甄永乾,陶 彬,賈 光,張玉平

(中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島 266071)

加油站埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道性能及靜電安全評(píng)估

甄永乾,陶 彬,賈 光,張玉平

(中國(guó)石化安全工程研究院，山東青島266071)

介紹了加油站埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道的結(jié)構(gòu)及性能評(píng)估方法，對(duì)該類型輸油管道的靜電安全性進(jìn)行了分析，并對(duì)該類型管道導(dǎo)靜電內(nèi)襯性能評(píng)估提出了相應(yīng)的建議。

加油站 熱塑性塑料 復(fù)合管道 靜電安全

從20世紀(jì)80年代開始，埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道以其優(yōu)良的抗腐蝕性能逐步在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家加油站推廣應(yīng)用，目前世界范圍內(nèi)至少有25萬(wàn)座加油站采用該類型管道[1]?！都佑驼緷B、泄漏污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)規(guī)定：新建、改建、擴(kuò)建加油站埋地輸油管線應(yīng)選用具有二次保護(hù)空間的雙層管線或單層輸油管線加裝防滲套管；新建、改建、擴(kuò)建加油站埋地雙層輸油管線宜選用適合油品輸送的非金屬?gòu)?fù)合材料制造。

熱塑性塑料復(fù)合管道具有良好的機(jī)械性能和抗腐蝕性能，其使用壽命可達(dá)30年，通過(guò)添加外層套管可以構(gòu)成雙層管道，具有泄漏檢測(cè)功能，因此在我國(guó)熱塑性塑料輸油管道正逐步取代金屬管道在加油站中推廣應(yīng)用。

1 熱塑性塑料復(fù)合管道結(jié)構(gòu)及性能要求

1.1 加油站熱塑性塑料復(fù)合管道油品阻隔性能要求

目前我國(guó)還沒(méi)有針對(duì)加油站埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，國(guó)內(nèi)主要參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN14125《加油站埋地?zé)崴苄运芰瞎艿篮腿嵝越饘俟艿馈?。其中，油品阻隔性能是衡量熱塑性塑料?fù)合管道的重要指標(biāo)，歐洲加油站埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道最大滲透率要求為0.2 g/(m2·d)。熱塑性塑料管道的主體材料為聚烯烴，但聚烯烴對(duì)油品的阻隔性能一般(ISO規(guī)定為受限級(jí))，無(wú)法滿足燃油滲透率的要求，因此，只有具有燃油阻隔性能的熱塑性塑料管道才在油品輸送領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

1.2 熱塑性塑料復(fù)合管道結(jié)構(gòu)

熱塑性塑料復(fù)合管道由結(jié)構(gòu)層、粘合層和防滲層構(gòu)成，如圖1所示。其中結(jié)構(gòu)層由高密度聚乙烯(HDPE)構(gòu)成，保證管道具有一定的承壓性能和機(jī)械性能；最內(nèi)層為防滲層，由聚酰胺(PA)構(gòu)成，能夠阻隔油品的滲透；中間層為粘合層，以提高結(jié)構(gòu)層與防滲層的粘合。

其中結(jié)構(gòu)層對(duì)水分子具有較強(qiáng)的阻隔性，防滲層能夠阻隔油品，因此，這種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)既能阻止地下水滲入管道，又能有效實(shí)現(xiàn)油品的外滲。

圖1 三層結(jié)構(gòu)熱塑性塑料復(fù)合管道

2 加油站埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道性能評(píng)估

EN14125對(duì)加油站埋地?zé)崴苄运芰瞎艿酪?guī)定的性能主要有：承壓性能、機(jī)械性能、耐候性、油品兼容性和阻隔性等。其中，油品兼容性和阻隔性能是衡量加油站埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.1 油品阻隔性能

熱塑性塑料復(fù)合管道燃油滲透率測(cè)試如圖2所示，將燃油倒入管道后封堵管道的兩端，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(約300天)后，燃油的滲透會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)通過(guò)稱量管道質(zhì)量隨時(shí)間的變化，從而得出該管道燃油滲透率。

圖2 油品滲透率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

選取了含有阻隔層的管道(樣本1)和不含阻隔層的管道(樣本2和樣本3)進(jìn)行油品阻隔性能測(cè)試，不含阻隔層的管道在15天左右開始出現(xiàn)嚴(yán)重的滲透，含有阻隔層的管道沒(méi)有任何變化，各管道樣本油品滲透曲線如圖3所示。

