辛明亮, 李茂東, 楊　波, 王　曉, 翟　偉, 李仕平

(廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東　廣州　510663)

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塑料管道的失效模式及風險監(jiān)控研究*

辛明亮, 李茂東, 楊波, 王曉, 翟偉, 李仕平

(廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東廣州510663)

塑料管道具有節(jié)能節(jié)材、輕質(zhì)低廉、耐腐蝕、易安裝、壽命長、柔韌性好等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。塑料管道常見的失效模式有蠕變失效、環(huán)境開裂、材料劣化和機械損傷。塑料管道風險評價研究未見相關(guān)性較緊密的研究，塑料管道建立風險監(jiān)控包括風險分析、風險評價和風險控制。危險源辨別、效果監(jiān)控與信息反饋將是今后塑料管道風險控制的重點發(fā)展方向。

塑料管道; 失效模式; 風險監(jiān)控

塑料管道的應用歷史已有60多年，至今，全世界各國塑料管市場持續(xù)保持著不斷增長的發(fā)展趨勢。塑料管可以分為兩大類。一類是不需要承受管內(nèi)介質(zhì)壓力的非承壓管，如電工管、下水管等。一類是需要承受管內(nèi)介質(zhì)壓力的壓力管，如燃氣管、給水管、熱水管、礦渣管、化工管等。

塑料管在設計過程中，非承壓管管壁較小，按照環(huán)剛度設計，防止外壓破壞和不穩(wěn)定變形。常壓管道以長期壽命長期為主將長期靜液壓強度性能作為主要設計準則，因此承壓管道厚度較厚。塑料管道不同于傳統(tǒng)管道，本身具有不腐蝕，使用壽命長、節(jié)能、節(jié)水、綜合成本低、對環(huán)境友好等優(yōu)點。

隨著塑料管道應用越來越廣泛，其本身的失效模式及風險控制就顯得更受關(guān)注。我國塑料管的發(fā)展市場混亂，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，給塑料管的持續(xù)發(fā)展帶來嚴重的負面效應。從應用角度分析塑料管道失效模式和這些失效模式的誘因，進而提出風險控制方法與監(jiān)控、評估手段。

1　塑料管道失效模式

1.1蠕變失效

塑料管道在靜液壓作用下有三種失效模式：蠕變韌性破壞，慢速裂紋脆性破壞，材料劣化破壞。隨著聚乙烯材料的性能不斷提升其耐慢速裂紋擴展性能的增強，韌性失效已成為PE燃氣管道最大的隱患之一。

李明陽等[1]針對國內(nèi)外沒有用聚乙烯(PE)管道進行蠕變性能測試實驗和成熟的力學分析方法，依據(jù)粘彈性理論，設計實施了PE管恒側(cè)壓實驗，得到管道的蠕變情況。對實驗進行有限元分析，比較兩種方法得到的管道直徑變形量與時間的關(guān)系，結(jié)果表明，兩種方法所得結(jié)果基本一致，驗證了PE管粘彈性力學模型的正確性。研究結(jié)果為PE管道蠕變性能測試和力學計算提供了新方法。侯向陶等[2]綜述了慢速裂紋增長和快速裂紋增長兩種常見的塑料管道失效模式，詳細闡述了塑料管道的失效機理及壽命預測方法，線彈性斷裂力學、標準外推法、彈塑性斷裂力學、銀紋機理等，指出了塑料管道壽命預測理論還不成熟，方法還不完善，有待進一步研究。Krishnaswamy[3]分析了HDPE管道的蠕變過程中的脆性和韌性斷裂行為，結(jié)果表明韌性失效主要取決于材料的屈服應力的大小，與管的密度或結(jié)晶度有關(guān)，即與材料的分子量、分子量分布和支化度有關(guān)。

1.2環(huán)境開裂

塑料管道在介質(zhì)或環(huán)境作用下發(fā)生的開裂，包含接頭斷裂[4]、疲勞斷裂及銀紋擴展等。朱志彬等[5]研究含球孔缺陷聚乙烯管道熱熔接頭力學性能，采用Prony級數(shù)模擬粘彈性材料屬性，發(fā)現(xiàn)隨著球孔尺寸的增大，聚乙烯管道的最大應力也增大，且聚乙烯管道的失效壽命縮短，當球孔尺寸超過一定值時，聚乙烯管道的壽命將無法滿足要求。

