PE管在燃气中低压管网工程中的应用

上海煤气第一管线工程有限公司 李 巍

随着城市建设的不断推进，上海燃气管网发展迅速，目前管网工程改造已基本完成。在上海燃气管网的施工过程中，可供选择的管材有钢管、铸铁管和聚乙烯管(即PE管)。以往在城区内中压管网选用的管材以3PE防腐钢管为主，PE管为辅；低压管道以机械橡胶密封(SMJ接口)的球墨铸铁管为主，PE管为辅。为更好保证城市居民的用气安全，减少燃气抢修次数，上海城区燃气中压管网中符合条件的地方已经大多使用PE管。2019年下半年起燃气低压管线已经全部采用PE管作为敷设管材，球墨铸铁管逐渐退出了历史舞台。在燃气中低压管网工程中应用PE管的优势越来越受到大家的关注。

1 PE管概述

1.1 PE管分类

1.1.1 按密度分

PE管根据密度可分为低密度聚乙烯管(LDPE管)，中密度聚乙烯管(MDPE管)和高密度聚乙烯管(HDPE管)三种。密度越高，管材会更硬、强度越大、耐温性越好、机械性能越好。

1.1.2 按长期静液压强度(MRS)分

由于材料的不断进步，根据发展阶段和性能的不同，产生了材料的等级变化。密度不能反映聚乙烯作为管材的本质性能，因此目前国际上根据PE管的长期静液压强度(MRS)分为PE32、PE40、PE63、PE80和PE100五个等级。

长期静液压强度是指连续施加在该聚乙烯树脂制管管壁上50年时引起管材破坏时所计算的在管壁上的环向张应力。这是一个以MPa为单位的应力值，标志着材料的性能。

目前国内燃气管道PE管常使用PE80级和PE100级。PE80级是使用量最大的管材，PE100级主要用在大口径管材上。按标准尺寸比SDR(管的公称外径与公称壁厚的比值)主要分为SDR11、SDR17.6两个规格。SDR11最大工作压力可以用在0.4 MPa，适用于中压管材；SDR17.6最大工作压力只能用于0.2 MPa以下，适用于低压管道。

1.2 PE管特性

PE管具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，同时还具有较高的刚性和韧性，机械强度好，耐环境应力开裂性能也较好。

1.2.1 耐腐蚀性好，使用寿命长

PE管化学稳定性好，可以抵抗多种化学介质的侵蚀，不需要做防腐处理。经国外根据PE管材环向抗拉强度的长期静水压设计基础值确定，其寿命可达50年以上。

1.2.2 较好的耐冲击性和挠性

PE管具有很高的韧性，耐冲击强度高，断裂伸长率一般超过500%，因此对不均匀沉降和错位的适应能力非常强。当然PE管在地质变化的外力作用下，也很容易受到破损。PE的挠性使PE管可以进行盘卷(尤其是管径小的PE管)，减少了大量的连接管件。PE管的走向容易依照施工方法的要求进行改变。施工中如果遇到障碍物，可以按照管子允许的弯曲半径绕过障碍，这样就可降低施工难度。

1.2.3 密封性好

PE管的施工采用熔接焊接(热熔连接或电熔连接)，保证接口材质结构与管体本身的统一性，实现了接头与管材的一体化。经试验证实，其接口的抗拉强度及爆破程度均高于管材本体，可有效抵抗内压力产生的环向应力和轴应力。当然在实际焊接中还是要注意规范化操作，比如管材与管件厂家的一致性，焊接管件时使用专用固定夹具，融合和冷却保证足够的时间等，避免出现“假焊”情况。

1.2.4 抵抗刮痕能力和抗应力开裂性好

在采用非开挖技术时，无论是铺设新管或旧管更换，刮痕难以避免，刮痕会造成材料的应力集中而引发管道的破坏。管材抵抗刮痕的能力与管材的慢速裂纹增长行为关系密切。近年来的研究证明，PE80管具有较好的抵抗慢速裂纹增长的能力和耐刮痕能力，PE100管抵抗刮痕能力更为优良。此外，PE管的缺口敏感性低，抗剪切强度高，耐环境应力性非常突出，目前在国内外几十年的实际施工中尚未发现PE燃气管道的快速开裂。

