基于S4试验PE管冻土层内浅埋安全性研究

2024-06-04陈泂杉

煤气与热力 2024年3期

杨梅, 陈泂杉

(港华燃气投资有限公司工程技术中心, 广东深圳 518000)

1 概述

聚乙烯管(简称PE管)具有耐腐蚀、柔性好、免维护的优点,近年来在燃气输配领域得到了广泛的应用[1]。我国北方地区开始应用PE管时,主要输送人工煤气、LPG等,为防止出现冰堵和LPG凝结, PE管埋设在土壤冰冻线以下。20世纪90年代至今,我国东北、华北各地逐步进行了天然气转换,气质转换为天然气(干气),部分PE管采用了浅埋敷设。北方地区PE管浅埋敷设的研究较少,研究浅埋PE管的安全对于提升燃气资产安全性有重要意义。

2 国内外PE管浅埋研究

2.1 国内PE管浅埋研究

国内PE管浅埋研究主要在农业灌溉领域及供水领域。解放庆等人对晋北高寒地区浅埋PE管进行了研究,研究认为,线收缩变形、充水冻融变形、空管越冬抗截面变形强度以及融冻刚度等因素不会对PE管正常工作产生影响[2]。孙雪梅等人推导出了PE管所需最小环刚度计算公式,变形滞后系数Dl、管道变形系数Kb、管侧土的综合变形模量Ed对环刚度的影响较大,其中Dl和Ed与环刚度呈负相关关系,而Kb与环刚度呈正相关关系[3]。白静等人针对黑龙江季节性冻土区PE管浅埋换填和防冻模式进行了研究,管道埋深、PE管温度对管道膨胀变形影响显著,当埋深从60 cm增加到80 cm时,PE管温度上升82%,管道膨胀变形量下降58%,建议采用80 cm埋深;管道换填方式和保温方式对PE管温度影响不明显,其中,炉渣换填相比砂土换填,管道膨胀变形减少27%,因此优先推荐炉渣换填[4]。

2.2 国外PE管浅埋规定

俄罗斯、芬兰、美国对PE管浅埋进行了研究与实践。俄罗斯65%的土地常年位于冻土区,俄罗斯标准CHП 42—01《聚乙烯输气管道的设计与施工及磨损输气管道的改造》规定,PE管应敷设于土壤温度高于-15 ℃的环境中。1998年,俄罗斯在哈萨共和国雅库特建设了一个使用PE80 PE管的燃气管网,包括外径63、110 mm 共2种管径,该管网至今仍在运行。芬兰规定,PE管浅埋的敷设方式应根据年平均气温、雪量、冻土深度、土壤类型、周围环境、土壤荷载等因素确定。美国标准ASTM D2774—2021《热塑性压力管道的地下安装标准实施规程》规定,在寒冷地区敷设PE管时需工程师现场评估土壤支撑力及周边荷载情况。

3 快速裂纹扩展

PE管的快速裂纹扩展(简称RCP)是影响管道寿命与安全的重要因素之一[5]。RCP是指PE管受到外界冲击发生破坏时,在内压或气体积聚的势能驱动下,PE管以较快的速度开裂并传播较长的距离。PE管的RCP存在临界压力和临界温度。在一定温度下,PE管内压力高于临界压力则会发生RCP,低于临界压力则不会发生RCP。PE管内压力一定情况下,PE管温度低于临界温度则会发生RCP,高于临界温度则不会发生RCP[6]。一旦出现RCP,裂纹沿管长方向以数量级100 m/s的速度扩展[5],造成十分严重的后果。

3.1 快速裂纹扩展试验

3.1.1全尺寸试验

全尺寸试验用于模拟PE管的实际使用情况,以测量其耐RCP性能。一般根据 ISO 13478:2007《流体传输用热塑管抗快速裂纹扩展性的测定实物实验》进行全尺寸试验。PE管内充满规定压力的气体,在一定的温度下用刀片从外部撞击PE管,以引发裂纹。以裂纹扩展情况判断是否出现RCP破坏,裂纹长度超过PE管总长度的90%,则认为发生RCP,可以确定PE管在该温度下的临界压力。鉴于全尺寸试验成本较高,GB 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统第1部分:管材》第4.5节表3规定,仅当小尺寸稳态试验结果不符合要求时方可采用全尺寸试验,因此本文采用小尺寸稳态试验验证PE管的耐RCP性能。

