PE100材料性能對(duì)聚乙烯燃?xì)夤艿蓝ㄏ虼┰绞┕さ挠绊?/h1>
2019-04-12 09:04:54上海亞大塑料制品有限公司劉旭東
上海煤氣 2019年1期
上海亞大塑料制品有限公司 劉旭東
浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 姚舜剛
上海溢流管道燃?xì)庥邢薰?侯 亮
聚乙烯(PE)管道具有優(yōu)異的柔韌性，與金屬管道相比，可以更小的曲率半徑在短距離內(nèi)進(jìn)行定向穿越，使燃?xì)夤艿婪情_挖鋪設(shè)更靈活方便。但是作為粘彈性材料，PE管道的抗拉伸性能遠(yuǎn)低于金屬管道，且更容易受到點(diǎn)載荷破壞，所以燃?xì)夤こ虘?yīng)用也僅局限在小口徑短距離燃?xì)夤艿赖拇┰焦こ讨?。隨著聚乙烯材料發(fā)展，與PE80相比，PE100材料性能的提升為解決燃?xì)夤艿蓝ㄏ虼┰绞┕ぶ腥舾蓡栴}創(chuàng)造了條件。
1 提升管材性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍
PE管道在我國燃?xì)廨斉漕I(lǐng)域已使用了30多年，管道允許使用規(guī)格從1995年最大250 mm擴(kuò)大到如今最大630 mm，最大允許工作壓力從0.4 MPa提高到0.7 MPa。PE管道應(yīng)用的發(fā)展主要依托于其原材料技術(shù)的發(fā)展，從90年代普通的PE80材料發(fā)展到今天雙峰甚至多峰的PE100，PE材料性能得到大幅提升。PE材料的性能通常是以管材形式進(jìn)行測定，PE80與PE100在相同標(biāo)準(zhǔn)尺寸比(SDR11)時(shí)的部分性能指標(biāo)對(duì)比見表1。
PE材料的長期靜液壓強(qiáng)度(最小要求強(qiáng)度MRS)、耐慢速裂紋增長SCC和耐快速裂紋擴(kuò)展能力RCP等三項(xiàng)性能是PE燃?xì)夤艿雷顬殛P(guān)鍵的性能指標(biāo)。最小要求強(qiáng)度決定著管道在應(yīng)用中的承壓能力，是確保燃?xì)夤艿莱袎盒阅艿幕A(chǔ)和前提。良好的耐慢速裂紋增長性能則可避免因制造缺陷、施工損傷等產(chǎn)生的裂紋而導(dǎo)致管道系統(tǒng)的過早失效。優(yōu)良的抗裂紋快速擴(kuò)展性能顯然可以避免運(yùn)行中的管道由于遭受突然沖擊而發(fā)生快速開裂，從而確保管道的長期安全運(yùn)行。
表1 PE80與PE100部分性能指標(biāo)
從表1可知：在同樣的條件下(20 ℃保持50年不破壞)，PE100最小可承受10 MPa的環(huán)應(yīng)力(最小要求強(qiáng)度MRS值)，是PE80能承受環(huán)應(yīng)力的1.25倍，同時(shí)還具有更優(yōu)越的耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴(kuò)展能力。PE100的MRS值更高，RCP性能更好，因此可提高燃?xì)夤艿赖淖畲蠊ぷ鲏毫?。?duì)于給定的口徑，提高壓力會(huì)使管道的輸送能力明顯增加。輸送同樣流量燃?xì)鈺r(shí)，采用高壓力小口徑的管道可以降低管材及施工的成本。若在給定壓力條件下(如壓力值為0.4 MPa)，PE80燃?xì)夤艿理毷褂肧DR11系列，而PE100管道可以選擇SDR17.6。由于PE100管道的壁厚比較薄，對(duì)于外徑相同的管道，若管道截面積增大，管道的輸氣能力也會(huì)隨之而增強(qiáng)。一般在等徑情況下，PE100(SDR17.6)管道比PE80(SDR11)管道截面積大17%，相應(yīng)的輸氣能力提高約24%。
但聚乙烯材料強(qiáng)度低(與鋼管相比)，管道本身不能承受太大的回拖力，因此在定向穿越工程中其管徑和穿越長度等都受到了限制。PE80管道通常只能用于DN400以下且長度不超過300 m的穿越施工。PE原材料性能的提升能使管道承受的回拖力得到大幅提升，相應(yīng)可以擴(kuò)大PE管道在定向穿越工程中的應(yīng)用范圍。
2 提高最大拖拉力
2.1 最大拖拉力計(jì)算公式的選取
