埋地聚乙烯燃氣管道基于失效模式的全面檢驗關鍵技術及工程應用

石秀山 何仁洋 曾維國 任 峰 蔡廣明（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

埋地聚乙烯燃氣管道基于失效模式的全面檢驗關鍵技術及工程應用

石秀山 何仁洋 曾維國 任 峰 蔡廣明
（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

PE管道因有較高的性價比，廣泛應用在能源、燃氣等工程中，但因其焊接接頭質量難以檢測、位置探查難度大，使PE管道的安全狀況難以控制，導致泄漏等事故?；赑E管材的失效模式，參照鋼質管道的檢驗經(jīng)驗，中國特種設備檢測研究院研究確定了 PE管道基于失效模式的全面檢驗關鍵技術，并圍繞關鍵技術開展了多項研究，取得了一系列科研成果，如：PE管焊接質量超聲相控陣動態(tài)聚焦和B 掃查成像檢測、探地雷達、泄漏在線檢測、老化及安全評價、風險評估方法等。這些系列成果，在新疆、青海、內蒙古、寧夏等城市PE燃氣管網(wǎng)中得到了有效應用，檢驗出多項安全隱患，為城市燃氣的安全提供了保障，為今后全面開展PE管線檢驗，提供了成功經(jīng)驗。

PE管道 全面檢驗 缺陷檢測 位置探測 泄漏檢測 壽命預測 安全評價 風險評估 工程應用

1 前言

聚乙烯管道（以下稱PE管道）具有質輕價廉、耐腐蝕老化、絕緣、密封性和韌性好等特點。國外從20世紀40年代開始使用，60年代開始大規(guī)模使用PE管道。在我國燃氣用PE管出現(xiàn)于20世紀90年代中期，近年來，部分油田在集輸管網(wǎng)中也嘗試利用PE管道代替鋼管。

隨著近20年的使用，PE管道的安全問題也開始暴露出來，尤其是PE管道的焊接質量不高導致的泄漏、埋深不夠導致的管道變形、位置不清導致的第三方施工損壞等，如何實現(xiàn)在用PE燃氣管道安全狀況檢驗，成了行業(yè)關注的焦點。

我國對PE燃氣管道的檢驗還沒有形成一套完善的方法體系，但在管道元件制造、安裝、竣工驗收、在用等方面已有一些安全技術規(guī)范和行業(yè)標準，如TSG D2002-2006《燃氣用聚乙烯管道焊接技術規(guī)則》、CJJ 63-2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》、CJJ 51-2006《城市燃氣設施運行、維護和搶修安全技術規(guī)程》、TSG D7003-2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則公用管道》涉及了相關環(huán)節(jié)，但不全面，缺乏一定的技術支撐。

本文針對中國特種設備檢測研究院圍繞PE燃氣管道的安全質量問題，開展的相關研究及提出的PE燃氣管道基于失效模式的全面檢驗關鍵技術與工程應用工作進行介紹。

2 PE管道基于失效模式的全面檢驗關鍵技術

根據(jù)2012年美國PE管失效原因統(tǒng)計數(shù)據(jù)，導致聚乙烯管道失效有主要6個方面的原因，所在比例如圖1所示：

圖1 美國PE管失效原因統(tǒng)計數(shù)據(jù)（2012年)

1）擠壓；

2）點載荷；

3）過度膨脹/收縮；

4）過度的外部土地載荷；

5）安裝錯誤；

6）其他載荷。

實際使用中，主要體現(xiàn)為PE管道存在焊接質量、管材老化、占壓、埋深不夠等問題，導致PE管安全性能降低甚至開裂等失效可能。因此開展埋地燃氣PE管道的全面檢驗，必須針對這些失效原因來展開。

埋地燃氣PE管道的全面檢驗應該包括以下方面：

1） 原始資料調查，掌握管材組分等基本資料，管材組分與管道老化壽命等有直接關系；

2） 現(xiàn)場管道走向與埋深探查和外部宏觀檢查；

3） 不開挖泄漏普查，分析管道危險源，并針對PE管管體質量（PE接頭質量、鋼塑轉換接頭、管子質量）進行開挖抽查檢測；

4） 適情況進行剩余壽命預測（老化評價）及管道在特殊位置的安全性能評價；

5） 對整個管網(wǎng)進行風險評估。

通過以上全面檢驗項目的開展，能夠基本摸清管道的安全現(xiàn)狀，達到全面檢驗的目的。

2.1 PE管道定位檢測

探測PE管道的位置和埋深可以有效避免第三方開挖破壞，并評估土力載荷情況對管道的擠壓情況，但有些PE管道并沒有埋設金屬示蹤線或者施工不規(guī)范造成示蹤線斷開或未連接，后期檢測維護就必須進行探查。目前PE管道的探查方法有電磁法和探地雷達法及震動波法等，電磁法主要應用在有示蹤線的PE管道上，探地雷達法及震動波法主要用來探查復雜部位管線和沒有示蹤線的PE管道，其中探地雷達是比較常用的探測方法。

