賀子東，梁耀方

(1.重慶梁平天然氣有限責任公司，重慶 400000；2.重慶燃氣集團股份有限公司，重慶 400000)

0 引言

經(jīng)濟的快速增長拉動市場對石化資源的需求，目前主要的石化資源仍是煤、石油、天然氣。這三種石化資源燃燒產(chǎn)生相同熱值時，天然氣的二氧化硫產(chǎn)生量占煤的0.14%、石油的0.25%；二氧化碳產(chǎn)生量占煤的59%、石油的72%；一氧化碳產(chǎn)生量占煤的3.45%、石油的6.25%；灰塵產(chǎn)生量占煤的0.68%、石油的7.14%，因此天然氣更具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟實惠等優(yōu)勢[1]。隨著油氣管道、中緬油氣管線、西氣東輸、川氣東送等國家級天然氣管道工程的建成投產(chǎn)，及國家“煤改氣”“雙碳”等政策導向，城鎮(zhèn)燃氣蓬勃發(fā)展，并通過建設城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)讓清潔、高效、優(yōu)質的天然氣惠及千家萬戶。當下，聚乙烯燃氣管道以其優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、柔韌性、適應性等性能，具有壽命長、輕質環(huán)保、施工工藝簡單等特點，被廣泛應用于城市燃氣輸配管網(wǎng)，在降低燃氣工程造價、加快工程進度、提高燃氣管網(wǎng)輸配能力、保障燃氣運行安全等方面具有現(xiàn)實意義。

1 聚乙烯燃氣管道簡介

聚乙烯管道是以聚乙烯(由乙烯單體經(jīng)過一定壓力聚合而成的線型高聚物)為主要原料經(jīng)擠壓成型的高分子聚合物，生產(chǎn)其原料應使用聚乙烯混配料，不過目前國內(nèi)規(guī)范未明確規(guī)定聚乙烯燃氣管道原料的專用混配料配比及其產(chǎn)品標準[2]。作為新一代燃氣輸送管，與傳統(tǒng)的鋼質管道相比，密度僅為鋼管的八分之一，內(nèi)壁當量絕對粗糙度僅為鋼管的十分之一，使用壽命比鋼管長約30年，同時還具有優(yōu)良的耐腐蝕性、嚴密性以及撓性、強度高、韌性好、工程適應性強、安裝維護簡便、易操作等特點。目前廣泛應用于中低壓埋地燃氣管道，對用做入戶立管還處于理論研究階段。

聚乙烯燃氣管道在生產(chǎn)、儲運、施工、回填等過程中要避免出現(xiàn)劃傷、刮痕，堆放處應通風良好、遠離熱源、預防物理化學污染，堆放合理以避免不圓度超標，禁止陽光直射、雨淋。從生產(chǎn)到使用，聚乙烯燃氣管材有效時間不宜超過1年，聚乙烯燃氣管件有效時間分別不宜超過2年。

2 聚乙烯燃氣管道焊接

聚乙烯燃氣管道的連接方式主要有電熔承插焊(管徑≤DN90)、熱熔對接焊(管徑＞DN90)、法蘭連接以及鋼塑轉換連接[3]，前兩種方式主要用于聚乙烯燃氣管道間的對接，后兩種方式主要用于聚乙烯燃氣管道與鋼質管道之間的連接。本節(jié)主要探討電熔承插焊和熱熔對接焊。電熔承插焊基本原理是電熔管件內(nèi)壁預埋的電阻絲通電發(fā)熱，以熔化電熔管件內(nèi)壁和承插管道外壁，靜置冷卻后融為一體形成焊接。熱熔對接焊基本原理主要是將兩根管道端面通過專用加熱工具加熱至黏流狀態(tài)后，施壓將熔融端面對接、熔合，冷卻后連接為一體形成焊接。電熔承插焊和熱熔對接焊焊接穩(wěn)定約為190～240 ℃，熔融端面充分接觸和適當壓力保證接口材質與管體的一體化和同一性，減少泄漏的概率。電熔承插焊焊機已實現(xiàn)全自動化，而熱熔對接焊機自動化程度較低于電熔承插焊焊機，檢驗周期均不超過一年。目前國內(nèi)聚乙烯燃氣管道焊接機具質量水平和性能穩(wěn)定需要通過產(chǎn)品型式檢驗來確保，焊接工藝參數(shù)的性能指標狀況則需通過使用過程的定期檢驗來保障。

電熔承插焊影響因素較少，建議管道表面氧化皮刮除1～2 mm，且管材和管件最好為同一生產(chǎn)廠商。熱熔對接焊影響因素較多，如施焊前要注意管道的清潔、表面刮痕、管道本身是否為橢圓等問題；施焊過程中要注意焊接端面的預防污染、靜電；加強焊接機具和焊接環(huán)境的控制等。此外，電熔承插焊和熱熔對接焊的加熱時間都關系到管材吸熱是否均勻、熔融層厚度是否合理，進而直接影響焊接質量。