1.3材料劣化

1.4機械損傷

塑料管道在加工、施工和使用過程中由于機械損傷或外界載荷引起的失效。給水管道發(fā)生失效形式常常表現(xiàn)為漏水，塑料管漏水發(fā)生的部位也多集中在接口處，主要發(fā)生在經(jīng)過改造后的小區(qū)表井與支管的接口處。分析原因，車輛碾壓、路面沉降、施工質(zhì)量等因素是產(chǎn)生漏水的主要原因[8]。Lee等[9]跟蹤研究了全尺寸玻璃纖維增強管道的在16米深一年多時間內(nèi)管道橫向和縱向的位移，結(jié)果顯示此大口徑管道外推60年其撓度變化小于5%。

2　風險監(jiān)控

相對于金屬管與水泥管，塑料管道具有節(jié)能節(jié)材、輕質(zhì)低廉、耐腐蝕、易安裝、壽命長、柔韌性好等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用。其風險也凸顯出來，使用塑料管道的環(huán)境，嘗試伴隨要承受長期受壓、埋地外載荷、溫度較高熱水、強酸強堿等，在如此惡劣的使用條件下，需要塑料管道具有優(yōu)良的性能，并能將這種性能在一段時間能保持穩(wěn)定，大量塑料管道在我國生產(chǎn)使用的原料均未經(jīng)長期靜液壓評價試驗，為今后可能出現(xiàn)的品質(zhì)問題埋下隱患。當前，如何有效評價塑料管道的長期力學性能并進行風險控制就顯得尤為迫切。塑料管道失效模式確定，結(jié)合相應風險管理機制，利用科學技術(shù)和手段，增強科技資金投入和相應科研人員培養(yǎng)，以最低的成本進行有效的處置風險，加大相應標準的制定，進而避免或者減少風險所帶來的經(jīng)濟和人員損失，最終實現(xiàn)最大安全效益的目的[10]。

2.1風險分析

對風險監(jiān)控來說，風險分析是第一步是對某一系列和特定的研究對象進行危險辨識和風險分析，也是決定后面幾步的關(guān)鍵一步。風險分析從分析對象分為頻率分析和后果分析?？梢婏L險識別是風險分析的前提，可以通過前期的研究及現(xiàn)有保存的數(shù)據(jù)資料，與實際考查相結(jié)合，最后通過使用科學的方法發(fā)現(xiàn)危險源的一系列活動。因此，常用的危險辨識的方法有：故障樹法、德爾菲法、頭腦風暴法等。頻率分析即分析危險出現(xiàn)的頻率及可能性，頻率分析就也是用來專門分析某事件發(fā)生的概率，進而能準確把握危險因素的發(fā)生可能性，是危險防患于未然。后果分析，顧名思義主要是由危險所造成的后果進行分析，根據(jù)分析對象種類分為損失分析和情景分析。損失分析包括危險發(fā)生后造成的損失、環(huán)境影響和傷亡等情況，情景分析則按照風險事件發(fā)生的概率大小來分析風險對后來的情景影響[11]。趙忠鋼等[12]依據(jù)采取評分指標法這種行為所要承擔損失風險的大小程度，這種方法多用于油氣管道風險分析中，提出用風險函數(shù)法對這種半定量評價法的合理性進行質(zhì)量評價。王丹丹等[13]以肯特法為基礎，結(jié)合挪威船級社海底管道完整性管理規(guī)范中海底管道風險因素的分類以及中海油海底管道故障原因統(tǒng)計資料，對肯特法進行了改進，建立了海底管道風險評估模型?？琢諿14]通過對長輸天然氣管道試運投產(chǎn)進行風險辨識、分析，提出應對措施，達到及時消除和控制風險隱患的目的，保障管線投產(chǎn)后安全、平穩(wěn)運行。

