聚乙烯(PE)燃氣管道系統的可靠性研究

摘 要

摘要：聚乙烯管已經廣泛的應用于城市燃氣行業，管道系統可靠性是人們最關心的內容之一。本文首先分析了聚乙烯燃氣管道系統可靠性的特點，然后從聚乙烯材料、連接、運行等三方面論
摘要：聚乙烯管已經廣泛的應用于城市燃氣行業，管道系統可靠性是人們最關心的內容之一。本文首先分析了聚乙烯燃氣管道系統可靠性的特點，然后從聚乙烯材料、連接、運行等三方面論述了提高可靠性的方法，接下來介紹了一些新標準，并指出制定先進的技術標準，并要求相關方嚴格遵守，是提高聚乙烯管道可靠性的有效途徑。
關鍵詞：聚乙烯(PE)管；燃氣；可靠性；標準
1 概述
    美國國防部的電子設備可靠性咨詢委員會(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，簡稱AGREE)在1957年提出：可靠性是指系統在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力[1]74。自此以后，可靠性理念在各個行業得到了廣泛的應用。聚乙烯(以下簡稱PE)燃氣管道系統的可靠性就是指在外部自然環境和內部設計壓力等運行工況下，長時間的無泄漏持續輸送燃氣的能力，此處的“長時間”在工程上一般理解為50a的預期壽命。如果PE管的可靠性不高，經常失效，發生泄漏，就會導致停氣，對燃氣用戶造成影響，甚至可能引發爆炸等事故。
    供電行業很早就應用了可靠性管理[2]，電力具有與管道燃氣類似的網絡輸送、安全要求高、持續穩定供應等特點。國內外很多機構都對電力可靠性管理工作做了大量的研究和實踐工作，中國負責可靠性管理的機構是國家電監會的電力可靠性管理中心。該中心制訂了系統的可靠性技術標準，連續十多年發布當年的電力可靠性指標，對于提升供配電系統的可靠性、減少停電事故發揮了重大的作用。它的一些研究方法對于燃氣行業以及PE管的可靠性工作具有一定的參考意義。
    目前在燃氣行業，賀明建等研究了大管徑聚乙烯管的生產工藝及設備的重要參數[3]，魏新莉等研究了聚乙烯管在燃氣輸配系統抽換施工中應注意的幾個問題[4]，鄧小剛、劉哲結合實際的城市燃氣工程研究了聚乙烯管應用中的的具體要求[5][6]，李長纓研究了聚乙烯管在城鎮燃氣中如何保障安全應用的有關問題[7]，上述學者都從不同角度提出了提高聚乙烯管可靠性的方法。
2 PE管的可靠性分析
    按照可靠性理論，PE管的可靠性可以使用可靠度、失效率、可靠壽命等概率指標來評價[1]77-90：
    可靠度R(t)是指PE管在設計工況下，在時間t內無泄漏輸送燃氣的概率，它具有以下性質：
   (1) 當t=0時，R(t)=1，即當PE管剛投入運行時，管道可靠，總能正常工作；
   (2) 當t→+∞時，R(t)→0，即PE管的可靠度隨著時間的延長而逐漸降低，并且管道總是要失效的。
   失效率λ(t)是指PE管已工作到時刻t尚未失效的PE管中，在時刻t后單位時間內失效的概率。
   可靠壽命是指當PE管的可靠度R(t)等于給定值R(0＜R＜1)的時間tR。考慮燃氣行業的安全要求高，實際工作中可設定PE管的可靠度R(t)=0.975，此時令tR=50a，即在0.975的可靠度下，要求PE管的預期50年壽命。
   事實上，PE燃氣管道工業鏈主要包括PE原料生產，PE管材、管件和閥門生產，PE管道工程的設計、施工及驗收，PE管的運行維護等環節，它的可靠性與整個工業鏈的各個環節都有關系，該工業鏈所有環節中任一單元的故障都會導致系統故障(指系統失效，產生安全隱患，導致泄漏)，可視為典型的可靠性串聯模型。
   根據串聯數學模型的理論，通過提高各個環節單元的可靠性，即通過可靠的材料、可靠的連接、可靠的運行等途徑，來提高整個PE系統的可靠性，具體的方法是制定先進的技術標準，并要求相關方共同遵守。
