聚乙烯燃气管道开裂成因分析及应对

中裕城市能源投资控股(深圳)有限公司 李 旭

华润(集团)有限公司 彭知军

青岛优派普环保科技股份有限公司 张群甲

1 聚乙烯燃气管道(PE管)开裂成因分析

PE管在静液压作用下主要有韧性破坏、脆性破坏和老化破坏三种形式。具体如下：

(1) 韧性破坏。在环向应力过大、短时间内薄弱部位产生应力集中时，管壁从弹性状态逐渐演变到塑性变形状态，导致管道隆起明显变形失效。

(2) 脆性破坏。出现在环向应力中等、长期服役情况下，其特点为一条逐渐增长的裂纹将管壁贯穿。管道断裂前无明显的塑性变形，其破坏机理主要为慢速裂纹增长(SCG)。

(3) 老化破坏。PE管在存储、使用过程中，受光氧化、热氧化、化学等因素影响而缓慢老化，导致性能降低、失效。PE管的老化破坏阶段，通常发生在管道服役后期，由于管道自身老化、抗氧剂失效，所以就会突然出现。

受上述因素影响，PE管在生产、运输、施工安装、运行维护环节会出现各种缺陷或损伤，而且随着运行年限的增加，PE管自身也会逐渐发生老化导致其性能降低、寿命减少。在燃气管道的实际运行中，因PE管开裂导致的各类漏气事故时有发生。某公司从2017年至2021年，因PE管道开裂而发生漏气事件共计166起。经分析，原因统计如表1所示。其中，主要原因为第三方施工破坏，占89.16%，其次为管材质量不合格和焊接缺陷，均为3.61%。

表1 PE管开裂原因统计

2 PE管生产、施工等各环节常见问题分析

2.1 PE管生产环节

2.1.1 主要影响因素

原材料是影响PE管材质量的主要因素。其性能取决于分子结构，而分子结构受催化剂品种、聚合类型、聚合条件、分子量及分子量分布、共聚单体类型、含量及其分布等因素的影响。

目前PE管生产用料主要有：混配料、基础树脂改性料、“白加黑”料等，其特点和产品质量如表2所示。

表2 PE管各原料特点和产品质量

此外，有个别厂家为了降低生产成本，使用不合格原料、低品质原料、水管料，甚至大量掺混再生回收料生产PE管，导致管道性能及使用寿命大大降低，风险极大。

2.1.2 案例分析

案例一：贵溪“8·27”爆燃事故。2010年 8月 27日江西省贵溪市发生一起天然气爆燃事故，造成2死2重伤。事故直接原因系DN315 PE管材存在严重质量问题，导致管道在运行期间出现长约0.53 m的纵向裂缝，泄漏的天然气窜入周边商铺发生爆燃所致。经调查：该批次管材于2008年敷设，距事发时仅2年时间；在后期事故调查中发现该批次管材在切割至管径2/3时较容易折断，且在施工阶段试压过程中曾出现2处开裂问题。后经第三方检测，结果显示该批次管材耐快速裂纹扩展指标不合格，判定为不合格管材。

案例二：华夏路中压管道开裂事故。2019年11月9日山东省某市华夏路DN250口径的中压PE管道发生燃气大量泄漏。事故直接原因系PE管段出现3 m长的纵向裂缝，经抢维修处理后继续运行。2021年1月该路段再次发生管道开裂事故。调查发现该路段排管均为同批次管材，于 2008年敷设，距事发时约11年，远低于50年设计寿命；在抢维修中发现夹管后PE管道易出现裂纹；该批次问题管材在其他城市施工过程中也曾发生热熔焊口多次脆性断裂。经第三方检测，该批次管材热稳定性、压缩复原两项指标不合格，判定为不合格管材。

2.2 运输安装环节

运输安装环节常见缺陷主要有划痕、凹陷、焊接缺陷以及点载荷等，具体如下：

(1) 划痕、凹陷。主要系作业人员在装卸、焊接中的违规操作，如野蛮拖拽、磕碰等造成。PE管最大应力以及划痕处变形量随划痕深度的增大而增大。

(2) 焊接缺陷。受施工人员操作、焊接工艺及设备、环境因素等影响，焊接时引入了细小缺陷，导致焊接缺陷，微观表现为微孔洞或球晶缺陷。

(3) 点载荷。主要系管道埋层周边存在石块等尖锐物造成。PE管埋设于松软土地或埋深较浅时，管道横截面形变量受交通载荷影响会较大。埋设于夯实土体或埋深较深时，管道横截面形变量较小，但点载荷的长期作用也会使得PE管的某一点发生慢速裂纹增长引起点状破坏、泄漏。

2.3 运行维护环节

2.3.1 外力破坏

外力破坏主要包括第三方施工破坏、地面载荷破坏、抢维修中的压扁阻断等。

(1) 第三方施工破坏。主要为第三方施工过程中存在违章指挥或违规作业，甚至野蛮施工，不落实管道保护方案等，导致PE管被人为破坏。

(2) 地面载荷。地面载荷主要包括占压载荷、交通载荷、地基沉降等地面载荷。其中，在占压载荷作用下管道应力集中出现在地基土与覆土分界处，增加埋深能够有效缓解外载荷通过土体对于管道的传递，可以较为明显地降低占压载荷对管道的应力值；随着埋深的增加，交通载荷作用力大大降低。当具有交通载荷环境时，尽量考虑使用PE100管道；PE管应力随着沉降位移的增大而增大，危险段主要发生在过渡段与沉降区的交界处或过渡段与非沉降区的交界处。