1.2.5 搬运和维修方便

PE管相对于其他管材，重量轻很多，搬运方便，便于现场的移动和安装。在运行维护时，维修简单，质量可靠。

1.2.6 阻力损失小

PE管道具有光滑的内表面和不黏着性，因此具有更高的输送能力，也降低了管路的压力损失和能耗。阻力损失小，压力损失就小，输配能力提高。

1.2.7 卫生环保

PE管的基体材料为可回收反复利用的热塑性材料，属于绿色环保产品。

2 PE管、钢管、球墨铸铁管的性能对比

将PE管与传统管材钢管、球墨铸铁管在以下性能方面进行比较。

2.1 耐腐蚀性

腐蚀是指(包括金属和非金属)在周围介质(水、空气、酸、碱、盐、溶剂等)作用下产生损耗与破坏的过程。严重的管道腐蚀会引起管壁变薄穿孔。

PE管具有天然的耐腐蚀性能，具有很好的抗电化学腐蚀性能，无需采取防腐措施，无需付出防腐处理费、后期维护费用等。就使用寿命方面来说，PE管的使用寿命可达50年；钢管的耐腐蚀性较差，埋设地下时需要采取防腐措施，如3PE防腐、环氧煤沥青、牺牲阳极保护等，钢管的使用寿命为20年；球墨铸铁管无需采取防腐措施，在使用维护方面则需付出防腐处理费、后期维护费用等，球墨铸铁管的使用寿命是40年。

从使用时间长度来看，PE管无疑是管材使用的最佳选择。从一次性投资的经济效果来看，也优于钢管和铸铁管。

2.2 柔韧性

在实际施工过程中，必然存在一定的坡度和角度。PE管道由于自身较好的柔韧性和挠性，造就了其特殊的优势。良好的柔韧性和挠性使得PE管材具备普通管材不具备的曲率半径，可以蜿蜒敷设，在允许的弯曲半径内可以绕开障碍物，对恶劣的地形环境适应性很强。有关研究表明，PE管道的弹性形变可达50%～70%。

PE管柔韧性好，重量轻，搬运方便，工程适应性强，便于施工；钢管为保持坡度和角度，必须使用三通弯头等标准管件；铸铁管虽有一定的可挠性，但基本可以忽略不计。钢管的密度约7.9 g/cm3，球墨铸铁管约7.2 g/cm3，PE管的密度约0.95 g/cm3，在实际施工中，一般钢管为12 m/根，球墨铸铁管为6 m/根，PE管为10 m/根。从重量上来说，PE管只需要2～3个工人即可完成二次搬运，而钢管和铸铁管则需要机械设备的帮助，才能进行管材的二次搬运。

在城镇燃气管网的改造中，PE管的高韧性、挠性和低密度，使其相对于钢管和球墨铸铁管有更好的环境适应性，可以降低一定的施工强度，经济效果也更优。

2.3 连接工艺

钢管一般采用焊接和法兰连接；球墨铸铁管一般用橡胶圈连接；PE管采用热熔焊接或电熔焊接连接，连接工艺相对更好。钢管的焊接由专业的电焊工进行焊接，人为因素更大，且接口需要拍片探伤，操作较复杂，工作强度高；球墨铸铁管的接口以橡胶圈为填料，采用螺栓、压盖、压轮片等零件，挤压橡胶圈使其紧密充填在承插口缝隙，达到气密目的，但受人为因素影响也较大，管道接口容易拔开，可靠性较差；PE管采用全自动焊机进行电热熔焊接，利用统一标准的参数进行焊接，一次性成功，人为因素相对较少，密封性能良好，连接可靠性高。由此可以看出，PE管在连接、密封性能上要好于钢管和球墨铸铁管。

4 PE管、钢管、球墨铸铁管的经济性对比

4.1 管材材料费

不同管径、管材的材料费用见表1。

表1 PE管、钢管、球墨铸铁管不同管径材料费 元/m

由表1可以看出，当管径小于DN300时，PE管的材料单价是小于球墨铸铁管和钢管的材料单价的，此时PE管具有价格优势；只有在管径等于DN300时PE管的价格才是最高。

4.2 施工费

根据2016燃气定额计算出在人行道中3种管材的施工费用(仅人工费、材料费和机械费三者之和，不含修路费与余土外运费)，见表2。

表2 人行道中两种管材的施工费用 元/m

由表2可以看出，在管径小于DN300，PE管的施工费用均低于球墨铸铁管和钢管(钢管费用最大主要是需要增加接口的防腐和探伤费用)。只有在管径等于DN300时，PE管的价格才比球墨铸铁管略高，但也远远小于钢管。总的来说，PE管的施工费用是优于钢管和球墨铸铁管的。

从以上管材材料费和施工费两方面进行比较，可以得出：在管径小于DN300时，在管道材料单价和施工成本费用两个方面PE管均优于钢管和球墨铸铁管；在管径等于DN300时，PE管综合考虑下来也是性能更好的管材。

5 结语

由于城市建设的不断发展和变化，所以燃气施工的难度越来越大，施工环境也越来越复杂。为避免一次性大面积开挖，将对市政、交通及人民生活的影响降低到最小，并考虑一定经济性的因素，PE管在城市燃气中低压管网中的技术性和经济性显得尤为突出。虽然目前上海燃气管网中只有低压管道采用PE管，中压管道中使用较少(在浦东地区使用的较多，在浦西地区使用得较少)，但相信在不远的将来，随着施工技术和人员素质的全面提高，PE管会在上海城市燃气的中低压管网中发挥越来越重要的作用。