在水平定向鉆穿越過程中，PE管道所能承受的最大拖拉力是施工安全的關(guān)鍵。在管道回拖時(shí)，需要承受由管材和鉆孔或泥漿之間的摩擦動(dòng)力、地面上的摩擦拖動(dòng)產(chǎn)生的摩擦拖動(dòng)阻力、沿鉆孔通道彎曲產(chǎn)生的絞盤力以及流體動(dòng)力學(xué)拖力產(chǎn)生的流動(dòng)阻力等。圖1為水平定向鉆穿越軌跡的示意圖，從中可以看出隨著管道拖入距離的增加，鉆機(jī)回拖力也逐漸增大，并在出土點(diǎn)D附近時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)管道承受的拖拉力也達(dá)到最大值。只有當(dāng)該拖拉力低于PE管道所能承受的拉伸破壞臨界值時(shí)，才可以保證穿越施工中管道的安全。
圖1 水平定向鉆穿越軌跡
PE管能承受的最大拖拉力主要決定于材料拉伸強(qiáng)度和管道橫截面積，在CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿朗┕ぜ夹g(shù)規(guī)程》(以下簡稱技術(shù)規(guī)程)中，給出了最大拖拉力的計(jì)算公式：
式中：F——最大拖拉力，N；
DN——管道公稱直徑，mm；
SDR——標(biāo)準(zhǔn)尺寸比。
式(1)是目前燃?xì)馐┕ぶ谐Ｓ玫乃惴?，主要借鑒ISO/TS 10839—2000《燃?xì)廨斔陀镁垡蚁┕懿暮凸芗O(shè)計(jì)搬運(yùn)和安裝規(guī)范》推薦的計(jì)算公式，F(xiàn) = (14π DN2)/(3SDR)，并進(jìn)行簡化。其中14為管道拉伸強(qiáng)度，單位為 MPa，3為設(shè)計(jì)系數(shù)。簡化后的公式以PE80材料的一般性能為基礎(chǔ)，對(duì)PE100材料的拉伸強(qiáng)度的改善沒有進(jìn)行區(qū)分。
對(duì)此，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 147—2010《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱非開挖技術(shù)規(guī)程)中考慮到PE100材料的性能變化，對(duì)最大拖拉力的計(jì)算公式進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化，即：
式中： DN——管道公稱直徑，mm；
D0——聚乙烯管道內(nèi)徑，mm；
σ——管材的拉伸強(qiáng)度，MPa；
C——PE80管材基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)系數(shù)，取3。
式(2)考慮了不同等級(jí)聚乙烯材料在拉伸性能上的差異，更符合當(dāng)前管道材料情況。按式(2)計(jì)算，PE100管道能承受更大的拖拉力，為更長距離的穿越施工創(chuàng)造了前提條件。
2.2 拉伸強(qiáng)度
目前國內(nèi)市場上用量較大的5種PE100混配料的拉伸強(qiáng)度見表2，可見目前國內(nèi)市場上主要的PE100混配料拉伸強(qiáng)度均已達(dá)到23 MPa以上，較14 MPa提高了50%以上。
表2 國內(nèi)市場部分PE100混配料拉伸強(qiáng)度
參照表2，式(2)中PE80拉伸強(qiáng)度σ的取值為17 MPa，PE100拉伸強(qiáng)度σ的取值則為21 MPa。
2.3 安全系數(shù)
表1中，PE80管道最小要求強(qiáng)度MRS為8.0 MPa，PE100管道最小要求強(qiáng)度MRS為10.0 MPa。在GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng)第1部分管材》(以下簡稱PE燃?xì)夤艿罉?biāo)準(zhǔn))中管道設(shè)計(jì)應(yīng)力 σs=MRS/C，其中C=2。計(jì)算可得PE80的管道設(shè)計(jì)應(yīng)力為4 MPa，PE100的管道設(shè)計(jì)應(yīng)力為5 MPa。
