēng)PE管)具有耐腐蝕、柔性好、免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在燃?xì)廨斉漕I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。我國(guó)北方地區(qū)開(kāi)始應(yīng)用PE管時(shí),主要輸送人工煤氣、LPG等,為防止出現(xiàn)冰堵和LPG凝結(jié), PE管埋設(shè)在土壤冰凍線以下。20世紀(jì)90年代至今,我國(guó)東北、華北各地逐步進(jìn)行了天然氣轉(zhuǎn)換,氣質(zhì)轉(zhuǎn)換為天然氣(干氣),部分PE管采用了淺埋敷設(shè)。北方地區(qū)PE管淺埋敷設(shè)的研究較少,研究淺埋PE管的安全對(duì)于提升燃?xì)赓Y產(chǎn)安全性有重要意義。

2 國(guó)內(nèi)外PE管淺埋研究

2.1 國(guó)內(nèi)PE管淺埋研究

國(guó)內(nèi)PE管淺埋研究主要在農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域及供水領(lǐng)域。解放慶等人對(duì)晉北高寒地區(qū)淺埋PE管進(jìn)行了研究,研究認(rèn)為,線收縮變形、充水凍融變形、空管越冬抗截面變形強(qiáng)度以及融凍剛度等因素不會(huì)對(duì)PE管正常工作產(chǎn)生影響[2]。孫雪梅等人推導(dǎo)出了PE管所需最小環(huán)剛度計(jì)算公式,變形滯后系數(shù)Dl、管道變形系數(shù)Kb、管側(cè)土的綜合變形模量Ed對(duì)環(huán)剛度的影響較大,其中Dl和Ed與環(huán)剛度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而Kb與環(huán)剛度呈正相關(guān)關(guān)系[3]。白靜等人針對(duì)黑龍江季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)PE管淺埋換填和防凍模式進(jìn)行了研究,管道埋深、PE管溫度對(duì)管道膨脹變形影響顯著,當(dāng)埋深從60 cm增加到80 cm時(shí),PE管溫度上升82%,管道膨脹變形量下降58%,建議采用80 cm埋深;管道換填方式和保溫方式對(duì)PE管溫度影響不明顯,其中,爐渣換填相比砂土換填,管道膨脹變形減少27%,因此優(yōu)先推薦爐渣換填[4]。

2.2 國(guó)外PE管淺埋規(guī)定

俄羅斯、芬蘭、美國(guó)對(duì)PE管淺埋進(jìn)行了研究與實(shí)踐。俄羅斯65%的土地常年位于凍土區(qū),俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)CHП 42—01《聚乙烯輸氣管道的設(shè)計(jì)與施工及磨損輸氣管道的改造》規(guī)定,PE管應(yīng)敷設(shè)于土壤溫度高于-15 ℃的環(huán)境中。1998年,俄羅斯在哈薩共和國(guó)雅庫(kù)特建設(shè)了一個(gè)使用PE80 PE管的燃?xì)夤芫W(wǎng),包括外徑63、110 mm 共2種管徑,該管網(wǎng)至今仍在運(yùn)行。芬蘭規(guī)定,PE管淺埋的敷設(shè)方式應(yīng)根據(jù)年平均氣溫、雪量、凍土深度、土壤類(lèi)型、周?chē)h(huán)境、土壤荷載等因素確定。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2774—2021《熱塑性壓力管道的地下安裝標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施規(guī)程》規(guī)定,在寒冷地區(qū)敷設(shè)PE管時(shí)需工程師現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估土壤支撐力及周邊荷載情況。

