聚乙烯燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用及發(fā)展

賀子?xùn)|，梁耀方

(1.重慶梁平天然氣有限責(zé)任公司，重慶 400000；2.重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司，重慶 400000)

0 引言

經(jīng)濟(jì)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(jì)實(shí)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(dǎo)向，城鎮(zhèn)燃?xì)馀畈l(fā)展，并通過建設(shè)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)讓清潔、高效、優(yōu)質(zhì)的天然氣惠及千家萬戶。當(dāng)下，聚乙烯燃?xì)夤艿酪云鋬?yōu)良的熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、柔韌性、適應(yīng)性等性能，具有壽命長、輕質(zhì)環(huán)保、施工工藝簡單等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)，在降低燃?xì)夤こ淘靸r、加快工程進(jìn)度、提高燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配能力、保障燃?xì)膺\(yùn)行安全等方面具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 聚乙烯燃?xì)夤艿篮喗?/h2>

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(yīng)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?xì)夤艿涝系膶Ｓ没炫淞吓浔燃捌洚a(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)[2]。作為新一代燃?xì)廨斔凸埽c傳統(tǒng)的鋼質(zhì)管道相比，密度僅為鋼管的八分之一，內(nèi)壁當(dāng)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(yán)密性以及撓性、強(qiáng)度高、韌性好、工程適應(yīng)性強(qiáng)、安裝維護(hù)簡便、易操作等特點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于中低壓埋地燃?xì)夤艿?，對用做入戶立管還處于理論研究階段。

聚乙烯燃?xì)夤艿涝谏a(chǎn)、儲運(yùn)、施工、回填等過程中要避免出現(xiàn)劃傷、刮痕，堆放處應(yīng)通風(fēng)良好、遠(yuǎn)離熱源、預(yù)防物理化學(xué)污染，堆放合理以避免不圓度超標(biāo)，禁止陽光直射、雨淋。從生產(chǎn)到使用，聚乙烯燃?xì)夤懿挠行r間不宜超過1年，聚乙烯燃?xì)夤芗行r間分別不宜超過2年。

2 聚乙烯燃?xì)夤艿篮附?/h2>

聚乙烯燃?xì)夤艿赖倪B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(zhuǎn)換連接[3]，前兩種方式主要用于聚乙烯燃?xì)夤艿篱g的對接，后兩種方式主要用于聚乙烯燃?xì)夤艿琅c鋼質(zhì)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(yù)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(dāng)壓力保證接口材質(zhì)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(jī)已實(shí)現(xiàn)全自動化，而熱熔對接焊機(jī)自動化程度較低于電熔承插焊焊機(jī)，檢驗(yàn)周期均不超過一年。目前國內(nèi)聚乙烯燃?xì)夤艿篮附訖C(jī)具質(zhì)量水平和性能穩(wěn)定需要通過產(chǎn)品型式檢驗(yàn)來確保，焊接工藝參數(shù)的性能指標(biāo)狀況則需通過使用過程的定期檢驗(yàn)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(yù)防污染、靜電；加強(qiáng)焊接機(jī)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(guān)系到管材吸熱是否均勻、熔融層厚度是否合理，進(jìn)而直接影響焊接質(zhì)量。

現(xiàn)階段聚乙烯管道焊接接頭質(zhì)量主要通過檢查進(jìn)行加強(qiáng)。電熔承插焊質(zhì)量要求：針對熔接強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)要求是合格；端面無熔融料溢出；電阻絲不應(yīng)擠出(特別結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除外)等。熱熔對接焊應(yīng)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(yàn)，翻邊切除檢驗(yàn)10%。針對180°背彎試驗(yàn)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(yàn)[5]。不同牌號的聚乙烯燃?xì)夤艿缹笗r，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?xì)夤艿栏脑旎驒z修時應(yīng)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?xì)夤艿篮附淤|(zhì)量，焊接作業(yè)應(yīng)嚴(yán)格按照聚乙烯燃?xì)夤艿朗┕す芾硪?guī)程，管控好人材機(jī)、施工單位、施工現(xiàn)場、施工資料，通過強(qiáng)化停檢點(diǎn)(安裝告知、管材管件合格證、質(zhì)檢證等、焊接工藝評定、強(qiáng)度和嚴(yán)密性試壓等)、必檢點(diǎn)(技術(shù)資料、閥門及管件合格證、質(zhì)檢證等、管溝位置、焊接接頭、竣工資料等)、巡檢點(diǎn)(人材機(jī)條件及技術(shù)準(zhǔn)備、安全間距、管溝質(zhì)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(zhì)量進(jìn)行控制，進(jìn)一步發(fā)展聚乙烯燃?xì)夤艿篮附訑?shù)據(jù)分析管理系統(tǒng)進(jìn)行信息化監(jiān)管。

3 聚乙烯燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)行

聚乙烯燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、埋設(shè)、運(yùn)行5個階段，共涉及25個危險源：管溝設(shè)計(jì)、壁厚控制、壓力-溫度、力學(xué)性能、標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行、原材料質(zhì)量、加工質(zhì)量、單位資質(zhì)、表面處理、出廠檢驗(yàn)、運(yùn)輸方式、防曬措施、防污措施、防撞措施、損傷檢查、熔接質(zhì)量、運(yùn)輸防護(hù)、最小埋深、工序管理、管線標(biāo)識、第三方破壞、地質(zhì)沉降、白蟻啃食、土壤侵蝕、根系破壞，最終確定對聚乙烯燃?xì)夤艿牢：ψ畲蟮臑榈谌狡茐腫6]。