在技術(shù)規(guī)程中將最大允許工作壓力(SDR11系列管道輸送天然氣)由PE80的0.5 MPa提高到PE100的0.7 MPa。PE燃?xì)夤艿罉?biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了管道最大工作壓力的計(jì)算公式：
式中： MOP——最大工作壓力，MPa；
C——設(shè)計(jì)系數(shù)；
SDR——標(biāo)準(zhǔn)尺寸比。
由式(3)可以看出：
(1)若兩種燃?xì)夤艿赖囊?guī)格和最大工作壓力都一樣，MRS值越大，設(shè)計(jì)系數(shù)也越大。PE100管道比PE80管道的設(shè)計(jì)系數(shù)大，意味著相比PE80管道，PE100管道具有更高的安全性。
(2)若兩種燃?xì)夤艿酪?guī)格相同且安全水平保持一致，則PE100管道可以采用較小的設(shè)計(jì)系數(shù)。PE80的設(shè)計(jì)系數(shù)取3，結(jié)合式(3)可推導(dǎo)出相同規(guī)格PE100管道的同水平安全設(shè)計(jì)系數(shù)，即：
說明PE100管道在設(shè)計(jì)系數(shù)取2.4時(shí)進(jìn)行水定向鉆拖拉力的計(jì)算即可滿足PE80管道的同安全水平設(shè)計(jì)系數(shù)，這對(duì)管道最大拖拉力和拖拉距離的增加具有實(shí)際意義。
綜合上述，將拉伸強(qiáng)度21 MPa和安全系數(shù)2.4代入式(2)進(jìn)行計(jì)算，可獲得PE80和PE100(SDR11)管道所能承受的最大拖拉力，如表3所示。
表3 PE100管道與PE80管道最大拖拉力
從表3可看出，隨著PE100材料性能的提升，在相同設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力和安全要求條件下，PE100管道比PE80管道所能承受的最大拖拉力提高約60%。
3 增加穿越距離
水平定向鉆穿越距離(即拖拉長度)的確定受到現(xiàn)場條件影響，沒有統(tǒng)一的公式計(jì)算。技術(shù)規(guī)程和非開挖技術(shù)規(guī)程中建議：拖拉長度不宜超過300 m。在孫遜2002年編著的《聚烯烴管道》一書中，對(duì)最大拖拉施工長度進(jìn)行了推薦，如表4所示。
表4 PE燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@施工長度
理想狀態(tài)下，水平定向鉆穿越的距離往往取決于管道的最大拖拉力。當(dāng)管道承受的回拖力達(dá)到管道最大拖拉力時(shí)，拖拉距離最長。在GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》中，鉆機(jī)選擇時(shí)的回拖力計(jì)算公式為：
式中：FP——回拖力，kN；
L——穿越管段曲線長度，m；
f——摩擦系數(shù)，取0.3；
DN——管道直徑，m；
γm——泥漿重度，kN/m3，取11.5；
δ1——管道壁厚，m；
γs——管道重度，kN/m3；
Kv——粘滯系數(shù)，kN s/m2，取0.01～0.03。
當(dāng)管道到達(dá)圖1的D點(diǎn)附近時(shí)，假設(shè)此時(shí)鉆機(jī)回拖力完全作用在管道上，據(jù)此可計(jì)算出管道最大拖拉距離。由于該公式未考慮“管道和地表之間的摩擦阻力、絞盤效應(yīng)力、彎曲時(shí)管道剛度產(chǎn)生的阻力”，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際工程計(jì)算對(duì)比資料，最大拖拉力值F可取鉆機(jī)回拖力的1.5倍，即F=1.5FP。由式(5)可以推導(dǎo)獲得PE管拖拉距離公式：
將表3中管道最大拖拉力帶入式(6)中，PE80重度取9 400 kN/m3、PE100重度取9 600 kN/m3，粘滯系數(shù)取0.01，計(jì)算出PE100管道與PE80管道的拖拉距離，如表5所示。
表5 PE管道拖拉距離