2.2風險評價

按照風險評價時的量化程度可將風險評價分為三類：定性評價、半定量評價[15]和定量評價[16]，不同評價方法所評價的風險等級有相對風險和絕對風險的區(qū)別。定性風險評價是根據(jù)管理者的經(jīng)驗和對搜集到的資料進行分析，對系統(tǒng)風險的性質(zhì)和特點實施定性評判，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的風險，并做出危害程度評價。這種方法使用起來比較簡單，而得到數(shù)據(jù)具有不夠精確的缺點，此類方法包括故障樹分析法、故障類型及影響分析、預先危險性分析法等；定量風險評價方法通過運用大量的歷史資料統(tǒng)計信息和實驗結(jié)果，進行數(shù)據(jù)分析，得出一些建立在數(shù)學基礎上的模型或相應技術(shù)指標，是對環(huán)境、設備和生產(chǎn)工藝等定量計算得到結(jié)論的一種評價方法，以此種方式得出的結(jié)果包括了事故發(fā)生的概率、風險造成的傷害程度以及失效因素對事故的重要度等量化的信息。該方法具有精確度高的有點，但實施過程復雜且成本昂貴，類似的統(tǒng)計方法有可靠性技術(shù)方法、統(tǒng)計概率論等。半定量評價法是介于前兩者之間的一種分析方法，是根據(jù)風險因素分析，將風險對象表述為某種形式的分度值并與風險的量比較，兼顧定性和定量二者的優(yōu)勢，例如模糊綜合評判法。

2.3風險控制

劉艷鵬等[17]總結(jié)了天然長輸管道運營期間的風險分析與管理措施。曹中愷等[18]建立并探討燃氣管道泄漏風險控制系統(tǒng)?？梢?，對燃氣管網(wǎng)進行風險評估建立風險控制體系，確定重點監(jiān)控管道，結(jié)合壓力管理與在線檢測技術(shù)對燃氣泄漏風險進行有效控制。風險控制技術(shù)根據(jù)作用范圍分為宏觀和微觀兩個方面。宏觀技術(shù)顧名思義可以采用法律、法規(guī)等法制手段，結(jié)合經(jīng)濟手段，例如：獎勵和懲罰，還有社會、學校的教育手段，三為一體齊抓并進；微觀控制技術(shù)與前者相反，用系統(tǒng)工程的方法，以控制危險源為主要目的的技術(shù)方法。兩種技術(shù)相互補充和依賴，構(gòu)成了完備的風險控制體系也是其不可分割的兩部分。需要指出的是，風險控制是一個動態(tài)而非靜態(tài)的管理活動，需要建立反饋機制，即當對風險采取控制方案的同時需建立反饋機制適時反映實施后的結(jié)果，這樣就能對系統(tǒng)進行持續(xù)跟進進而進行再次分析和評估，使控制風險的方案變得更加合理有效。劉旭峰等[19]為實現(xiàn)對油氣管道風險的有效控制，結(jié)合油氣管道的特點，基于成本收益分析方法改進風險控制決策過程。

3　結(jié)　語

塑料管道常見的失效模式有蠕變失效、環(huán)境開裂、材料劣化和機械損傷。塑料管道風險評價研究未見相關(guān)性較緊密的研究，借鑒城市燃氣管道系統(tǒng)風險管理，塑料管道建立風險管理：風險分析，危險辨識、頻率分析和后果分析；根據(jù)風險評價時的量化程度，風險評價可分為三類，定性評價、半定量評價和定量評價；可以從宏觀和微觀兩個方面展開風險控制，從宏觀技術(shù)又分為法制手段、經(jīng)濟手段和教育手段；微觀控制是宏觀控制的補充和完善。危險源辨別、效果監(jiān)控與信息反饋將是今后塑料管道風險控制的重點發(fā)展方向。

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Study on Failure Mode and Risk Supervision of Plastic Pipes*

XINMing-liang,LIMao-dong,YANGBo,WANGXiao,ZHAIWei,LIShi-ping

(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangdong Guangzhou 510663, China)

Plastic pipe with low energy saving material, lightweight, corrosion resistance, easy installation, long service life, as well as good flexibility, has been widely used. Plastic pipe common failure modes are creep cracking failure, environment, material degradation and mechanical damage. Plastic pipeline risk assessment study did not see a close correlation, plastic pipe to establish risk monitoring including risk analysis, risk evaluation and risk control. Effect of hazard identification, monitoring and information feedback will be the future focus direction of the plastic pipe risk control.

plastic pipe; failure mode; risk supervision

廣東省科技計劃項目(編號：2014B040404058)；廣州市科技計劃項目(201504300806303, 201509010017)。

辛明亮，主要從事塑料管道材料研發(fā)與檢測技術(shù)的研究。

TQ317.6

A

1001-9677(2016)012-0010-03