3 提高可靠性的途徑
   (1) 可靠的材料
   可靠的材料主要指性能優異的PE原料和管材等。目前PE管施工中，可能出現管溝回填沙床中混有石塊或非開挖施工(如定向鉆穿越)等情形，結果導致在管道局部造成應力集中(例如一石塊頂住管道)，或者外表面較多劃傷，造成安全隱患。這個現實情況推動了抗裂材料PE100-RC(Resistant to Cracks)的出現，這種材料擁有更好的耐慢速裂紋增長(SCG)等性能。目前歐洲某公司開發的HDPE XSC50 0range就是一種典型的PE100 RC燃氣專用混配料，滿足德國《非傳統安裝技術用PE管：尺寸、技術要求及測試》PAS1075：2009-4標準的要求(參見本文的4.2節)。相對于目前常用的PE100混配料，采用此種材料生產的PE管在同樣劃痕條件下，安全性更好，可靠性更高。
    在PE原料具有優異性能的前提下，燃氣企業對PE管制造企業提出管材等產品的技術標準，并開展認證審核工作，可促使其加強產品質量控制，使PE原料的優良力學性能保留在加工好的管材中。目前北京燃氣、中華煤氣、成都燃氣、廣州燃氣、深圳燃氣等5家燃氣企業聯合發布了《燃氣企業聚乙烯(PE)輸配系統質量控制合作小組標準產品質量技術要求第1部分：燃氣用埋地PE管材》G5+PE001.1-2008(參見本文的4.1節)，并開展了一系列的供應商認證審核工作，有效提高了PE管質量。
   (2) 可靠的連接
   可靠的連接主要指良好的工程建設質量，包含PE管道工程的設計、施工及驗收等內容。已有較多學者研究過該方面的內容，本文僅就工程中易忽視的內容做簡單論述。
   ① 最大允許工作壓力
   由于液化石油氣和人工煤氣中存在芳香烴類物質，該類物質對于PE材料有溶脹作用，會導致管道耐壓能力下降，因此PE管在輸送液化石油氣和人工煤氣時，最大允許工作壓力小于輸送天然氣的壓力。
    另外，PE管的壽命和承壓能力與溫度密切相關。因此在進行PE管道系統的設計時，需要考慮周圍環境與管道最大允許工作壓力的關系。《聚乙烯燃氣管道工程技術規程》CJJ63—2008提出，如果夏天管道的工作溫度在20℃以上時，則最大允許工作壓力應按表1的折減系數進行折減。
表1 工作溫度對管道工作壓力的折減系數
工作溫度
壓力折減系數
-20℃≤t≤20℃
1.00
20℃＜t≤30℃
0.90
30℃＜t≤40℃
0.76
    表中工作溫度是指管道工作環境(比如地面以下1m處)的最高月平均溫度。往年的最高月平均溫度歷史數據可以通過當地氣象部門查詢得知，并可通過實測當年數據進行比對。如果忽略了溫度因素，可能出現管道設計壓力超過最大允許工作壓力，一旦投產后，將埋下安全隱患。根據時溫等效原理，如果已經考慮了溫度對PE管工作壓力折減，在其他條件不變的情況，預期壽命也不變。
   ② 最大流速
   在確定管徑的時候，需要反復的計算。管道的允許壓力降可由管道系統入口壓力至調壓器允許最小進口壓力的差值來決定，但流速應有限制。由于PE管電阻率較高，管內氣體流動時所產生的靜電荷會積聚起來，當氣流夾帶粉塵時，在燃氣管道內流動與管壁摩擦將產生靜電(如果沒有粉塵，純氣體也會產生靜電)，而且流速過高會損傷管道內壁。英國氣體工程師學會認為，如上游系統有粉塵時PE管道的設計流速不應大于20m/s，如上游系統沒有粉塵時PE管道的設計流速可高達40m/s；法國燃氣公司認為，為減少氣流沖刷及降低噪聲，工作狀態下的流速以不宜超過20m/s；在美國，根據燃氣協會(AGA)的資料可推算，PE管里的流速大于20m/s。
    事實上，考慮國內PE管道工程的實際施工中易進入粉塵，《聚乙烯燃氣管道工程技術規程》CJJ63—2008中提出流速不宜大于20m/s。在水力計算得出管徑后，需要校核流速。如果管徑選擇過小，將導致流速過大，降低了可靠性。