由表5可以看出，PE80管道拖拉距離與技術(shù)規(guī)程推薦的不宜超過300 m要求基本相符，PE100管道在此基礎(chǔ)上有較大幅度提高，并且隨著管道外徑的增加而不斷增加。
對(duì)于PE管道300 m以上的長距離非開挖穿越施工，在自來水行業(yè)已經(jīng)成功應(yīng)用。2009年，在我國舟山小干島海底輸水管道工程中，使用DN 560 SDR13.6規(guī)格的PE100管道成功穿越780 m海底。我國燃?xì)夤艿朗┕ゎI(lǐng)域尚未見到相關(guān)報(bào)道，但國外應(yīng)用案例已經(jīng)屢見不鮮。由此可見，性能提升后的PE100管道在非開挖施工領(lǐng)域具有很強(qiáng)的適用性。
4 抵抗應(yīng)力破壞能力的提升
在水平定向鉆穿越施工中，PE管道要經(jīng)過數(shù)百米的拖拉，管道不可避免會(huì)與鉆孔內(nèi)壁發(fā)生刮擦而造成損傷。這種損傷使管道壁厚減小，從而導(dǎo)致管道承壓能力的降低。為了避免這種破壞，穿越施工設(shè)計(jì)時(shí)要求使用SDR11的厚壁PE管，穿越前需進(jìn)行劃傷情況的確認(rèn)，劃痕深度必須控制在壁厚5%以內(nèi)(開挖鋪設(shè)要求劃痕深度必須控制在壁厚10%以內(nèi))。由式(3)可以計(jì)算出相同規(guī)格不同管材的管道在相同最大工作壓力下的劃痕深度與設(shè)計(jì)(安全)系數(shù)C的關(guān)系，如表6所示。
由表6可以看出，劃痕深度增加，管道壁厚減小，實(shí)際的SDR值增大，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)系數(shù)C減小，安全性降低。在相同的最大工作壓力和相同的劃痕深度時(shí)，PE100的設(shè)計(jì)系數(shù)C為PE80的1.25倍。當(dāng)最大工作壓力為0.5 MPa，管道劃痕深度在10%時(shí)，PE80已經(jīng)無法滿足非開挖施工的設(shè)計(jì)要求(C=3)，而PE100管道可以在20%劃傷情況下仍可滿足其設(shè)計(jì)要求；當(dāng)最大工作壓力降低到0.3 MPa時(shí)，即使劃痕深度達(dá)到36%，PE80和PE100安全設(shè)計(jì)系數(shù)仍能達(dá)到3以上，而此時(shí)管道實(shí)際SDR值約為17，也就是說SDR17管道也可用于非開挖穿越施工。
表6 管道劃痕深度與設(shè)計(jì)系數(shù)C
管道的劃傷不僅僅意味著管道壁厚的減小和承壓能力降低，劃痕處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)。另外，非開挖施工中鉆孔內(nèi)的石塊也會(huì)對(duì)管道造成點(diǎn)載荷，加上管道內(nèi)壓，就會(huì)形成管道裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，使管道產(chǎn)生慢速裂紋增長，引起泄漏，縮短管道使用壽命。表1中提供的慢速裂紋增長(SCC)數(shù)值是按照GB/T 18476《流體輸送用聚烯烴管材耐裂紋擴(kuò)展的測定切口管材裂紋慢速增長的試驗(yàn)方法(切口試驗(yàn))》對(duì)管材進(jìn)行試驗(yàn)，PE100管道在80 ℃高溫、0.92 MPa、缺口深度20%條件下滿足500小時(shí)靜液壓要求。實(shí)際上PE100—RC材料的切口試驗(yàn)時(shí)間可以達(dá)到8 760 h，即保證管道在點(diǎn)載荷作用下設(shè)計(jì)使用壽命至少可達(dá)100 a。
5 結(jié)語
燃?xì)夤艿蓝ㄏ虼┰焦こ淌┕ぞ哂协h(huán)保效果好、工程造價(jià)低、施工質(zhì)量好等優(yōu)勢，PE作為黏彈性材料，易收到外力破壞的這一點(diǎn)影響了PE管道在穿越工程中的應(yīng)用范圍。隨著原材料性能的提升，PE100管道的剛度、承壓能力和耐環(huán)境應(yīng)力性能均有大幅提升，使之對(duì)非開挖施工的適應(yīng)能力越來越強(qiáng)。與PE80相比，PE100管道所能承受的最大拖拉力和拖拉距離均有大幅增加，若能在定向穿越施工設(shè)計(jì)中合理考慮這點(diǎn)，可以更好地發(fā)揮PE管道在非開挖領(lǐng)域的優(yōu)勢，為繁忙的現(xiàn)代化城市地下燃?xì)夤艿朗┕?，帶來便利，?chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。
