中裕城市能源投資控股(深圳)有限公司 李 旭

華潤(集團)有限公司 彭知軍

青島優(yōu)派普環(huán)保科技股份有限公司 張群甲

1 聚乙烯燃氣管道(PE管)開裂成因分析

PE管在靜液壓作用下主要有韌性破壞、脆性破壞和老化破壞三種形式。具體如下：

(1) 韌性破壞。在環(huán)向應力過大、短時間內(nèi)薄弱部位產(chǎn)生應力集中時，管壁從彈性狀態(tài)逐漸演變到塑性變形狀態(tài)，導致管道隆起明顯變形失效。

(2) 脆性破壞。出現(xiàn)在環(huán)向應力中等、長期服役情況下，其特點為一條逐漸增長的裂紋將管壁貫穿。管道斷裂前無明顯的塑性變形，其破壞機理主要為慢速裂紋增長(SCG)。

(3) 老化破壞。PE管在存儲、使用過程中，受光氧化、熱氧化、化學等因素影響而緩慢老化，導致性能降低、失效。PE管的老化破壞階段，通常發(fā)生在管道服役后期，由于管道自身老化、抗氧劑失效，所以就會突然出現(xiàn)。

受上述因素影響，PE管在生產(chǎn)、運輸、施工安裝、運行維護環(huán)節(jié)會出現(xiàn)各種缺陷或損傷，而且隨著運行年限的增加，PE管自身也會逐漸發(fā)生老化導致其性能降低、壽命減少。在燃氣管道的實際運行中，因PE管開裂導致的各類漏氣事故時有發(fā)生。某公司從2017年至2021年，因PE管道開裂而發(fā)生漏氣事件共計166起。經(jīng)分析，原因統(tǒng)計如表1所示。其中，主要原因為第三方施工破壞，占89.16%，其次為管材質量不合格和焊接缺陷，均為3.61%。

表1 PE管開裂原因統(tǒng)計

2 PE管生產(chǎn)、施工等各環(huán)節(jié)常見問題分析

2.1 PE管生產(chǎn)環(huán)節(jié)

2.1.1 主要影響因素

原材料是影響PE管材質量的主要因素。其性能取決于分子結構，而分子結構受催化劑品種、聚合類型、聚合條件、分子量及分子量分布、共聚單體類型、含量及其分布等因素的影響。

目前PE管生產(chǎn)用料主要有：混配料、基礎樹脂改性料、“白加黑”料等，其特點和產(chǎn)品質量如表2所示。

表2 PE管各原料特點和產(chǎn)品質量

此外，有個別廠家為了降低生產(chǎn)成本，使用不合格原料、低品質原料、水管料，甚至大量摻混再生回收料生產(chǎn)PE管，導致管道性能及使用壽命大大降低，風險極大。

2.1.2 案例分析

案例一：貴溪“8·27”爆燃事故。2010年 8月 27日江西省貴溪市發(fā)生一起天然氣爆燃事故，造成2死2重傷。事故直接原因系DN315 PE管材存在嚴重質量問題，導致管道在運行期間出現(xiàn)長約0.53 m的縱向裂縫，泄漏的天然氣竄入周邊商鋪發(fā)生爆燃所致。經(jīng)調(diào)查：該批次管材于2008年敷設，距事發(fā)時僅2年時間；在后期事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該批次管材在切割至管徑2/3時較容易折斷，且在施工階段試壓過程中曾出現(xiàn)2處開裂問題。后經(jīng)第三方檢測，結果顯示該批次管材耐快速裂紋擴展指標不合格，判定為不合格管材。

案例二：華夏路中壓管道開裂事故。2019年11月9日山東省某市華夏路DN250口徑的中壓PE管道發(fā)生燃氣大量泄漏。事故直接原因系PE管段出現(xiàn)3 m長的縱向裂縫，經(jīng)搶維修處理后繼續(xù)運行。2021年1月該路段再次發(fā)生管道開裂事故。調(diào)查發(fā)現(xiàn)該路段排管均為同批次管材，于 2008年敷設，距事發(fā)時約11年，遠低于50年設計壽命；在搶維修中發(fā)現(xiàn)夾管后PE管道易出現(xiàn)裂紋；該批次問題管材在其他城市施工過程中也曾發(fā)生熱熔焊口多次脆性斷裂。經(jīng)第三方檢測，該批次管材熱穩(wěn)定性、壓縮復原兩項指標不合格，判定為不合格管材。