目前中國特種設備檢測研究已經(jīng)研制了多套新型雷達，其在通道數(shù)、采樣、探測深度方面均優(yōu)于國內外其他的雷達。探測深度為0～6m；探測深度誤差＜3%；探測橫向精度＜0.1m；能夠滿足PE管道檢驗定位精度的要求[1],此外正在研制能夠識別材質和管道口徑的新型雷達，對今后PE管道探測帶來更多的便利。

2.2 PE焊接質量超聲波檢測

●2.2.1 PE管道的焊接缺陷分類

PE管的連接是整個安裝過程中最重要的工序,其質量是影響結構完整性和安全運營、持久強度的重要因素，連接技術的優(yōu)劣直接關系到管道的運行壽命。管道連接通常采用熔化連接和機械連接等方法，PE燃氣管道最常用的是熱熔連接和電熔連接。圖2和圖3分別為電熔和熱熔焊接時焊接接頭可能產(chǎn)生幾種內部缺陷的類型[2]。

圖2 電熔焊接接頭內部缺陷

圖3 熱熔焊接接頭內部缺陷

●2.2.2 PE接頭的焊接缺陷檢測方法

目前PE管道焊接質量的檢測方法為壓力檢測法,該方法只能檢出較大的焊接缺陷,對較小的焊接缺陷(如未焊透)則無能為力。PE管因焊接質量導致的事故也時有發(fā)生，因此開展PE管焊縫缺陷無損檢測技術的研究對PE管的應用推廣具有重要意義。

為實現(xiàn)通過無損檢測手段替代破壞性試驗進行PE管道焊接質量的探傷，中國特種設備檢測研究院牽頭承擔的“十一五” 和“十二五”國家科技支撐計劃課題組通過10年時間對熱熔焊接接頭和電容焊接接頭的焊接質量的無損檢測方法進行了研究。其研究成果表明，對電容和熱熔焊接接頭分別采用超聲相控陣動態(tài)聚焦并結合B掃查成像技術和耦合聚焦超聲檢測技術能夠對焊接接頭的質量進行檢測，并對缺陷大小進行定位[3]。依據(jù)該成果制定了國家標準GB/T 29460-2012《含缺陷聚乙烯管道電容接頭安全評定》。

1）超聲相控陣聚焦檢測。超聲相控陣換能器的設計基于惠更斯原理。換能器由多個相互獨立的壓電晶片在空間按一定方式排列組成一個陣列,每個晶片稱為一個陣元,當各陣元以同一頻率的信號進行激勵時,其發(fā)出的聲波是相干的[3]。運用電子控制技術,使陣列中各陣元發(fā)射的超聲波疊加形成一個新的波陣面,在效果上相當于改變了換能器的空間排列形式。同樣,在反射波的接收過程中,按一定規(guī)則和時序控制接收陣元信號并進行信號合成,再將合成結果以適當形式顯示,由此實現(xiàn)了超聲波聲束的動態(tài)聚焦。由圖4可知,采用相控陣電子聚焦得到的聲束比單探頭細得多,使得超聲波有足夠的能量反射并被換能器接收,并保證良好的分辨率和信噪比[3、4]。

圖4 短橫孔1×6檢測成像圖

2）電子線掃查和B掃查成像檢測。試驗使用的相控陣探頭有96個陣元,以相鄰16個陣元作一組,如第1～16 個陣元,通過對1～16 通道預設不同的延時值實現(xiàn)在位置1聚焦。采用電子線掃查技術,可以依次實現(xiàn)2～17,3～18，…,81～96 各陣元在位置2,3,…,81的密排焦點聚焦。通過記憶各焦點的位置信息和其反射波幅值,便形成B掃查成像。

3）超聲相控陣動態(tài)聚焦及掃查成像檢測的精度。通過試驗和剖開驗證表明,研制超聲相控陣探頭對聚乙烯電熔接頭進行檢測的壁厚范圍是6～30mm,可以定位融合面缺陷定量與定位精度達0.5mm、孔洞和氣泡的定量與定位精度達1.0mm、金屬絲錯位的定位精度達0.5mm，能夠滿足工程技術上的需要[1]，圖4是焊口上有短橫孔，用超聲相控陣探頭進行深度方向分辨力測試掃描的圖像。