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1 提升管材性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍
PE管道在我國燃?xì)廨斉漕I(lǐng)域已使用了30多年，管道允許使用規(guī)格從1995年最大250 mm擴(kuò)大到如今最大630 mm，最大允許工作壓力從0.4 MPa提高到0.7 MPa。PE管道應(yīng)用的發(fā)展主要依托于其原材料技術(shù)的發(fā)展，從90年代普通的PE80材料發(fā)展到今天雙峰甚至多峰的PE100，PE材料性能得到大幅提升。PE材料的性能通常是以管材形式進(jìn)行測定，PE80與PE100在相同標(biāo)準(zhǔn)尺寸比(SDR11)時(shí)的部分性能指標(biāo)對(duì)比見表1。
PE材料的長期靜液壓強(qiáng)度(最小要求強(qiáng)度MRS)、耐慢速裂紋增長SCC和耐快速裂紋擴(kuò)展能力RCP等三項(xiàng)性能是PE燃?xì)夤艿雷顬殛P(guān)鍵的性能指標(biāo)。最小要求強(qiáng)度決定著管道在應(yīng)用中的承壓能力，是確保燃?xì)夤艿莱袎盒阅艿幕A(chǔ)和前提。良好的耐慢速裂紋增長性能則可避免因制造缺陷、施工損傷等產(chǎn)生的裂紋而導(dǎo)致管道系統(tǒng)的過早失效。優(yōu)良的抗裂紋快速擴(kuò)展性能顯然可以避免運(yùn)行中的管道由于遭受突然沖擊而發(fā)生快速開裂，從而確保管道的長期安全運(yùn)行。
表1 PE80與PE100部分性能指標(biāo)
從表1可知：在同樣的條件下(20 ℃保持50年不破壞)，PE100最小可承受10 MPa的環(huán)應(yīng)力(最小要求強(qiáng)度MRS值)，是PE80能承受環(huán)應(yīng)力的1.25倍，同時(shí)還具有更優(yōu)越的耐慢速裂紋增長和耐快速裂紋擴(kuò)展能力。PE100的MRS值更高，RCP性能更好，因此可提高燃?xì)夤艿赖淖畲蠊ぷ鲏毫?。?duì)于給定的口徑，提高壓力會(huì)使管道的輸送能力明顯增加。輸送同樣流量燃?xì)鈺r(shí)，采用高壓力小口徑的管道可以降低管材及施工的成本。若在給定壓力條件下(如壓力值為0.4 MPa)，PE80燃?xì)夤艿理毷褂肧DR11系列，而PE100管道可以選擇SDR17.6。由于PE100管道的壁厚比較薄，對(duì)于外徑相同的管道，若管道截面積增大，管道的輸氣能力也會(huì)隨之而增強(qiáng)。一般在等徑情況下，PE100(SDR17.6)管道比PE80(SDR11)管道截面積大17%，相應(yīng)的輸氣能力提高約24%。
但聚乙烯材料強(qiáng)度低(與鋼管相比)，管道本身不能承受太大的回拖力，因此在定向穿越工程中其管徑和穿越長度等都受到了限制。PE80管道通常只能用于DN400以下且長度不超過300 m的穿越施工。PE原材料性能的提升能使管道承受的回拖力得到大幅提升，相應(yīng)可以擴(kuò)大PE管道在定向穿越工程中的應(yīng)用范圍。
2 提高最大拖拉力
2.1 最大拖拉力計(jì)算公式的選取
在水平定向鉆穿越過程中，PE管道所能承受的最大拖拉力是施工安全的關(guān)鍵。在管道回拖時(shí)，需要承受由管材和鉆孔或泥漿之間的摩擦動(dòng)力、地面上的摩擦拖動(dòng)產(chǎn)生的摩擦拖動(dòng)阻力、沿鉆孔通道彎曲產(chǎn)生的絞盤力以及流體動(dòng)力學(xué)拖力產(chǎn)生的流動(dòng)阻力等。圖1為水平定向鉆穿越軌跡的示意圖，從中可以看出隨著管道拖入距離的增加，鉆機(jī)回拖力也逐漸增大，并在出土點(diǎn)D附近時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)管道承受的拖拉力也達(dá)到最大值。只有當(dāng)該拖拉力低于PE管道所能承受的拉伸破壞臨界值時(shí)，才可以保證穿越施工中管道的安全。
