聚乙烯燃气管道的应用及发展

贺子东，梁耀方

(1.重庆梁平天然气有限责任公司，重庆 400000；2.重庆燃气集团股份有限公司，重庆 400000)

0 引言

经济的快速增长拉动市场对石化资源的需求，目前主要的石化资源仍是煤、石油、天然气。这三种石化资源燃烧产生相同热值时，天然气的二氧化硫产生量占煤的0.14%、石油的0.25%；二氧化碳产生量占煤的59%、石油的72%；一氧化碳产生量占煤的3.45%、石油的6.25%；灰尘产生量占煤的0.68%、石油的7.14%，因此天然气更具有绿色环保、经济实惠等优势[1]。随着油气管道、中缅油气管线、西气东输、川气东送等国家级天然气管道工程的建成投产，及国家“煤改气”“双碳”等政策导向，城镇燃气蓬勃发展，并通过建设城镇燃气管网让清洁、高效、优质的天然气惠及千家万户。当下，聚乙烯燃气管道以其优良的热稳定性、耐腐蚀性、柔韧性、适应性等性能，具有寿命长、轻质环保、施工工艺简单等特点，被广泛应用于城市燃气输配管网，在降低燃气工程造价、加快工程进度、提高燃气管网输配能力、保障燃气运行安全等方面具有现实意义。

1 聚乙烯燃气管道简介

聚乙烯管道是以聚乙烯(由乙烯单体经过一定压力聚合而成的线型高聚物)为主要原料经挤压成型的高分子聚合物，生产其原料应使用聚乙烯混配料，不过目前国内规范未明确规定聚乙烯燃气管道原料的专用混配料配比及其产品标准[2]。作为新一代燃气输送管，与传统的钢质管道相比，密度仅为钢管的八分之一，内壁当量绝对粗糙度仅为钢管的十分之一，使用寿命比钢管长约30年，同时还具有优良的耐腐蚀性、严密性以及挠性、强度高、韧性好、工程适应性强、安装维护简便、易操作等特点。目前广泛应用于中低压埋地燃气管道，对用做入户立管还处于理论研究阶段。

聚乙烯燃气管道在生产、储运、施工、回填等过程中要避免出现划伤、刮痕，堆放处应通风良好、远离热源、预防物理化学污染，堆放合理以避免不圆度超标，禁止阳光直射、雨淋。从生产到使用，聚乙烯燃气管材有效时间不宜超过1年，聚乙烯燃气管件有效时间分别不宜超过2年。

2 聚乙烯燃气管道焊接

聚乙烯燃气管道的连接方式主要有电熔承插焊(管径≤DN90)、热熔对接焊(管径＞DN90)、法兰连接以及钢塑转换连接[3]，前两种方式主要用于聚乙烯燃气管道间的对接，后两种方式主要用于聚乙烯燃气管道与钢质管道之间的连接。本节主要探讨电熔承插焊和热熔对接焊。电熔承插焊基本原理是电熔管件内壁预埋的电阻丝通电发热，以熔化电熔管件内壁和承插管道外壁，静置冷却后融为一体形成焊接。热熔对接焊基本原理主要是将两根管道端面通过专用加热工具加热至黏流状态后，施压将熔融端面对接、熔合，冷却后连接为一体形成焊接。电熔承插焊和热熔对接焊焊接稳定约为190～240 ℃，熔融端面充分接触和适当压力保证接口材质与管体的一体化和同一性，减少泄漏的概率。电熔承插焊焊机已实现全自动化，而热熔对接焊机自动化程度较低于电熔承插焊焊机，检验周期均不超过一年。目前国内聚乙烯燃气管道焊接机具质量水平和性能稳定需要通过产品型式检验来确保，焊接工艺参数的性能指标状况则需通过使用过程的定期检验来保障。

电熔承插焊影响因素较少，建议管道表面氧化皮刮除1～2 mm，且管材和管件最好为同一生产厂商。热熔对接焊影响因素较多，如施焊前要注意管道的清洁、表面刮痕、管道本身是否为椭圆等问题；施焊过程中要注意焊接端面的预防污染、静电；加强焊接机具和焊接环境的控制等。此外，电熔承插焊和热熔对接焊的加热时间都关系到管材吸热是否均匀、熔融层厚度是否合理，进而直接影响焊接质量。

