加油站埋地热塑性塑料复合管道性能及静电安全评估

甄永乾,陶 彬,贾 光,张玉平

(中国石化安全工程研究院，山东青岛 266071)

加油站埋地热塑性塑料复合管道性能及静电安全评估

甄永乾,陶 彬,贾 光,张玉平

(中国石化安全工程研究院，山东青岛266071)

介绍了加油站埋地热塑性塑料复合管道的结构及性能评估方法，对该类型输油管道的静电安全性进行了分析，并对该类型管道导静电内衬性能评估提出了相应的建议。

加油站 热塑性塑料 复合管道 静电安全

从20世纪80年代开始，埋地热塑性塑料复合管道以其优良的抗腐蚀性能逐步在欧美等发达国家加油站推广应用，目前世界范围内至少有25万座加油站采用该类型管道[1]。《加油站渗、泄漏污染控制标准》(征求意见稿)规定：新建、改建、扩建加油站埋地输油管线应选用具有二次保护空间的双层管线或单层输油管线加装防渗套管；新建、改建、扩建加油站埋地双层输油管线宜选用适合油品输送的非金属复合材料制造。

热塑性塑料复合管道具有良好的机械性能和抗腐蚀性能，其使用寿命可达30年，通过添加外层套管可以构成双层管道，具有泄漏检测功能，因此在我国热塑性塑料输油管道正逐步取代金属管道在加油站中推广应用。

1 热塑性塑料复合管道结构及性能要求

1.1 加油站热塑性塑料复合管道油品阻隔性能要求

目前我国还没有针对加油站埋地热塑性塑料复合管道的标准和规范，国内主要参考欧洲标准EN14125《加油站埋地热塑性塑料管道和柔性金属管道》。其中，油品阻隔性能是衡量热塑性塑料复合管道的重要指标，欧洲加油站埋地热塑性塑料复合管道最大渗透率要求为0.2 g/(m2·d)。热塑性塑料管道的主体材料为聚烯烃，但聚烯烃对油品的阻隔性能一般(ISO规定为受限级)，无法满足燃油渗透率的要求，因此，只有具有燃油阻隔性能的热塑性塑料管道才在油品输送领域中得到应用。

1.2 热塑性塑料复合管道结构

热塑性塑料复合管道由结构层、粘合层和防渗层构成，如图1所示。其中结构层由高密度聚乙烯(HDPE)构成，保证管道具有一定的承压性能和机械性能；最内层为防渗层，由聚酰胺(PA)构成，能够阻隔油品的渗透；中间层为粘合层，以提高结构层与防渗层的粘合。

其中结构层对水分子具有较强的阻隔性，防渗层能够阻隔油品，因此，这种多层复合结构既能阻止地下水渗入管道，又能有效实现油品的外渗。

图1 三层结构热塑性塑料复合管道

2 加油站埋地热塑性塑料复合管道性能评估

EN14125对加油站埋地热塑性塑料管道规定的性能主要有：承压性能、机械性能、耐候性、油品兼容性和阻隔性等。其中，油品兼容性和阻隔性能是衡量加油站埋地热塑性塑料复合管道性能的关键指标。

2.1 油品阻隔性能

热塑性塑料复合管道燃油渗透率测试如图2所示，将燃油倒入管道后封堵管道的两端，经过一段时间(约300天)后，燃油的渗透会达到稳定状态，此时通过称量管道质量随时间的变化，从而得出该管道燃油渗透率。

图2 油品渗透率测试实验

选取了含有阻隔层的管道(样本1)和不含阻隔层的管道(样本2和样本3)进行油品阻隔性能测试，不含阻隔层的管道在15天左右开始出现严重的渗透，含有阻隔层的管道没有任何变化，各管道样本油品渗透曲线如图3所示。

图3 不同管道油品渗透率测试曲线

313天后，管道的渗透率如表1所示，不含防渗层的管道比含有防渗层的管道渗透率大80倍左右。

表1 管道渗透率

2.2 油品兼容性

虽然热塑性塑料复合管道具有油品阻隔功能，但在油品的长期浸泡下仍会有微量的油品渗透，如果选用的粘合树脂无法抵抗油品的侵蚀或共挤工艺不合理，管道在油品的长期侵蚀下，可能会发生防渗层的脱层以及结构层的溶胀，降低管道的使用寿命。目前，一般采用结构层与防渗层之间的粘合剥离强度来判断管道的油品兼容性。剥离测试如图4所示，将油品浸泡后的管道裁出长条形试样，将结构层和防渗层剥离，通过拉伸剥离时力的大小和试样的宽度确定剥离强度。

图4 管道剥离强度测试示意

将两种热塑性塑料复合管道在50 ℃的燃油中浸泡30天与没有进行燃油浸泡的管道进行剥离，其剥离强度对比如表2所示。由于选用合适的粘合树脂及合理的共挤工艺，管道样本剥离强度较大，且经过燃油浸泡后，剥离强度仅略有下降，满足标准规定。

表2 2种HDPE阻隔型输油管道剥离强度

3 热塑性塑料复合管道静电安全

3.1 非导静电管道静电安全

非导静电管道的安全性近几年争议较大，早在1981年，BP研发中心的P.I. Mason就进行了HDPE绝缘输油管道静电安全实验，实验表明当输送燃油的电导率小于100 PS/m时，管道外表面可能发生易燃放电[4]。

2002年，University of Southampton的Hearn教授对非导静电管道输油过程中的静电安全进行了研究， 1.6～2.8 m/s的燃油在60 s内流经管道，管道上的金属阀门带电能量为0.16 mJ(小于汽油的最小引燃能量0.25 mJ)，由此得出非导静电管道不存在静电安全问题[5]。