國內(nèi)學(xué)者們借助風(fēng)險管理對聚乙烯燃?xì)夤艿肋M(jìn)行安全評價的方法衍生有：運(yùn)用危險源指標(biāo)理論，建立灰色關(guān)聯(lián)理論的重大危險源評估模型；結(jié)合FTA、AHP和灰色分析法，將變權(quán)思想與灰色理論相結(jié)合以綜合處理風(fēng)險評價問題；基于物元和可拓學(xué)的風(fēng)險評價方法建立了管道失效(如第三方破壞、失效因素等)風(fēng)險等級評定模型；管道全面檢驗(yàn)(含強(qiáng)度校核和耐候性試驗(yàn))；利用模糊綜合評價算法、風(fēng)險矩陣法、安全預(yù)警理論等進(jìn)行風(fēng)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?xì)夤艿里L(fēng)險評價系統(tǒng)軟件等。

除安全評價外，定位聚乙烯燃?xì)夤艿缹ζ溥\(yùn)行維護(hù)都有至關(guān)重要的作用，然而聚乙烯燃?xì)饴竦毓艿捞綔y定位技術(shù)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(dá)法、二是示蹤線探測法、三是聲學(xué)定位法、四是靜電力法[7]。探地雷達(dá)法受地質(zhì)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?xì)饴竦毓艿?。目前探測效率最高、效果最好、運(yùn)用最多的是示蹤線探測法，其依賴于建設(shè)時沿管線敷設(shè)示蹤線且不能中斷。聲學(xué)定位法屬于一種新型技術(shù)，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(qiáng)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，引進(jìn)和研發(fā)此類聚乙烯管道定位技術(shù)，是亟待我國攻克的技術(shù)難題。

為保障聚乙烯燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)行，綜合上述情況，應(yīng)做好以下措施：新建聚乙烯燃?xì)夤艿劳哆\(yùn)前做好管線的吹掃、嚴(yán)密性試壓、強(qiáng)度試壓；設(shè)置燃?xì)夤艿罉?biāo)志樁、警示帶和示蹤線，為預(yù)防標(biāo)志樁、標(biāo)志磚被破壞，國內(nèi)出現(xiàn)電子標(biāo)簽法，用電子標(biāo)簽代替標(biāo)志樁、標(biāo)志磚；加強(qiáng)巡查和維護(hù)，預(yù)防第三方施工破壞；高風(fēng)險地段做好蓋板、套管等保護(hù)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?xì)夤艿朗?/h2>

楊旭等人通過梳理燃?xì)夤艿拦收?、建立故障樹模型，分析出燃?xì)夤艿朗Э赡苄源笥诠艿栏綄僭O(shè)施[8]。聚乙烯燃?xì)夤艿朗问接凶冃问?、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?xì)饴竦毓艿赖淖冃问У闹饕?。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(yīng)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(jì)的基礎(chǔ)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(zhì)劣化等破壞，在實(shí)踐中主要通過測試短時間試件的力學(xué)參數(shù)來判斷；脆性失效歸屬于斷裂力學(xué)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(shù)無法判斷焊口機(jī)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(jié)構(gòu)和成分，各因素影響程度為：材質(zhì)＞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(jìn)行破壞性力學(xué)實(shí)驗(yàn)，無損檢測是發(fā)展方向，從根本上預(yù)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(zhì)量檢測還可通過管道機(jī)器人檢測，即通過遠(yuǎn)程操控?cái)y帶多種傳感器的管道機(jī)器人在管內(nèi)行走來識別缺陷、完成檢測。

5 聚乙烯燃?xì)夤艿罊z漏與修復(fù)

目前PE燃?xì)夤艿佬孤c(diǎn)的檢測方法是檢漏儀法和聲發(fā)射檢漏技術(shù)。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(diǎn)。在不破壞地面現(xiàn)狀時，可采用聲發(fā)射檢漏技術(shù)判斷泄漏點(diǎn)，其具有較高的靈敏度，對泄漏點(diǎn)的定位也很精確，具有良好的應(yīng)用前景。針對發(fā)現(xiàn)的漏點(diǎn)，可利用不停輸開孔封堵技術(shù)原理實(shí)施聚乙烯燃?xì)夤艿缼鈸屝拮鳂I(yè)[10]，減少對用戶的影響程度，這點(diǎn)是鋼質(zhì)管道不能比擬的。

6 結(jié)語

雖然聚乙烯燃?xì)夤艿涝谑┕な褂眠^程中存在焊接工藝檢定難、焊接技術(shù)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(zhì)管道相比，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、嚴(yán)密性以及撓性、強(qiáng)度高、韌性好、工程適應(yīng)性強(qiáng)、安裝維護(hù)簡便、易操作等性能特點(diǎn)。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，可以看出聚乙烯燃?xì)夤艿缿?yīng)用前景廣闊，其管理已在燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)中逐步形成較完善的質(zhì)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?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行，值得大力推廣應(yīng)用。在應(yīng)用聚乙烯燃?xì)夤艿赖倪^程中值得注意的是應(yīng)該加強(qiáng)聚乙烯燃?xì)夤苋珘勖芷趦?nèi)的細(xì)節(jié)管理，預(yù)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(jìn)、總結(jié)、提高作業(yè)水平，并且推廣使用聚乙烯燃?xì)夤艿老嚓P(guān)的四新技術(shù)，才能進(jìn)一步促進(jìn)聚乙烯燃?xì)夤艿涝诔擎?zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)中更環(huán)保、更安全、更經(jīng)濟(jì)、更快速地發(fā)展。