圖1 水平定向鉆穿越軌跡
PE管能承受的最大拖拉力主要決定于材料拉伸強(qiáng)度和管道橫截面積，在CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿朗┕ぜ夹g(shù)規(guī)程》(以下簡稱技術(shù)規(guī)程)中，給出了最大拖拉力的計(jì)算公式：
式中：F——最大拖拉力，N；
DN——管道公稱直徑，mm；
SDR——標(biāo)準(zhǔn)尺寸比。
式(1)是目前燃?xì)馐┕ぶ谐Ｓ玫乃惴?，主要借鑒ISO/TS 10839—2000《燃?xì)廨斔陀镁垡蚁┕懿暮凸芗O(shè)計(jì)搬運(yùn)和安裝規(guī)范》推薦的計(jì)算公式，F(xiàn) = (14π DN2)/(3SDR)，并進(jìn)行簡化。其中14為管道拉伸強(qiáng)度，單位為 MPa，3為設(shè)計(jì)系數(shù)。簡化后的公式以PE80材料的一般性能為基礎(chǔ)，對(duì)PE100材料的拉伸強(qiáng)度的改善沒有進(jìn)行區(qū)分。
對(duì)此，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 147—2010《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱非開挖技術(shù)規(guī)程)中考慮到PE100材料的性能變化，對(duì)最大拖拉力的計(jì)算公式進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)化，即：
式中： DN——管道公稱直徑，mm；
D0——聚乙烯管道內(nèi)徑，mm；
σ——管材的拉伸強(qiáng)度，MPa；
C——PE80管材基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)系數(shù)，取3。
式(2)考慮了不同等級(jí)聚乙烯材料在拉伸性能上的差異，更符合當(dāng)前管道材料情況。按式(2)計(jì)算，PE100管道能承受更大的拖拉力，為更長距離的穿越施工創(chuàng)造了前提條件。
2.2 拉伸強(qiáng)度
目前國內(nèi)市場上用量較大的5種PE100混配料的拉伸強(qiáng)度見表2，可見目前國內(nèi)市場上主要的PE100混配料拉伸強(qiáng)度均已達(dá)到23 MPa以上，較14 MPa提高了50%以上。
表2 國內(nèi)市場部分PE100混配料拉伸強(qiáng)度
參照表2，式(2)中PE80拉伸強(qiáng)度σ的取值為17 MPa，PE100拉伸強(qiáng)度σ的取值則為21 MPa。
2.3 安全系數(shù)
表1中，PE80管道最小要求強(qiáng)度MRS為8.0 MPa，PE100管道最小要求強(qiáng)度MRS為10.0 MPa。在GB/T 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng)第1部分管材》(以下簡稱PE燃?xì)夤艿罉?biāo)準(zhǔn))中管道設(shè)計(jì)應(yīng)力 σs=MRS/C，其中C=2。計(jì)算可得PE80的管道設(shè)計(jì)應(yīng)力為4 MPa，PE100的管道設(shè)計(jì)應(yīng)力為5 MPa。
在技術(shù)規(guī)程中將最大允許工作壓力(SDR11系列管道輸送天然氣)由PE80的0.5 MPa提高到PE100的0.7 MPa。PE燃?xì)夤艿罉?biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了管道最大工作壓力的計(jì)算公式：
式中： MOP——最大工作壓力，MPa；
C——設(shè)計(jì)系數(shù)；
SDR——標(biāo)準(zhǔn)尺寸比。