(3) 压扁阻断。常用于不停气作业方式。压扁阻断会引起PE管力学性能衰退，且力学性能的衰减主要集中在管道被挤压的“耳朵”位置；PE管最大载荷、最大应力及最大塑性应变随挤压速度和压缩率的增大而增大，不当的操作会使得PE管被挤压位置出现裂口、变形，从而影响管道的使用寿命。

2.3.2 管道老化

聚乙烯容易发生光氧化、热氧化、臭氧分解，在紫外线作用下容易发生降解，受辐射后可发生交联、断链、形成不饱和基团等反应，老化过程中聚乙烯结晶度降低，老化后的PE管力学性能明显减弱。

运行压力越大，管道老化速率越快，使用寿命越短。此外，PE管使用时间越长，管道的氧化诱导时间与熔体质量流动速率的性能衰减越大，其抗氧化性能与机械强度性能越弱[1]。

2.3.3 温度影响

温度降低使得PE管拉伸强度提高、断裂伸长率下降、抗冲击强度下降，最终PE管由韧转脆。PE管如若长期在低温下工作，其发生快速裂纹扩展的风险升高。实践中因 LNG气化站燃气出站温度过低导致的PE管开裂泄漏事故已多次发生。

另外PE管的线膨胀系数大，耐热性不高，受热后会加剧材料中抗氧剂的消耗，因此应注意保证与热力管道的安全间距。

2.3.4 管内介质影响

PE管在 60℃以下与脂肪烃、芳香烃、卤代烃等长期接触会溶胀或龟裂，使得PE管的耐压能力降低。输送人工煤气或液化石油气时，应考虑燃气中芳香烃、冷凝液对管道性能，特别是对管道耐压性能、耐慢速裂纹增长的不利影响。

2.3.5 白蚁虫害侵蚀

主要为白蚁啃噬所致，多发生在植物茂密、土壤潮湿的庭院管网中。白蚁的分泌物不会与PE管发生化学反应，管道的表面硬度、光洁度对管道防御白蚁的蛀蚀起到决定性的作用。

3 相应防范措施

预防PE管开裂应从原材料选用、管道生产、运输、安装、运行维护等方面进行全流程管理。特别是需要PE管道行业的上中下游企业共同参与，提高产品质量。

3.1 管材制造企业

首先应加强源头管控，严格按照合同约定选用合格的燃气专用混配料，禁止使用任何形式、任何来源的回收料、再生料，如有使用本厂回用料，也必须有严密的回用料管理与控制措施；其次应建立健全质量管理体系，对每一批次管材产品进行出厂性能抽样检测；最后应建立完善的产品质量的可追溯系统，确保发现管道质量问题可对生产人员及使用用户进行追溯，完整保存所有的原始检验记录。

3.2 燃气企业

3.2.1 管材采购环节

严把供应商准入关，加强供应商认证审核工作，重点审核管材制造企业的资质许可、生产技术能力、质量管理水平和主要销售业绩。优先选用已获 G5+(燃气企业聚乙烯(PE)输配系统质量控制合作小组)认可的供应商、持有A级生产许可和CNAS实验室认可的供应商、有向大中型燃气企业供货业绩的供应商。

采购合同中应明确约定需方所指定的混配料厂家及牌号以及出现管道质量问题的追偿条款，定期对管道进行抽样检测。

3.2.2 运输安装环节

一方面强化过程管控，做好管道运输存储、施工焊接、沟槽回填及试压验收工作，减少意外划伤等风险；另一方面加强管道入场验收及施工质量过程管控管理，发现问题PE管后应及时与供应商沟通处置，及时送检。

3.2.3 运行维护环节

建立PE管安全评估体系。加强管网巡线及泄漏检测，及时整改隐患；做好追溯信息记录，妥善保管管材的采购记录、收发出入库记录、竣工资料等。竣工资料中应准确填写材料的生产制造厂家及产品生产批次信息，竣工图中准确标明管道位置、管径等信息，以便及时锁定问题批次及管道位置。

3.2.4 PE管大面积失效整改

对问题管材性能进行取样检测，检测单位应取得CNAS认可、CMA认证；进行全面排查，建立专项管理台账，绘制管网图；停止使用，及时更新、改造、同时做好现场取证及损失追偿工作。

4 结语

通过对PE管常见问题及其产生原因分析，可以得知第三方施工破坏、管道施工安装(焊接缺陷、埋深不足、管道裸露)、管材质量不合格等因素对PE管影响较大。燃气企业应重点做好第三方施工安全监护，尽可能减少管网第三方破坏；落实巡线、泄漏检测措施，及时发现处理管道裸露、埋深不足、地质沉降、管道老化等隐患。同时也可从新材料、新技术层面进行改善，如使用耐开裂性能更好的PE100-RC管材，提高安全裕度，减少管道开裂情况。此外推进无损检测方法在PE管老化检测上面的应用研究、加强对PE管寿命预测的理论研究、出台PE管安全评估标准等工作，能更好地指导燃气企业对PE管实施安全管控。