圖3 不同管道油品滲透率測(cè)試曲線

313天后，管道的滲透率如表1所示，不含防滲層的管道比含有防滲層的管道滲透率大80倍左右。

表1 管道滲透率

2.2 油品兼容性

雖然熱塑性塑料復(fù)合管道具有油品阻隔功能，但在油品的長(zhǎng)期浸泡下仍會(huì)有微量的油品滲透，如果選用的粘合樹脂無(wú)法抵抗油品的侵蝕或共擠工藝不合理，管道在油品的長(zhǎng)期侵蝕下，可能會(huì)發(fā)生防滲層的脫層以及結(jié)構(gòu)層的溶脹，降低管道的使用壽命。目前，一般采用結(jié)構(gòu)層與防滲層之間的粘合剝離強(qiáng)度來(lái)判斷管道的油品兼容性。剝離測(cè)試如圖4所示，將油品浸泡后的管道裁出長(zhǎng)條形試樣，將結(jié)構(gòu)層和防滲層剝離，通過(guò)拉伸剝離時(shí)力的大小和試樣的寬度確定剝離強(qiáng)度。

圖4 管道剝離強(qiáng)度測(cè)試示意

將兩種熱塑性塑料復(fù)合管道在50 ℃的燃油中浸泡30天與沒(méi)有進(jìn)行燃油浸泡的管道進(jìn)行剝離，其剝離強(qiáng)度對(duì)比如表2所示。由于選用合適的粘合樹脂及合理的共擠工藝，管道樣本剝離強(qiáng)度較大，且經(jīng)過(guò)燃油浸泡后，剝離強(qiáng)度僅略有下降，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表2 2種HDPE阻隔型輸油管道剝離強(qiáng)度

3 熱塑性塑料復(fù)合管道靜電安全

3.1 非導(dǎo)靜電管道靜電安全

非導(dǎo)靜電管道的安全性近幾年?duì)幾h較大，早在1981年，BP研發(fā)中心的P.I. Mason就進(jìn)行了HDPE絕緣輸油管道靜電安全實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)輸送燃油的電導(dǎo)率小于100 PS/m時(shí)，管道外表面可能發(fā)生易燃放電[4]。

2002年，University of Southampton的Hearn教授對(duì)非導(dǎo)靜電管道輸油過(guò)程中的靜電安全進(jìn)行了研究， 1.6～2.8 m/s的燃油在60 s內(nèi)流經(jīng)管道，管道上的金屬閥門帶電能量為0.16 mJ(小于汽油的最小引燃能量0.25 mJ)，由此得出非導(dǎo)靜電管道不存在靜電安全問(wèn)題[5]。

2011年，Hearn對(duì)輸油管道靜電安全重新測(cè)試，在10～15 min的輸油過(guò)程中，測(cè)得電熔管件上的帶電能量為0.22 mJ，接近油氣的最小引燃能量(0.25 mJ)。但該實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的管件上的最大電壓為-12.1 kV，管件上的電容為4～31 pF，由此得知，在卸油點(diǎn)底槽和人孔井中的電熔管件或金屬接頭(未埋地)上有可能發(fā)生易燃放電。

在過(guò)去的幾十年中，非導(dǎo)靜電管道在加油站中廣泛應(yīng)用，僅僅發(fā)生過(guò)很少的靜電安全事故，管道的埋地使用大大降低了靜電事故的發(fā)生。從已經(jīng)發(fā)生的事故中可以看出，靜電事故都發(fā)生在卸油口，加油管道從未發(fā)生過(guò)任何靜電事故，因此，筆者認(rèn)為安全起見，卸油管道盡量采用導(dǎo)靜電管道。

3.2 導(dǎo)靜電型復(fù)合管道靜電安全

針對(duì)非導(dǎo)靜電型管道可能存在的安全隱患，GB12158《防止靜電事故通用導(dǎo)則》規(guī)定非金屬材料制造的液體貯存罐、輸送管道，材料表面電阻率和體電阻率應(yīng)分別低于1×1010Ω及1×108Ω·m。

目前的導(dǎo)靜電型復(fù)合管道是在多層共擠時(shí)同步擠出導(dǎo)靜電內(nèi)襯，使其最內(nèi)層具有導(dǎo)靜電功能，同時(shí)為了減少多層共擠的難度，將聚酰胺樹脂改性，使其兼具防滲和粘合性能。導(dǎo)靜電內(nèi)襯主要材料為聚烯烴與石墨、碳纖維、炭黑或金屬粉的混合物。

導(dǎo)靜電型管道采用電熔方式將管道、導(dǎo)靜電插件及連接管件焊接牢固，從而實(shí)現(xiàn)整條管線的電氣導(dǎo)通，如圖5所示。值得注意的是，導(dǎo)靜電內(nèi)襯作為管道的一部分，其直接與油品接觸，如果導(dǎo)靜電內(nèi)襯在使用過(guò)程中斷裂，有可能在管道內(nèi)表面形成孤立導(dǎo)體，此時(shí)管道表面積聚的電荷可能會(huì)在斷開的導(dǎo)靜電內(nèi)襯之間放電，因此導(dǎo)靜電內(nèi)襯的質(zhì)量直接影響著管道的使用壽命。