3 快速裂紋擴(kuò)展

PE管的快速裂紋擴(kuò)展(簡(jiǎn)稱(chēng)RCP)是影響管道壽命與安全的重要因素之一[5]。RCP是指PE管受到外界沖擊發(fā)生破壞時(shí),在內(nèi)壓或氣體積聚的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)下,PE管以較快的速度開(kāi)裂并傳播較長(zhǎng)的距離。PE管的RCP存在臨界壓力和臨界溫度。在一定溫度下,PE管內(nèi)壓力高于臨界壓力則會(huì)發(fā)生RCP,低于臨界壓力則不會(huì)發(fā)生RCP。PE管內(nèi)壓力一定情況下,PE管溫度低于臨界溫度則會(huì)發(fā)生RCP,高于臨界溫度則不會(huì)發(fā)生RCP[6]。一旦出現(xiàn)RCP,裂紋沿管長(zhǎng)方向以數(shù)量級(jí)100 m/s的速度擴(kuò)展[5],造成十分嚴(yán)重的后果。

3.1 快速裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

3.1.1全尺寸試驗(yàn)

全尺寸試驗(yàn)用于模擬PE管的實(shí)際使用情況,以測(cè)量其耐RCP性能。一般根據(jù) ISO 13478:2007《流體傳輸用熱塑管抗快速裂紋擴(kuò)展性的測(cè)定實(shí)物實(shí)驗(yàn)》進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)。PE管內(nèi)充滿規(guī)定壓力的氣體,在一定的溫度下用刀片從外部撞擊PE管,以引發(fā)裂紋。以裂紋擴(kuò)展情況判斷是否出現(xiàn)RCP破壞,裂紋長(zhǎng)度超過(guò)PE管總長(zhǎng)度的90%,則認(rèn)為發(fā)生RCP,可以確定PE管在該溫度下的臨界壓力。鑒于全尺寸試驗(yàn)成本較高,GB 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng) 第1部分:管材》第4.5節(jié)表3規(guī)定,僅當(dāng)小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果不符合要求時(shí)方可采用全尺寸試驗(yàn),因此本文采用小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證PE管的耐RCP性能。

3.1.2小尺寸穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)S4試驗(yàn))

S4試驗(yàn)是評(píng)估PE管耐RCP性能的一種常用方法,試驗(yàn)步驟為:保持PE管溫度恒定,在PE管內(nèi)不充流體的情況下,截取長(zhǎng)度最小為其外徑5倍的試樣PE管。隨后向試樣PE管內(nèi)充滿流體,用刀片從外部撞擊PE管。刀片的速度保持在[10,20] m/s,撞擊至試樣PE管外表面產(chǎn)生長(zhǎng)度大于等于試樣PE管公稱(chēng)外徑的縱向裂紋。然后,用相同流體對(duì)試樣PE管加壓至試驗(yàn)壓力,測(cè)量試樣PE管外表面縱向裂紋長(zhǎng)度。當(dāng)判定條件成立時(shí),認(rèn)定為裂紋終止;不成立時(shí),認(rèn)定為裂紋擴(kuò)展。判定條件為:

l≤4.7dn

(1)

式中l(wèi)——試樣PE管外表面縱向裂紋長(zhǎng)度(從撞擊刀片中心處測(cè)量),mm

dn——試樣PE管公稱(chēng)外徑,mm

3.2 PE管最大工作壓力

GB 15558.1—2015第4.5節(jié)表3中對(duì)于S4試驗(yàn)測(cè)得的臨界壓力要求為:

(2)

式中pc,S4——S4試驗(yàn)測(cè)得的臨界壓力(表壓),MPa

pMOP——PE管最大工作壓力(表壓),MPa

4 PE管淺埋研究

4.1 S4試驗(yàn)條件

為了探究不同溫度下常見(jiàn)的PE100、SDR11系列管材的臨界壓力,選擇6種來(lái)自不同廠家的PE管作為S4試驗(yàn)的試驗(yàn)對(duì)象,分別將PE管溫度保持在-10、-15、-20 ℃,依次將0.095～2.570 MPa的壓縮空氣充入PE管,觀察裂紋擴(kuò)展的情況。其中壓縮空氣壓力范圍的選取基于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

PE管(編號(hào)為1#管材至6#管材)-10 、-15 、-20 ℃裂紋擴(kuò)展情況見(jiàn)表1～3。表中√代表裂紋終止,×代表裂紋擴(kuò)展。