   ③ PE管的定位與保護
    由于材料特點，PE管難以探測定位。現在可采用探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)來探測PE管，但該方法在實際工程中的應用效果有待進一步驗證。值得推薦的一個方法是在PE管工程建設時，在三通、轉彎點等特征點位置同步埋設電子標識器；待管溝回填后在地面采用專用探測儀探測電子標識器，得知特征點信息，獲得PE管的準確位置，甚至獲得施工時間、管道埋深等信息。電子標識器的有關內容已經列入了今年7月1日正式實施的《城鎮燃氣標志標準》CJJ/T153中。
    PE管還存在不能抵抗強力沖擊的問題。為保護PE管，工程建設時可在管道上方全程無縫敷設有一定強度的PE保護板(印刷有搶維修電話，不小于管徑寬度)。如果第三方在管道上方開挖作業，在挖到PE保護板后，就可以知曉保護板下方有燃氣管道，將聯系燃氣企業現場處理。燃氣企業工程師在現場通過電子標識器系統對PE管準確定位，采取有針對性的保護措施。
   (3) 可靠的運行
   可靠的運行主要指投產后科學嚴謹的運營管理。PE管遭受第三方施工破壞的案例在國內時有報道，提高運行可靠性的方法主要包括管理類和技術類兩方面。在管理類的方法中，燃氣企業應確保PE管所處的環境和輸送介質、壓力等運行工況符合技術標準和工程設計的要求；同時還要加強與當地政府的溝通協調，取得支持。國家2010年頒布了《石油天然氣管道保護法》，但是城市燃氣管道不適用該法。不過燃氣企業可以申請地方政府參照該法律頒布《城市燃氣管道保護辦法》等地方性法規，以減少第三方破壞，共同做好管道保護工作。對于管道的日常巡查巡檢等基礎性的工作，燃氣企業可應用GIS和GPS等先進的技術措施，優化巡查路由，加強對管網的保護。
4 標準的新要求
    隨著社會發展和技術進步，整個PE管工業鏈各個環節的技術標準都在持續發展中，有效提高了可靠性，這里僅介紹幾個具有特別意義的新標準。
    (1) 《燃氣企業聚乙烯(PE)輸配系統質量控制合作小組標準》(G5+標準)
    該標準由國內五家燃氣企業聯合提出，立足于燃氣企業的需求，考慮國內PE產業的實際情況，吸收了國外的先進標準和經驗，具有很強的實踐指導意義。同時通過對供應商的認證審核工作，促進了行業的技術進步，事實上推動了國內PE管行業的健康發展。該標準體系目前包含PE管材質量、供應商資格預審等內容，部分指標要求比現行國家標準要求更高。比如國家標準GB15558.1《燃氣用埋地聚乙烯管道系統 第1部分：管材》對PE混配料的焊接兼容性沒有要求，但G5+標準對此的要求是對接熔接拉伸強度(dn11Omm SDR11)試驗至破壞：韌性破壞一通過，脆性破壞一未通過。顯然G5+標準的管材的可靠性更高，這與最新的國際標準IS04437《燃氣輸送用埋地聚乙烯管材(PE)-公制系列-規范》和歐洲標準EN1555-1《燃氣輸送用塑料管道系統-聚乙烯(PE)-第一部分：總則》的要求是相符的。
    除了技術標準外，G5+標準還對供應商提出了管理上的要求。比如要求PE管供應商應保證產品質量的可追溯性，即在管理上需要建立一個可靠的系統，一旦燃氣工程企業現場發現PE管道質量事故時，可以從現場的管材追溯到工廠當時的生產線、操作者、原材料等信息；同時另一方面，工廠也可以根據記錄追溯任一根管材發送到了哪個客戶。當然，客戶燃氣企業需要建立自己的追溯系統，以確保任一根管材的去處。這樣就建立了從PE原料到終端工程現場的雙向可追溯系統，一旦發生產品質量事故時，可以有效的進行產品召回或者處理對策，這也符合IS09000質量管理體系的理念。
    (2) 德國公共可用規范《非傳統安裝技術用PE管-尺寸、技術要求及測試》PAS1075：2009-4