現(xiàn)階段聚乙烯管道焊接接頭質量主要通過檢查進行加強。電熔承插焊質量要求：針對熔接強度，要求剝離脆性破壞百分比≤33.3%(即韌性破壞百分比>66.7%)；靜液壓強度試驗要求是合格；端面無熔融料溢出；電阻絲不應擠出(特別結構設計除外)等。熱熔對接焊應具有沿管道外端面平滑對稱、對正的焊環(huán)[4]，規(guī)范要求對稱性和對正性均需100%檢驗，翻邊切除檢驗10%。針對180°背彎試驗方法無法100%檢測出熱熔對接接頭翻邊不合格的情況，可采取增加360°面彎拉伸試驗[5]。不同牌號的聚乙烯燃氣管道對焊時，推薦采用壁厚較大管材的參數(shù)，且必須焊接工藝評定合格。在役燃氣管道改造或檢修時應根據(jù)在役管道出廠時的熱性能參數(shù)確定焊接工藝參數(shù)，熱性能參數(shù)相差過大時建議不采用熱熔焊接工藝。

為確保聚乙烯燃氣管道焊接質量，焊接作業(yè)應嚴格按照聚乙烯燃氣管道施工管理規(guī)程，管控好人材機、施工單位、施工現(xiàn)場、施工資料，通過強化停檢點(安裝告知、管材管件合格證、質檢證等、焊接工藝評定、強度和嚴密性試壓等)、必檢點(技術資料、閥門及管件合格證、質檢證等、管溝位置、焊接接頭、竣工資料等)、巡檢點(人材機條件及技術準備、安全間距、管溝質量審查記錄、吹掃、清掃等)等過程監(jiān)檢，對各個單位、各個環(huán)節(jié)的現(xiàn)場工程質量進行控制，進一步發(fā)展聚乙烯燃氣管道焊接數(shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)進行信息化監(jiān)管。

3 聚乙烯燃氣管道安全運行

聚乙烯燃氣管道設計、制造、運輸、埋設、運行5個階段，共涉及25個危險源：管溝設計、壁厚控制、壓力-溫度、力學性能、標準執(zhí)行、原材料質量、加工質量、單位資質、表面處理、出廠檢驗、運輸方式、防曬措施、防污措施、防撞措施、損傷檢查、熔接質量、運輸防護、最小埋深、工序管理、管線標識、第三方破壞、地質沉降、白蟻啃食、土壤侵蝕、根系破壞，最終確定對聚乙烯燃氣管道危害最大的為第三方破壞[6]。

國內(nèi)學者們借助風險管理對聚乙烯燃氣管道進行安全評價的方法衍生有：運用危險源指標理論，建立灰色關聯(lián)理論的重大危險源評估模型；結合FTA、AHP和灰色分析法，將變權思想與灰色理論相結合以綜合處理風險評價問題；基于物元和可拓學的風險評價方法建立了管道失效(如第三方破壞、失效因素等)風險等級評定模型；管道全面檢驗(含強度校核和耐候性試驗)；利用模糊綜合評價算法、風險矩陣法、安全預警理論等進行風險評估；基于Visual Basic語言、Matlab軟件、DS-AHP-GRA理論開發(fā)了DS-AHP-GRA安全評價程序；在Microsoft Visual Studio 2015上采用C#語言開發(fā)聚乙烯燃氣管道風險評價系統(tǒng)軟件等。

除安全評價外，定位聚乙烯燃氣管道對其運行維護都有至關重要的作用，然而聚乙烯燃氣埋地管道探測定位技術還有待研究提升，目前研究較多的四種定位方法為：一是探地雷達法、二是示蹤線探測法、三是聲學定位法、四是靜電力法[7]。探地雷達法受地質條件、其他埋地管道、探測人員專業(yè)素養(yǎng)等限制，且很難定位埋深較大的小口徑聚乙烯燃氣埋地管道。目前探測效率最高、效果最好、運用最多的是示蹤線探測法，其依賴于建設時沿管線敷設示蹤線且不能中斷。聲學定位法屬于一種新型技術，不需要與管道連接，受干擾因素少，局限性在于無法區(qū)分金屬與非金屬管道，且需與常規(guī)探測方法聯(lián)合判斷管道埋深。靜電力法具有很好的發(fā)展前景，主要是捕捉管內(nèi)輸送的天然氣特有的靜電力，不受管材影響，局限于受外界濕度、強電磁場干擾等影響。美國天然氣研究所近年來研究出磁性聚乙烯管道，利用地面探測器對磁性管線實現(xiàn)精準定位，引進和研發(fā)此類聚乙烯管道定位技術，是亟待我國攻克的技術難題。