由式(3)可以看出：
(1)若兩種燃?xì)夤艿赖囊?guī)格和最大工作壓力都一樣，MRS值越大，設(shè)計(jì)系數(shù)也越大。PE100管道比PE80管道的設(shè)計(jì)系數(shù)大，意味著相比PE80管道，PE100管道具有更高的安全性。
(2)若兩種燃?xì)夤艿酪?guī)格相同且安全水平保持一致，則PE100管道可以采用較小的設(shè)計(jì)系數(shù)。PE80的設(shè)計(jì)系數(shù)取3，結(jié)合式(3)可推導(dǎo)出相同規(guī)格PE100管道的同水平安全設(shè)計(jì)系數(shù)，即：
說明PE100管道在設(shè)計(jì)系數(shù)取2.4時(shí)進(jìn)行水定向鉆拖拉力的計(jì)算即可滿足PE80管道的同安全水平設(shè)計(jì)系數(shù)，這對(duì)管道最大拖拉力和拖拉距離的增加具有實(shí)際意義。
綜合上述，將拉伸強(qiáng)度21 MPa和安全系數(shù)2.4代入式(2)進(jìn)行計(jì)算，可獲得PE80和PE100(SDR11)管道所能承受的最大拖拉力，如表3所示。
表3 PE100管道與PE80管道最大拖拉力
從表3可看出，隨著PE100材料性能的提升，在相同設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力和安全要求條件下，PE100管道比PE80管道所能承受的最大拖拉力提高約60%。
3 增加穿越距離
水平定向鉆穿越距離(即拖拉長度)的確定受到現(xiàn)場條件影響，沒有統(tǒng)一的公式計(jì)算。技術(shù)規(guī)程和非開挖技術(shù)規(guī)程中建議：拖拉長度不宜超過300 m。在孫遜2002年編著的《聚烯烴管道》一書中，對(duì)最大拖拉施工長度進(jìn)行了推薦，如表4所示。
表4 PE燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@施工長度
理想狀態(tài)下，水平定向鉆穿越的距離往往取決于管道的最大拖拉力。當(dāng)管道承受的回拖力達(dá)到管道最大拖拉力時(shí)，拖拉距離最長。在GB 50424—2015《油氣輸送管道穿越工程施工規(guī)范》中，鉆機(jī)選擇時(shí)的回拖力計(jì)算公式為：
式中：FP——回拖力，kN；
L——穿越管段曲線長度，m；
f——摩擦系數(shù)，取0.3；
DN——管道直徑，m；
γm——泥漿重度，kN/m3，取11.5；
δ1——管道壁厚，m；
γs——管道重度，kN/m3；
Kv——粘滯系數(shù)，kN s/m2，取0.01～0.03。
當(dāng)管道到達(dá)圖1的D點(diǎn)附近時(shí)，假設(shè)此時(shí)鉆機(jī)回拖力完全作用在管道上，據(jù)此可計(jì)算出管道最大拖拉距離。由于該公式未考慮“管道和地表之間的摩擦阻力、絞盤效應(yīng)力、彎曲時(shí)管道剛度產(chǎn)生的阻力”，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際工程計(jì)算對(duì)比資料，最大拖拉力值F可取鉆機(jī)回拖力的1.5倍，即F=1.5FP。由式(5)可以推導(dǎo)獲得PE管拖拉距離公式：
將表3中管道最大拖拉力帶入式(6)中，PE80重度取9 400 kN/m3、PE100重度取9 600 kN/m3，粘滯系數(shù)取0.01，計(jì)算出PE100管道與PE80管道的拖拉距離，如表5所示。
表5 PE管道拖拉距離
由表5可以看出，PE80管道拖拉距離與技術(shù)規(guī)程推薦的不宜超過300 m要求基本相符，PE100管道在此基礎(chǔ)上有較大幅度提高，并且隨著管道外徑的增加而不斷增加。
對(duì)于PE管道300 m以上的長距離非開挖穿越施工，在自來水行業(yè)已經(jīng)成功應(yīng)用。2009年，在我國舟山小干島海底輸水管道工程中，使用DN 560 SDR13.6規(guī)格的PE100管道成功穿越780 m海底。我國燃?xì)夤艿朗┕ゎI(lǐng)域尚未見到相關(guān)報(bào)道，但國外應(yīng)用案例已經(jīng)屢見不鮮。由此可見，性能提升后的PE100管道在非開挖施工領(lǐng)域具有很強(qiáng)的適用性。