现阶段聚乙烯管道焊接接头质量主要通过检查进行加强。电熔承插焊质量要求：针对熔接强度，要求剥离脆性破坏百分比≤33.3%(即韧性破坏百分比>66.7%)；静液压强度试验要求是合格；端面无熔融料溢出；电阻丝不应挤出(特别结构设计除外)等。热熔对接焊应具有沿管道外端面平滑对称、对正的焊环[4]，规范要求对称性和对正性均需100%检验，翻边切除检验10%。针对180°背弯试验方法无法100%检测出热熔对接接头翻边不合格的情况，可采取增加360°面弯拉伸试验[5]。不同牌号的聚乙烯燃气管道对焊时，推荐采用壁厚较大管材的参数，且必须焊接工艺评定合格。在役燃气管道改造或检修时应根据在役管道出厂时的热性能参数确定焊接工艺参数，热性能参数相差过大时建议不采用热熔焊接工艺。

为确保聚乙烯燃气管道焊接质量，焊接作业应严格按照聚乙烯燃气管道施工管理规程，管控好人材机、施工单位、施工现场、施工资料，通过强化停检点(安装告知、管材管件合格证、质检证等、焊接工艺评定、强度和严密性试压等)、必检点(技术资料、阀门及管件合格证、质检证等、管沟位置、焊接接头、竣工资料等)、巡检点(人材机条件及技术准备、安全间距、管沟质量审查记录、吹扫、清扫等)等过程监检，对各个单位、各个环节的现场工程质量进行控制，进一步发展聚乙烯燃气管道焊接数据分析管理系统进行信息化监管。

3 聚乙烯燃气管道安全运行

聚乙烯燃气管道设计、制造、运输、埋设、运行5个阶段，共涉及25个危险源：管沟设计、壁厚控制、压力-温度、力学性能、标准执行、原材料质量、加工质量、单位资质、表面处理、出厂检验、运输方式、防晒措施、防污措施、防撞措施、损伤检查、熔接质量、运输防护、最小埋深、工序管理、管线标识、第三方破坏、地质沉降、白蚁啃食、土壤侵蚀、根系破坏，最终确定对聚乙烯燃气管道危害最大的为第三方破坏[6]。

国内学者们借助风险管理对聚乙烯燃气管道进行安全评价的方法衍生有：运用危险源指标理论，建立灰色关联理论的重大危险源评估模型；结合FTA、AHP和灰色分析法，将变权思想与灰色理论相结合以综合处理风险评价问题；基于物元和可拓学的风险评价方法建立了管道失效(如第三方破坏、失效因素等)风险等级评定模型；管道全面检验(含强度校核和耐候性试验)；利用模糊综合评价算法、风险矩阵法、安全预警理论等进行风险评估；基于Visual Basic语言、Matlab软件、DS-AHP-GRA理论开发了DS-AHP-GRA安全评价程序；在Microsoft Visual Studio 2015上采用C#语言开发聚乙烯燃气管道风险评价系统软件等。

除安全评价外，定位聚乙烯燃气管道对其运行维护都有至关重要的作用，然而聚乙烯燃气埋地管道探测定位技术还有待研究提升，目前研究较多的四种定位方法为：一是探地雷达法、二是示踪线探测法、三是声学定位法、四是静电力法[7]。探地雷达法受地质条件、其他埋地管道、探测人员专业素养等限制，且很难定位埋深较大的小口径聚乙烯燃气埋地管道。目前探测效率最高、效果最好、运用最多的是示踪线探测法，其依赖于建设时沿管线敷设示踪线且不能中断。声学定位法属于一种新型技术，不需要与管道连接，受干扰因素少，局限性在于无法区分金属与非金属管道，且需与常规探测方法联合判断管道埋深。静电力法具有很好的发展前景，主要是捕捉管内输送的天然气特有的静电力，不受管材影响，局限于受外界湿度、强电磁场干扰等影响。美国天然气研究所近年来研究出磁性聚乙烯管道，利用地面探测器对磁性管线实现精准定位，引进和研发此类聚乙烯管道定位技术，是亟待我国攻克的技术难题。