為保障聚乙烯燃氣管道安全運行，綜合上述情況，應做好以下措施：新建聚乙烯燃氣管道投運前做好管線的吹掃、嚴密性試壓、強度試壓；設置燃氣管道標志樁、警示帶和示蹤線，為預防標志樁、標志磚被破壞，國內(nèi)出現(xiàn)電子標簽法，用電子標簽代替標志樁、標志磚；加強巡查和維護，預防第三方施工破壞；高風險地段做好蓋板、套管等保護措施；減少埋地管道地表植物對管道的影響，特別是木本植物等。

4 聚乙烯燃氣管道失效

楊旭等人通過梳理燃氣管道故障、建立故障樹模型，分析出燃氣管道失效可能性大于管道附屬設施[8]。聚乙烯燃氣管道失效形式有變形失效、韌性失效、脆性失效、焊接接頭失效、缺陷失效、表面失效。

管內(nèi)氣壓、土壤壓力、地面交通載荷等是引起聚乙烯燃氣埋地管道的變形失效的主要原因。土壤壓力和地面交通載荷引起的變形表現(xiàn)在管道豎直徑向變小，水平徑向增大；管內(nèi)氣壓引起的變形表現(xiàn)在管道環(huán)向出現(xiàn)拉伸應力，外徑增大。變形失效無法完全避免，針對變形區(qū)漏氣搶修的情況，充分利用電熔鞍型焊接，可以在快捷、經(jīng)濟的基礎上降低社會影響[9]。韌性失效主要是在管內(nèi)流體壓力下產(chǎn)生蠕變、脆性破壞、材質劣化等破壞，在實踐中主要通過測試短時間試件的力學參數(shù)來判斷；脆性失效歸屬于斷裂力學范圍，可通過在極限溫度下測試確定脆性裂紋發(fā)生條件來避免脆性失效的發(fā)生；焊接接頭失效中焊接接頭主要利用工業(yè)CT、X射線、超聲波檢測方法，工業(yè)CT、X射線檢測敏感但不適合現(xiàn)場使用，超聲波不敏感且超聲波相控陣檢測技術無法判斷焊口機械性能，但現(xiàn)場使用方便、識別率高、更具推廣性；缺陷失效主要是從生產(chǎn)至使用過程中出現(xiàn)劃傷、刮痕等不同程度的缺陷產(chǎn)生的；表面失效主要通過能譜儀、電子顯微鏡等儀器研究管道外表面結構和成分，各因素影響程度為：材質＞尺寸＞溫度=劃痕。雖然失效形式種類多，但是表征方法較單一，現(xiàn)主要進行破壞性力學實驗，無損檢測是發(fā)展方向，從根本上預防、從源頭上治理，確保管道變形失效在可控范圍內(nèi)。

除前文有所提及的電磁、聲波、光波、壓力等檢測和直接評價外，針對聚乙烯管道質量檢測還可通過管道機器人檢測，即通過遠程操控攜帶多種傳感器的管道機器人在管內(nèi)行走來識別缺陷、完成檢測。

5 聚乙烯燃氣管道檢漏與修復

目前PE燃氣管道泄漏點的檢測方法是檢漏儀法和聲發(fā)射檢漏技術。檢漏儀法依靠對已知管道定位附近可疑范圍的地面打孔，檢測孔內(nèi)甲烷濃度來判斷漏氣點。在不破壞地面現(xiàn)狀時，可采用聲發(fā)射檢漏技術判斷泄漏點，其具有較高的靈敏度，對泄漏點的定位也很精確，具有良好的應用前景。針對發(fā)現(xiàn)的漏點，可利用不停輸開孔封堵技術原理實施聚乙烯燃氣管道帶氣搶修作業(yè)[10]，減少對用戶的影響程度，這點是鋼質管道不能比擬的。

6 結語

雖然聚乙烯燃氣管道在施工使用過程中存在焊接工藝檢定難、焊接技術人為影響大、在役埋地管道定位難、裸露隱患大等不足，但是與傳統(tǒng)鋼質管道相比，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、嚴密性以及撓性、強度高、韌性好、工程適應性強、安裝維護簡便、易操作等性能特點。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，可以看出聚乙烯燃氣管道應用前景廣闊，其管理已在燃氣管網(wǎng)建設中逐步形成較完善的質量監(jiān)督體系、規(guī)章制度、全壽命周期管理制度，能夠確保聚乙烯燃氣管網(wǎng)的安全運行，值得大力推廣應用。在應用聚乙烯燃氣管道的過程中值得注意的是應該加強聚乙烯燃氣管全壽命周期內(nèi)的細節(jié)管理，預防第三方施工破壞，確保每個過程、每個環(huán)節(jié)受控，特別是施工過程、人為因素。只有不斷改進、總結、提高作業(yè)水平，并且推廣使用聚乙烯燃氣管道相關的四新技術，才能進一步促進聚乙烯燃氣管道在城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)中更環(huán)保、更安全、更經(jīng)濟、更快速地發(fā)展。