表1 PE管-10 ℃裂紋擴(kuò)展情況

表2 PE管-15 ℃裂紋擴(kuò)展情況

表3 PE管-20 ℃裂紋擴(kuò)展情況

根據(jù)表1～3,PE管在不同溫度下的臨界壓力見(jiàn)表4。

表4 PE管在不同溫度下的臨界壓力 MPa

由表4可知,隨著試驗(yàn)溫度降低,PE管的臨界壓力也相應(yīng)減小,表明在更低的溫度下,PE管更容易發(fā)生RCP。

4.3 PE管最大工作壓力

根據(jù)式(2)和表4計(jì)算PE管在溫度為-10、-15、-20 ℃下的最大工作壓力,見(jiàn)表5。

表5 PE管最大工作壓力 MPa

根據(jù)CJJ 63—2018《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》條文說(shuō)明第1.0.2條,輸送天然氣的聚乙烯管道,PE100、SDR11系列PE管的最大工作壓力為0.8 MPa。根據(jù)表5,當(dāng)試驗(yàn)溫度-10 ℃時(shí),6種PE管的最大工作壓力都大于0.8 MPa,當(dāng)試驗(yàn)溫度低于-10 ℃時(shí),最大工作壓力均小于0.8 MPa。因此可得,PE100、SDR11系列PE管應(yīng)敷設(shè)在溫度不低于-10 ℃的土壤中。

4.4 土壤溫度文獻(xiàn)調(diào)研與試驗(yàn)研究

4.4.1文獻(xiàn)調(diào)研

通過(guò)查閱CJJ/T 81—2013《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程》附錄A,可以得到全國(guó)主要城市地溫月平均值,其中東北主要城市地溫月平均值見(jiàn)表6。

表6 東北主要城市地溫月平均值 ℃

由表6可以看到,哈爾濱、長(zhǎng)春、沈陽(yáng)埋深0.8 m處地溫月平均值分別為-4.8、-2.0、-0.7 ℃,均高于-10 ℃。

4.4.2試驗(yàn)研究

試驗(yàn)對(duì)象選取長(zhǎng)春調(diào)壓站A,東北地區(qū)PE管一般敷設(shè)在地下1.6 ～2.0 m的范圍內(nèi),測(cè)量地下0.8、2.0 m處的土壤溫度和PE管溫度。測(cè)試期時(shí)間為2020年10月15日至2021年3月15日,測(cè)試間隔10 min,上半月、下半月為一個(gè)測(cè)量階段,共有10個(gè)測(cè)量階段,其中每個(gè)測(cè)量階段中取最低溫度。長(zhǎng)春調(diào)壓站A實(shí)測(cè)最低溫度見(jiàn)圖1。

圖1 2020年10月15日至2021年3月15日長(zhǎng)春調(diào)壓站A實(shí)測(cè)最低溫度

測(cè)試期內(nèi),地下0.8 m處土壤最低溫度為-3.4 ℃,相應(yīng)深度PE管最低溫度為3.9 ℃;地下2.0 m處土壤最低溫度為1.3 ℃,相應(yīng)深度PE管最低溫度為5.0 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)PE管埋深0.8 m時(shí),PE管溫度及土壤溫度均不低于-10 ℃。

5 結(jié)論

① S4試驗(yàn)驗(yàn)證了PE100、SDR11系列PE管材的耐RCP性能良好。溫度越低,壓力越高,PE管越容易發(fā)生RCP。當(dāng)溫度為-10 ℃、壓力小于等于0.89 MPa時(shí),試驗(yàn)所用PE管均未出現(xiàn)RCP現(xiàn)象。

② 文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明,東北主要城市地下0.8 m處的月平均地溫最低值,均高于-10 ℃。

③ 試驗(yàn)驗(yàn)證了PE管在東北地區(qū)淺埋的可行性。測(cè)量了長(zhǎng)春調(diào)壓站A 地下0.8、2.0 m處的土壤溫度和PE管溫度,埋深0.8 m時(shí),PE管溫度以及土壤溫度均高于-10 ℃。