2.2 運輸安裝環(huán)節(jié)

運輸安裝環(huán)節(jié)常見缺陷主要有劃痕、凹陷、焊接缺陷以及點載荷等，具體如下：

(1) 劃痕、凹陷。主要系作業(yè)人員在裝卸、焊接中的違規(guī)操作，如野蠻拖拽、磕碰等造成。PE管最大應力以及劃痕處變形量隨劃痕深度的增大而增大。

(2) 焊接缺陷。受施工人員操作、焊接工藝及設備、環(huán)境因素等影響，焊接時引入了細小缺陷，導致焊接缺陷，微觀表現(xiàn)為微孔洞或球晶缺陷。

(3) 點載荷。主要系管道埋層周邊存在石塊等尖銳物造成。PE管埋設于松軟土地或埋深較淺時，管道橫截面形變量受交通載荷影響會較大。埋設于夯實土體或埋深較深時，管道橫截面形變量較小，但點載荷的長期作用也會使得PE管的某一點發(fā)生慢速裂紋增長引起點狀破壞、泄漏。

2.3 運行維護環(huán)節(jié)

2.3.1 外力破壞

外力破壞主要包括第三方施工破壞、地面載荷破壞、搶維修中的壓扁阻斷等。

(1) 第三方施工破壞。主要為第三方施工過程中存在違章指揮或違規(guī)作業(yè)，甚至野蠻施工，不落實管道保護方案等，導致PE管被人為破壞。

(2) 地面載荷。地面載荷主要包括占壓載荷、交通載荷、地基沉降等地面載荷。其中，在占壓載荷作用下管道應力集中出現(xiàn)在地基土與覆土分界處，增加埋深能夠有效緩解外載荷通過土體對于管道的傳遞，可以較為明顯地降低占壓載荷對管道的應力值；隨著埋深的增加，交通載荷作用力大大降低。當具有交通載荷環(huán)境時，盡量考慮使用PE100管道；PE管應力隨著沉降位移的增大而增大，危險段主要發(fā)生在過渡段與沉降區(qū)的交界處或過渡段與非沉降區(qū)的交界處。

(3) 壓扁阻斷。常用于不停氣作業(yè)方式。壓扁阻斷會引起PE管力學性能衰退，且力學性能的衰減主要集中在管道被擠壓的“耳朵”位置；PE管最大載荷、最大應力及最大塑性應變隨擠壓速度和壓縮率的增大而增大，不當?shù)牟僮鲿沟肞E管被擠壓位置出現(xiàn)裂口、變形，從而影響管道的使用壽命。

2.3.2 管道老化

聚乙烯容易發(fā)生光氧化、熱氧化、臭氧分解，在紫外線作用下容易發(fā)生降解，受輻射后可發(fā)生交聯(lián)、斷鏈、形成不飽和基團等反應，老化過程中聚乙烯結晶度降低，老化后的PE管力學性能明顯減弱。

運行壓力越大，管道老化速率越快，使用壽命越短。此外，PE管使用時間越長，管道的氧化誘導時間與熔體質量流動速率的性能衰減越大，其抗氧化性能與機械強度性能越弱[1]。

2.3.3 溫度影響

溫度降低使得PE管拉伸強度提高、斷裂伸長率下降、抗沖擊強度下降，最終PE管由韌轉脆。PE管如若長期在低溫下工作，其發(fā)生快速裂紋擴展的風險升高。實踐中因 LNG氣化站燃氣出站溫度過低導致的PE管開裂泄漏事故已多次發(fā)生。

另外PE管的線膨脹系數(shù)大，耐熱性不高，受熱后會加劇材料中抗氧劑的消耗，因此應注意保證與熱力管道的安全間距。

2.3.4 管內(nèi)介質影響

PE管在 60℃以下與脂肪烴、芳香烴、鹵代烴等長期接觸會溶脹或龜裂，使得PE管的耐壓能力降低。輸送人工煤氣或液化石油氣時，應考慮燃氣中芳香烴、冷凝液對管道性能，特別是對管道耐壓性能、耐慢速裂紋增長的不利影響。