4 抵抗應(yīng)力破壞能力的提升
在水平定向鉆穿越施工中，PE管道要經(jīng)過數(shù)百米的拖拉，管道不可避免會(huì)與鉆孔內(nèi)壁發(fā)生刮擦而造成損傷。這種損傷使管道壁厚減小，從而導(dǎo)致管道承壓能力的降低。為了避免這種破壞，穿越施工設(shè)計(jì)時(shí)要求使用SDR11的厚壁PE管，穿越前需進(jìn)行劃傷情況的確認(rèn)，劃痕深度必須控制在壁厚5%以內(nèi)(開挖鋪設(shè)要求劃痕深度必須控制在壁厚10%以內(nèi))。由式(3)可以計(jì)算出相同規(guī)格不同管材的管道在相同最大工作壓力下的劃痕深度與設(shè)計(jì)(安全)系數(shù)C的關(guān)系，如表6所示。
由表6可以看出，劃痕深度增加，管道壁厚減小，實(shí)際的SDR值增大，會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)系數(shù)C減小，安全性降低。在相同的最大工作壓力和相同的劃痕深度時(shí)，PE100的設(shè)計(jì)系數(shù)C為PE80的1.25倍。當(dāng)最大工作壓力為0.5 MPa，管道劃痕深度在10%時(shí)，PE80已經(jīng)無法滿足非開挖施工的設(shè)計(jì)要求(C=3)，而PE100管道可以在20%劃傷情況下仍可滿足其設(shè)計(jì)要求；當(dāng)最大工作壓力降低到0.3 MPa時(shí)，即使劃痕深度達(dá)到36%，PE80和PE100安全設(shè)計(jì)系數(shù)仍能達(dá)到3以上，而此時(shí)管道實(shí)際SDR值約為17，也就是說SDR17管道也可用于非開挖穿越施工。
表6 管道劃痕深度與設(shè)計(jì)系數(shù)C
管道的劃傷不僅僅意味著管道壁厚的減小和承壓能力降低，劃痕處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)。另外，非開挖施工中鉆孔內(nèi)的石塊也會(huì)對(duì)管道造成點(diǎn)載荷，加上管道內(nèi)壓，就會(huì)形成管道裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，使管道產(chǎn)生慢速裂紋增長，引起泄漏，縮短管道使用壽命。表1中提供的慢速裂紋增長(SCC)數(shù)值是按照GB/T 18476《流體輸送用聚烯烴管材耐裂紋擴(kuò)展的測定切口管材裂紋慢速增長的試驗(yàn)方法(切口試驗(yàn))》對(duì)管材進(jìn)行試驗(yàn)，PE100管道在80 ℃高溫、0.92 MPa、缺口深度20%條件下滿足500小時(shí)靜液壓要求。實(shí)際上PE100—RC材料的切口試驗(yàn)時(shí)間可以達(dá)到8 760 h，即保證管道在點(diǎn)載荷作用下設(shè)計(jì)使用壽命至少可達(dá)100 a。
5 結(jié)語
燃?xì)夤艿蓝ㄏ虼┰焦こ淌┕ぞ哂协h(huán)保效果好、工程造價(jià)低、施工質(zhì)量好等優(yōu)勢，PE作為黏彈性材料，易收到外力破壞的這一點(diǎn)影響了PE管道在穿越工程中的應(yīng)用范圍。隨著原材料性能的提升，PE100管道的剛度、承壓能力和耐環(huán)境應(yīng)力性能均有大幅提升，使之對(duì)非開挖施工的適應(yīng)能力越來越強(qiáng)。與PE80相比，PE100管道所能承受的最大拖拉力和拖拉距離均有大幅增加，若能在定向穿越施工設(shè)計(jì)中合理考慮這點(diǎn)，可以更好地發(fā)揮PE管道在非開挖領(lǐng)域的優(yōu)勢，為繁忙的現(xiàn)代化城市地下燃?xì)夤艿朗┕?，帶來便利，?chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。
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