圖5 導(dǎo)靜電型管道連接

4 導(dǎo)靜電內(nèi)襯性能評(píng)估建議

目前國(guó)外針對(duì)加油站埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道標(biāo)準(zhǔn)中還沒(méi)有針對(duì)導(dǎo)靜電內(nèi)襯的性能評(píng)估測(cè)試。筆者針對(duì)加油站輸油管道的應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)靜電內(nèi)襯的性能提出如下評(píng)估建議。

a)導(dǎo)靜電內(nèi)襯對(duì)油品質(zhì)量的影響。由于導(dǎo)靜電內(nèi)襯與油品直接接觸，如果導(dǎo)靜電內(nèi)襯與油品發(fā)生反應(yīng)或?qū)ъo電內(nèi)襯組分與油品相溶，可能會(huì)污染油品。

b)導(dǎo)靜電內(nèi)襯在油品侵蝕下機(jī)械性能保持率。熱塑性塑料復(fù)合管道在工作過(guò)程中會(huì)受到約0.35 MPa的工作壓力，對(duì)于壁厚大于6 mm的管道來(lái)說(shuō)，在該壓力下，管徑變形量小于0.1 mm。筆者根據(jù)EN14125的測(cè)試要求對(duì)目前市場(chǎng)上的導(dǎo)靜電管道在80 ℃下進(jìn)行1 000小時(shí)靜液壓測(cè)試，試驗(yàn)壓力0.5 MPa，其導(dǎo)靜電內(nèi)襯并沒(méi)有開裂，但導(dǎo)靜電內(nèi)襯在油品的長(zhǎng)期浸泡下，導(dǎo)靜電內(nèi)襯的抗拉伸性能可能逐漸降低，在長(zhǎng)期壓力作用和油品浸泡下，不排除導(dǎo)靜電內(nèi)襯開裂的可能性。

c)導(dǎo)靜電內(nèi)襯在油品浸泡作用下的粘合性能。如果導(dǎo)靜電內(nèi)襯無(wú)法阻隔油品的滲透，燃油會(huì)輕易滲透到導(dǎo)靜電內(nèi)襯與防滲層的粘合區(qū)域，可能會(huì)降低導(dǎo)靜電內(nèi)襯與防滲層的粘合強(qiáng)度，在油品的長(zhǎng)期浸泡下，可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)靜電內(nèi)襯的溶脹，并從管道內(nèi)壁脫落，使管道內(nèi)壁失去導(dǎo)靜電功能。

d)導(dǎo)靜電內(nèi)襯的耐磨性。在加油站卸油加油過(guò)程中，其最高流速可達(dá)2.4 m/s，如果導(dǎo)靜電內(nèi)襯耐磨性較差，特別是經(jīng)過(guò)油品侵蝕后，與油品的長(zhǎng)期摩擦可能會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)靜電內(nèi)襯的磨損和破壞，影響其導(dǎo)靜電功能。

e)在油品浸泡和不同工作溫度下導(dǎo)靜電內(nèi)襯電阻率的穩(wěn)定性。導(dǎo)靜電內(nèi)襯一般為復(fù)合材料。對(duì)于導(dǎo)電復(fù)合材料，其表面電阻率隨溫度的變化而變化(導(dǎo)電復(fù)合材料的PTC效應(yīng))，因此，應(yīng)保證導(dǎo)靜電內(nèi)襯在工作溫度范圍內(nèi)(-40～50 ℃)，特別是經(jīng)過(guò)燃油浸泡后，表面電阻率維持在穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

加油站埋地?zé)崴苄运芰蠌?fù)合管道剛剛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使是國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，也存在遺漏之處。建議我國(guó)相關(guān)部門在制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范時(shí)從加油站油品輸送的特點(diǎn)出發(fā)，針對(duì)管道各層樹脂的材料特性，特別是長(zhǎng)期性能來(lái)控制管道的質(zhì)量，為該類型管道在我國(guó)加油站的安全推廣應(yīng)用提供保障。

[1] G.L. Hearn, U. von Pidoll. An assessment of electrostatic ignition hazards associated with fuel flow through plastic pipes at roadside filling stations [J]. Journal of Electrostatics， 2012(5)：179-183.

[2] EN14125. Thermoplastic and flexible metal pipework for underground installation at petrol filling stations[S].

[3] UL 971. Standard for Nonmetallic Underground Piping For Flammable Liquids[S].

[4] P.I. Mason, W.D. Rees. Hazards from plastic pipes carrying insulating liquids [J]. Journal of Electrostatics, 1981(2): 137-144.

[5] G.L. Hearn. Electrostatic ignition hazards arising from fuel flow in plastic pipelines [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2002(2)： 105-109.

ThermoplasticPipeWorkforFuelTransportationatFillingStation

Zhen Yongqian, Tao Bin, Jia Guang, Zhang Yuping

(SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao 266071)

The structure and performance evaluation method of gas stations buried thermoplastic composite pipe were introduced, the static type of pipeline safety were analyzed, and the type of pipe lined with antistatic performance evaluation were proposed accordingly in this paper.

gas station; thermoplastic; compound pipeline; static safety

2016-03-22

甄永乾，助理工程師，碩士研究生，2013年畢業(yè)于浙江大學(xué)機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事油品儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)工作。