为保障聚乙烯燃气管道安全运行，综合上述情况，应做好以下措施：新建聚乙烯燃气管道投运前做好管线的吹扫、严密性试压、强度试压；设置燃气管道标志桩、警示带和示踪线，为预防标志桩、标志砖被破坏，国内出现电子标签法，用电子标签代替标志桩、标志砖；加强巡查和维护，预防第三方施工破坏；高风险地段做好盖板、套管等保护措施；减少埋地管道地表植物对管道的影响，特别是木本植物等。

4 聚乙烯燃气管道失效

杨旭等人通过梳理燃气管道故障、建立故障树模型，分析出燃气管道失效可能性大于管道附属设施[8]。聚乙烯燃气管道失效形式有变形失效、韧性失效、脆性失效、焊接接头失效、缺陷失效、表面失效。

管内气压、土壤压力、地面交通载荷等是引起聚乙烯燃气埋地管道的变形失效的主要原因。土壤压力和地面交通载荷引起的变形表现在管道竖直径向变小，水平径向增大；管内气压引起的变形表现在管道环向出现拉伸应力，外径增大。变形失效无法完全避免，针对变形区漏气抢修的情况，充分利用电熔鞍型焊接，可以在快捷、经济的基础上降低社会影响[9]。韧性失效主要是在管内流体压力下产生蠕变、脆性破坏、材质劣化等破坏，在实践中主要通过测试短时间试件的力学参数来判断；脆性失效归属于断裂力学范围，可通过在极限温度下测试确定脆性裂纹发生条件来避免脆性失效的发生；焊接接头失效中焊接接头主要利用工业CT、X射线、超声波检测方法，工业CT、X射线检测敏感但不适合现场使用，超声波不敏感且超声波相控阵检测技术无法判断焊口机械性能，但现场使用方便、识别率高、更具推广性；缺陷失效主要是从生产至使用过程中出现划伤、刮痕等不同程度的缺陷产生的；表面失效主要通过能谱仪、电子显微镜等仪器研究管道外表面结构和成分，各因素影响程度为：材质＞尺寸＞温度=划痕。虽然失效形式种类多，但是表征方法较单一，现主要进行破坏性力学实验，无损检测是发展方向，从根本上预防、从源头上治理，确保管道变形失效在可控范围内。

除前文有所提及的电磁、声波、光波、压力等检测和直接评价外，针对聚乙烯管道质量检测还可通过管道机器人检测，即通过远程操控携带多种传感器的管道机器人在管内行走来识别缺陷、完成检测。

5 聚乙烯燃气管道检漏与修复

目前PE燃气管道泄漏点的检测方法是检漏仪法和声发射检漏技术。检漏仪法依靠对已知管道定位附近可疑范围的地面打孔，检测孔内甲烷浓度来判断漏气点。在不破坏地面现状时，可采用声发射检漏技术判断泄漏点，其具有较高的灵敏度，对泄漏点的定位也很精确，具有良好的应用前景。针对发现的漏点，可利用不停输开孔封堵技术原理实施聚乙烯燃气管道带气抢修作业[10]，减少对用户的影响程度，这点是钢质管道不能比拟的。

6 结语

虽然聚乙烯燃气管道在施工使用过程中存在焊接工艺检定难、焊接技术人为影响大、在役埋地管道定位难、裸露隐患大等不足，但是与传统钢质管道相比，具有优良的耐腐蚀性、严密性以及挠性、强度高、韧性好、工程适应性强、安装维护简便、易操作等性能特点。经过半个多世纪的发展，可以看出聚乙烯燃气管道应用前景广阔，其管理已在燃气管网建设中逐步形成较完善的质量监督体系、规章制度、全寿命周期管理制度，能够确保聚乙烯燃气管网的安全运行，值得大力推广应用。在应用聚乙烯燃气管道的过程中值得注意的是应该加强聚乙烯燃气管全寿命周期内的细节管理，预防第三方施工破坏，确保每个过程、每个环节受控，特别是施工过程、人为因素。只有不断改进、总结、提高作业水平，并且推广使用聚乙烯燃气管道相关的四新技术，才能进一步促进聚乙烯燃气管道在城镇燃气管网系统中更环保、更安全、更经济、更快速地发展。