2011年，Hearn对输油管道静电安全重新测试，在10～15 min的输油过程中，测得电熔管件上的带电能量为0.22 mJ，接近油气的最小引燃能量(0.25 mJ)。但该实验中测得的管件上的最大电压为-12.1 kV，管件上的电容为4～31 pF，由此得知，在卸油点底槽和人孔井中的电熔管件或金属接头(未埋地)上有可能发生易燃放电。

在过去的几十年中，非导静电管道在加油站中广泛应用，仅仅发生过很少的静电安全事故，管道的埋地使用大大降低了静电事故的发生。从已经发生的事故中可以看出，静电事故都发生在卸油口，加油管道从未发生过任何静电事故，因此，笔者认为安全起见，卸油管道尽量采用导静电管道。

3.2 导静电型复合管道静电安全

针对非导静电型管道可能存在的安全隐患，GB12158《防止静电事故通用导则》规定非金属材料制造的液体贮存罐、输送管道，材料表面电阻率和体电阻率应分别低于1×1010Ω及1×108Ω·m。

目前的导静电型复合管道是在多层共挤时同步挤出导静电内衬，使其最内层具有导静电功能，同时为了减少多层共挤的难度，将聚酰胺树脂改性，使其兼具防渗和粘合性能。导静电内衬主要材料为聚烯烃与石墨、碳纤维、炭黑或金属粉的混合物。

导静电型管道采用电熔方式将管道、导静电插件及连接管件焊接牢固，从而实现整条管线的电气导通，如图5所示。值得注意的是，导静电内衬作为管道的一部分，其直接与油品接触，如果导静电内衬在使用过程中断裂，有可能在管道内表面形成孤立导体，此时管道表面积聚的电荷可能会在断开的导静电内衬之间放电，因此导静电内衬的质量直接影响着管道的使用寿命。

图5 导静电型管道连接

4 导静电内衬性能评估建议

目前国外针对加油站埋地热塑性塑料复合管道标准中还没有针对导静电内衬的性能评估测试。笔者针对加油站输油管道的应用特点，对导静电内衬的性能提出如下评估建议。

a)导静电内衬对油品质量的影响。由于导静电内衬与油品直接接触，如果导静电内衬与油品发生反应或导静电内衬组分与油品相溶，可能会污染油品。

b)导静电内衬在油品侵蚀下机械性能保持率。热塑性塑料复合管道在工作过程中会受到约0.35 MPa的工作压力，对于壁厚大于6 mm的管道来说，在该压力下，管径变形量小于0.1 mm。笔者根据EN14125的测试要求对目前市场上的导静电管道在80 ℃下进行1 000小时静液压测试，试验压力0.5 MPa，其导静电内衬并没有开裂，但导静电内衬在油品的长期浸泡下，导静电内衬的抗拉伸性能可能逐渐降低，在长期压力作用和油品浸泡下，不排除导静电内衬开裂的可能性。

c)导静电内衬在油品浸泡作用下的粘合性能。如果导静电内衬无法阻隔油品的渗透，燃油会轻易渗透到导静电内衬与防渗层的粘合区域，可能会降低导静电内衬与防渗层的粘合强度，在油品的长期浸泡下，可能会导致导静电内衬的溶胀，并从管道内壁脱落，使管道内壁失去导静电功能。

d)导静电内衬的耐磨性。在加油站卸油加油过程中，其最高流速可达2.4 m/s，如果导静电内衬耐磨性较差，特别是经过油品侵蚀后，与油品的长期摩擦可能会导致导静电内衬的磨损和破坏，影响其导静电功能。

e)在油品浸泡和不同工作温度下导静电内衬电阻率的稳定性。导静电内衬一般为复合材料。对于导电复合材料，其表面电阻率随温度的变化而变化(导电复合材料的PTC效应)，因此，应保证导静电内衬在工作温度范围内(-40～50 ℃)，特别是经过燃油浸泡后，表面电阻率维持在稳定的状态。

5 结语

加油站埋地热塑性塑料复合管道刚刚进入中国市场，国内还没有相关的标准和规范。由于其结构复杂，即使是国外标准规范，也存在遗漏之处。建议我国相关部门在制定标准规范时从加油站油品输送的特点出发，针对管道各层树脂的材料特性，特别是长期性能来控制管道的质量，为该类型管道在我国加油站的安全推广应用提供保障。

[1] G.L. Hearn, U. von Pidoll. An assessment of electrostatic ignition hazards associated with fuel flow through plastic pipes at roadside filling stations [J]. Journal of Electrostatics， 2012(5)：179-183.

[2] EN14125. Thermoplastic and flexible metal pipework for underground installation at petrol filling stations[S].

[3] UL 971. Standard for Nonmetallic Underground Piping For Flammable Liquids[S].

[4] P.I. Mason, W.D. Rees. Hazards from plastic pipes carrying insulating liquids [J]. Journal of Electrostatics, 1981(2): 137-144.

[5] G.L. Hearn. Electrostatic ignition hazards arising from fuel flow in plastic pipelines [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2002(2)： 105-109.

ThermoplasticPipeWorkforFuelTransportationatFillingStation

Zhen Yongqian, Tao Bin, Jia Guang, Zhang Yuping

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071)

The structure and performance evaluation method of gas stations buried thermoplastic composite pipe were introduced, the static type of pipeline safety were analyzed, and the type of pipe lined with antistatic performance evaluation were proposed accordingly in this paper.

gas station; thermoplastic; compound pipeline; static safety

2016-03-22

甄永乾，助理工程师，硕士研究生，2013年毕业于浙江大学机械制造及其自动化专业，现从事油品储运技术工作。