3.1.2小尺寸稳态试验(简称S4试验)

S4试验是评估PE管耐RCP性能的一种常用方法,试验步骤为:保持PE管温度恒定,在PE管内不充流体的情况下,截取长度最小为其外径5倍的试样PE管。随后向试样PE管内充满流体,用刀片从外部撞击PE管。刀片的速度保持在[10,20] m/s,撞击至试样PE管外表面产生长度大于等于试样PE管公称外径的纵向裂纹。然后,用相同流体对试样PE管加压至试验压力,测量试样PE管外表面纵向裂纹长度。当判定条件成立时,认定为裂纹终止;不成立时,认定为裂纹扩展。判定条件为:

l≤4.7dn

(1)

式中l——试样PE管外表面纵向裂纹长度(从撞击刀片中心处测量),mm

dn——试样PE管公称外径,mm

3.2 PE管最大工作压力

GB 15558.1—2015第4.5节表3中对于S4试验测得的临界压力要求为:

(2)

式中pc,S4——S4试验测得的临界压力(表压),MPa

pMOP——PE管最大工作压力(表压),MPa

4 PE管浅埋研究

4.1 S4试验条件

为了探究不同温度下常见的PE100、SDR11系列管材的临界压力,选择6种来自不同厂家的PE管作为S4试验的试验对象,分别将PE管温度保持在-10、-15、-20 ℃,依次将0.095～2.570 MPa的压缩空气充入PE管,观察裂纹扩展的情况。其中压缩空气压力范围的选取基于实际工程经验。

4.2 试验结果

PE管(编号为1#管材至6#管材)-10 、-15 、-20 ℃裂纹扩展情况见表1～3。表中√代表裂纹终止,×代表裂纹扩展。

表1 PE管-10 ℃裂纹扩展情况

表2 PE管-15 ℃裂纹扩展情况

表3 PE管-20 ℃裂纹扩展情况

根据表1～3,PE管在不同温度下的临界压力见表4。

表4 PE管在不同温度下的临界压力 MPa

由表4可知,随着试验温度降低,PE管的临界压力也相应减小,表明在更低的温度下,PE管更容易发生RCP。

4.3 PE管最大工作压力

根据式(2)和表4计算PE管在温度为-10、-15、-20 ℃下的最大工作压力,见表5。

表5 PE管最大工作压力 MPa

根据CJJ 63—2018《聚乙烯燃气管道工程技术标准》条文说明第1.0.2条,输送天然气的聚乙烯管道,PE100、SDR11系列PE管的最大工作压力为0.8 MPa。根据表5,当试验温度-10 ℃时,6种PE管的最大工作压力都大于0.8 MPa,当试验温度低于-10 ℃时,最大工作压力均小于0.8 MPa。因此可得,PE100、SDR11系列PE管应敷设在温度不低于-10 ℃的土壤中。

4.4 土壤温度文献调研与试验研究

4.4.1文献调研

通过查阅CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》附录A,可以得到全国主要城市地温月平均值,其中东北主要城市地温月平均值见表6。

表6 东北主要城市地温月平均值 ℃

由表6可以看到,哈尔滨、长春、沈阳埋深0.8 m处地温月平均值分别为-4.8、-2.0、-0.7 ℃,均高于-10 ℃。

4.4.2试验研究

试验对象选取长春调压站A,东北地区PE管一般敷设在地下1.6 ～2.0 m的范围内,测量地下0.8、2.0 m处的土壤温度和PE管温度。测试期时间为2020年10月15日至2021年3月15日,测试间隔10 min,上半月、下半月为一个测量阶段,共有10个测量阶段,其中每个测量阶段中取最低温度。长春调压站A实测最低温度见图1。