2.3 PE管道泄漏在線定位檢測

PE燃氣管網(wǎng)由于焊接缺陷、外力損傷、密封不嚴而導致燃氣泄漏。由于天然氣質量較輕，并且回填物密實度不均等原因，導致燃氣往土質疏松的地方“亂竄”。

燃氣泄漏檢測的方法很多，但對于PE管道來說最實用的辦法是嗅敏儀法和基于聲波的泄漏定位技術。中國特檢院從“十一五”期間開始進行管道的泄漏檢測方法研究及儀器研發(fā)，成功研發(fā)的基于EMD的埋地燃氣管道泄漏定位檢測儀，可以實現(xiàn)遠距離不開挖的情況下對泄漏點定位，在壓力為0.4MPa、兩個傳感器間距為50m的情況下可以探測出1mm的泄漏信號，兩個傳感器間距為100m的情況下可以探測出3mm的泄漏信號，精度小于傳感器間距的2%，滿足工程實際的需要。依據(jù)該成果制定了標準JB/T 4730.8《承壓設備無損檢測》 第8部分：“泄漏檢測” 。

2.4 PE管道的安全評價

PE管道的安全評價主要包括剩余壽命及典型復雜環(huán)境下埋地PE管道安全評價等。PE管應用于燃氣管道只有近20年的時間，不可能通過實際的使用年限去印證其使用壽命，因此只能根據(jù)高分子材料的特性及相應的實驗推導得出其理論的使用壽命[4]。中國特檢院采用數(shù)學模型和老化試驗結合的方法，研究了PE管材使用壽命，完成了PE80和PE100兩種主要的燃氣PE管道的剩余壽命預測試驗工作，取得了一些試驗結果。

此外，由于PE管道埋設環(huán)境復雜多樣，特別是近年來地質災害頻發(fā)，埋地PE管時常受各種復雜載荷作用，安全性不容樂觀，急需開展復雜環(huán)境下PE管安全評價方法研究，中國特檢院已經(jīng)開展了地震引發(fā)滑坡、占壓以及地基沉降等典型載荷下PE管道的強度及安全性研究，制定典型復雜載荷下的PE管道安全評定方法[5]，為后續(xù)開展PE燃氣管道安全評價提供基礎。

2.5 PE管道的風險評估

中國特檢院通過“十五”、“ 十一五”科技攻關成果，制定了國家標準《埋地鋼質管道風險評估方法》，在此基礎上又開展了質檢公益課題《城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道風險評估方法體系研究》，在研究了城鎮(zhèn)PE管道燃氣埋地管道事故分析方法及失效分析的基礎上，利用故障樹定性分析方法和層次分析法進行管道危險性辨識和各因素權重以分配分值確定，建立城市燃氣PE管道失效可能性評分體系，同時在總結各失效后果的基礎上，利用層次分析法為各因素分配分值，建立失效后果評分體系，最終形成了半定量的PE燃氣管道風險評估方法體系，使PE燃氣管道風險評估方法更加系統(tǒng)科學。

3 工程應用

中國特檢院利用上述研究成果，在新疆、青海、內蒙古、寧夏等城市開展了PE管道全面檢驗的工程化應用，取得了較好的效果，發(fā)現(xiàn)普遍存在管材外部有劃傷、示蹤線不安裝或損壞、鋼塑接頭焊接質量差的問題。下文是新疆某市的PE燃氣管道基于失效模式的檢驗情況。

新疆某市天然氣中壓管網(wǎng)采用的是PE管道，由于建設中施工控制不嚴、導致部分管線沒有埋設示蹤線、竣工圖和實際管線存的不相符合，未進行監(jiān)督檢驗等問題發(fā)生。這些都可能造成管道的安全質量難以控制，管理和運行風險提高等后果。

為對該管網(wǎng)的整體質量和安全狀況進行摸底，按照國家對城市燃氣管網(wǎng)運行維護和檢驗的法規(guī)要求，對全市中壓PE管線進行了全面檢驗與評價，主要工作如下：

1）通過資料審查發(fā)現(xiàn)設計圖和驗收圖存在一些比較嚴重的問題，如管道線圖周圍缺少地物參照，管線關鍵點無測量坐標，截斷閥設計不夠，存在圖紙與實際不符合的現(xiàn)象，部分管道無示蹤線、給管道的維搶修帶來很大困難。通過宏觀檢查也發(fā)現(xiàn)有些閥井內放散閥被淤泥掩蓋等問題。

2）通過使用地質雷達系統(tǒng)和探管儀對管道位置、埋深進行了測試，并對小區(qū)內位置不明的管道進行了探明，管道埋深均滿足規(guī)范的要求，且在凍土層以下；使用雷達探查管道的圖像如圖5所示。為便于管理規(guī)劃管網(wǎng)布局，對中壓管網(wǎng)采用動態(tài)GPS系統(tǒng)進行了測繪工作，使管理單位切實掌握了管網(wǎng)的信息。

圖5 探地雷達進行PE管道探查的示意圖

3）管道焊口質量的抽查檢測城市管網(wǎng)在中壓PE管出地前使用鋼塑轉換接頭變成鋼管后出地到調壓箱（柜），這些支線直徑≤DN100，其焊接質量難以控制，檢測了68個鋼塑轉換接頭的質量，發(fā)現(xiàn)多達44條焊縫存在超標缺陷，并且有2處焊縫有砂眼泄漏，開挖處管材有劃傷的情況。