2.3.5 白蟻蟲害侵蝕

主要為白蟻啃噬所致，多發(fā)生在植物茂密、土壤潮濕的庭院管網(wǎng)中。白蟻的分泌物不會與PE管發(fā)生化學反應，管道的表面硬度、光潔度對管道防御白蟻的蛀蝕起到?jīng)Q定性的作用。

3 相應防范措施

預防PE管開裂應從原材料選用、管道生產(chǎn)、運輸、安裝、運行維護等方面進行全流程管理。特別是需要PE管道行業(yè)的上中下游企業(yè)共同參與，提高產(chǎn)品質量。

3.1 管材制造企業(yè)

首先應加強源頭管控，嚴格按照合同約定選用合格的燃氣專用混配料，禁止使用任何形式、任何來源的回收料、再生料，如有使用本廠回用料，也必須有嚴密的回用料管理與控制措施；其次應建立健全質量管理體系，對每一批次管材產(chǎn)品進行出廠性能抽樣檢測；最后應建立完善的產(chǎn)品質量的可追溯系統(tǒng)，確保發(fā)現(xiàn)管道質量問題可對生產(chǎn)人員及使用用戶進行追溯，完整保存所有的原始檢驗記錄。

3.2 燃氣企業(yè)

3.2.1 管材采購環(huán)節(jié)

嚴把供應商準入關，加強供應商認證審核工作，重點審核管材制造企業(yè)的資質許可、生產(chǎn)技術能力、質量管理水平和主要銷售業(yè)績。優(yōu)先選用已獲 G5+(燃氣企業(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質量控制合作小組)認可的供應商、持有A級生產(chǎn)許可和CNAS實驗室認可的供應商、有向大中型燃氣企業(yè)供貨業(yè)績的供應商。

采購合同中應明確約定需方所指定的混配料廠家及牌號以及出現(xiàn)管道質量問題的追償條款，定期對管道進行抽樣檢測。

3.2.2 運輸安裝環(huán)節(jié)

一方面強化過程管控，做好管道運輸存儲、施工焊接、溝槽回填及試壓驗收工作，減少意外劃傷等風險；另一方面加強管道入場驗收及施工質量過程管控管理，發(fā)現(xiàn)問題PE管后應及時與供應商溝通處置，及時送檢。

3.2.3 運行維護環(huán)節(jié)

建立PE管安全評估體系。加強管網(wǎng)巡線及泄漏檢測，及時整改隱患；做好追溯信息記錄，妥善保管管材的采購記錄、收發(fā)出入庫記錄、竣工資料等。竣工資料中應準確填寫材料的生產(chǎn)制造廠家及產(chǎn)品生產(chǎn)批次信息，竣工圖中準確標明管道位置、管徑等信息，以便及時鎖定問題批次及管道位置。

3.2.4 PE管大面積失效整改

對問題管材性能進行取樣檢測，檢測單位應取得CNAS認可、CMA認證；進行全面排查，建立專項管理臺賬，繪制管網(wǎng)圖；停止使用，及時更新、改造、同時做好現(xiàn)場取證及損失追償工作。

4 結語

通過對PE管常見問題及其產(chǎn)生原因分析，可以得知第三方施工破壞、管道施工安裝(焊接缺陷、埋深不足、管道裸露)、管材質量不合格等因素對PE管影響較大。燃氣企業(yè)應重點做好第三方施工安全監(jiān)護，盡可能減少管網(wǎng)第三方破壞；落實巡線、泄漏檢測措施，及時發(fā)現(xiàn)處理管道裸露、埋深不足、地質沉降、管道老化等隱患。同時也可從新材料、新技術層面進行改善，如使用耐開裂性能更好的PE100-RC管材，提高安全裕度，減少管道開裂情況。此外推進無損檢測方法在PE管老化檢測上面的應用研究、加強對PE管壽命預測的理論研究、出臺PE管安全評估標準等工作，能更好地指導燃氣企業(yè)對PE管實施安全管控。