4）對管網(wǎng)進行泄漏檢測，利用嗅敏儀檢測甲烷含量異常，再用基于聲波的泄漏檢測儀定位，兩種儀器的檢測結果相互驗證以排除其他干擾產(chǎn)生的誤報警。進行開挖驗證，有5處泄漏點。對閥井內的可燃氣體檢測發(fā)現(xiàn)13處有泄漏,其中嚴重泄漏的有2處，其他11個閥井輕微泄漏。

5）對整個管網(wǎng)進行了風險評估，將管網(wǎng)分為194個單元進行評估，管網(wǎng)中管道風險相對等級為較高風險和高風險的占整個管網(wǎng)的85%。其原因在于管道施工質量差，失效可能性高，并且管網(wǎng)鋪設在市區(qū)道路，人員密集，失效后果也比較嚴重，這些因素是造成管網(wǎng)大部分處于較高風險的主要原因。

6）通過對管線路由的探測，沒有發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)存在占壓、滑坡、沉降等方面的情況，故未進行這方面的安全評價。由于是新建管網(wǎng)，未進行管道的壽命預測。

4 小結

中國特檢院圍繞PE管道全面檢驗所需的關鍵技術，開展PE管焊接接頭的無損探傷、探測雷達技術、管網(wǎng)在線泄漏精確定位、壽命預測、安全評價及風險評估方法的攻關研究，開展了多個城市埋地聚乙烯燃氣管道基于失效模式的全面檢驗的工程應用。

1）PE管網(wǎng)全面檢驗中宏觀檢驗、管道定位、電熔接頭無損檢測、泄漏定位、風險評估，這幾個項目可以比較順利的開展，并且解決管道存在的相應隱患。

2）有些管網(wǎng)上方有密集鋼筋網(wǎng)的位置，目前的管道定位技術尚無法取得滿意的效果。

3）今后還需對于PE管道的熱熔接頭的探傷技術進行研究完善，同時制定探傷標準。

4）風險評估目前僅是半定量方法，并且因為事故案例比較少，有些資料數(shù)據(jù)不完整，也導致風險評估的結果不十分準確，今后需要在這方面進行完善，并開展定量風險評估方面的研究。

5）由于目前檢測的管網(wǎng)都比較新，對于PE管道壽命預測還是模擬試驗數(shù)據(jù)，壽命評價方法有待實際驗證。

6）沒有地震、滑坡環(huán)境下危害埋地PE管道的應用現(xiàn)場，這兩種條件下的PE管道的安全評價效果還局限于軟件仿真結果，尚無法和現(xiàn)實對比。

1 中國特種設備檢測研究院,等.“十一五”國家科技支撐計劃項目01課題《生命線工程安全保障關鍵技術研究及工程示范》(2006BAK02B01)研究報告.

2 羅更生，梁向軍，等.PE管含缺陷焊縫的沖擊試驗研究[J].中國特種設備安全，2012,28(11):10～12.

3 丁守寶,郭偉燦,鄭津洋.聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測[J].無損檢測,2008,30(5):267～269.

4 李明陽.埋地聚乙烯燃氣管道的試驗研究與力學分析，中國特種設備安全[J].2012,28(3):15～19.

5 Zhong Sijia, Shi Jianfeng and Zheng Jinyang. Study on constitutive modeling for large deformation behavior of polyethylene considering strain rate effect. ASME Pressure Vessels and Piping Conference. 2013. Paris, France: American Society of Mechanical Engineers.

The Key Technology Research and Application of Comprehensive Inspection on Buried Polyethylene Gas Pipeline Based on Failure Form

Shi Xiushan He Renyang Zeng Weiguo Ren Feng Cai Guangming
(
China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

Polyethylene pipeline is used in energy etc., because of high cost performance. But, the pipeline is placed underground with undetectable welded splices, which will lead to leakage. This paper puts forward key the key technology of comprehensive inspection based on failure form, experience of steel pipeline and code of Polyethylene pipeline; introduces some scientific research production of CESI in recent years, for example: phased array ultrasonic focusing technique as well as B-scan real image technology, geologic radar, leak fi nding technology, aging and safety evaluation technology. The key inspection technology was applied in buried Polyethylene pipel ine of a city and found some potential safety hazards, which provides the guarantee for the safety of the city gas.

Polyethylene pipeline Comprehensive inspection Defect inspection Position detection

X924;TP807

B

1673－257X(2014)07－08－05

石秀山(1979～),男，高級工程師，從事壓力管道檢驗研究工作。

2014－05－04）

Leaking inspection Life prediction Safety evaluation Engineering applications