    針對非開挖和無沙基床等非傳統安裝技術敷設PE管的現象越來越多，德國于2009年正式發布了《非傳統安裝技術用PE管-尺寸、技術要求及測試》(Pipes made from Polyethylene for alternative installation techniques，Dimensions，Technical Requirement and Testing)PAS1075：2009-4。該標準的先進之處在于：正式定義了PE100-RC材料的概念，系統提出了有關技術要求，并第一次提出PE管道100年使用壽命的質量要求。滿足該標準要求的PE100原料和管材，擁有更高的耐慢速裂紋增長的性能，即管道可以承受局部較高的應力集中(來源于管道的外表面深度劃傷或者較高的點負荷)。滿足該標準要求的材料，除了通常PE100級材料的檢驗以外，還需滿足額外的試驗要求[7]，主要包括全切口蠕變試驗(Full-notch creep test，簡稱FNCT)、全壁厚管材點載荷試驗(Point load test，簡稱PLT)、熱穩定性試驗、全壁厚管材切口試驗等。比如全切口蠕變試驗FNCT的試驗方法按照國際標準IS0 16770《塑料-聚乙烯環境應力開裂(ESC)DN定-全切口蠕變試驗》來執行：試樣為100*10*1Omm標準正方形棒狀，中間四面切口深度為(17%±2%)壁厚，將試樣置于恒溫環境中做恒定應力拉伸，觀察破壞時間和破壞類型，可采用表面活性劑加快破壞速率。PAS1075要求在80℃的溫度下，采用2%Arkopa1N-100活性劑水溶液，對試件加以4N/mm2的力，如果大于8760h不破壞，即認為合格。
    (3) 企業標準
    雖然目前PE系統已初步建立了包括PE產品、焊接機具(如《塑料管材和管件聚乙烯系統熔接設備 第一部分：熱融對接》GB/T20674.1-2006)、的標準體系，但仍有不完善的地方。為此，部分企業提出了企業標準。例如，針對實際工程中PE管與電熔管件之間可能存在間隙過大的情形，這種情形易出現不良連接，導致管道系統的可靠性降低，埋下安全隱患。某燃氣企業根據有關國家標準和工程實踐，提出了PE電熔管件承口內徑尺寸的企業標準，并在工作中實施，有效減少了間隙過大導致的不良焊接，參見表2。
表2 PE電熔管件承口內徑尺寸要求(部分)單位：mm
公稱外徑
承口內徑范圍
最大不圓度
32
32.1-32.3
0.3
63
63.2-63.6
0.6
90
90.3-90.9
0.9
110
110.3-110.9
1.0
160
160.4-161.4
1.5
5 國外關于PE管可靠性的研究結論
   荷蘭學者Rainer Kloth在2004年發表報告陽，對德國GelsenWasser水務公司一批早年投入使用的PE管性能進行了研究和測試，研究樣本中的部分樣品安裝于1966年-1969年。研究表明：安全運行時間最長的已達38a(截至報告發布時間)，很多管道仍然工作在最大允許工作壓力下而沒有失效，50a的預期有效壽命是可以達到的，其中部分管道的失效原因主要是管材生產和施工過程中的缺陷。此次研究結果從事實上驗證了第一代PE管50a預期壽命的可靠性和國際標準IS09080《塑料管道和導管系統：用外推法測定熱塑性塑料管材的長期靜液壓強度》標準的正確性。
6 結論
    國內自從1982年開始埋地PE燃氣管道的應用試驗[9]，至今已過去約30年。考慮當時的PE管材生產和施工均處于試驗探索階段，很有必要了解管的長期靜液壓性能等指標。下一步工作可以對最早的一批管道挖出來進行全面的性能測試，以檢驗預期壽命等可靠性指標；同時結合工程實踐和實驗數據，探討提高管材壽命的可能性，這對于降低燃氣企業運營成本，促進燃氣工業的發展具有重要意義。
    為提高PE燃氣管道系統的可靠性，整個工業鏈的相關方包括PE原料和管道生產商、工程施工者、燃氣企業等都負起責任，在材料、連接、運行等方面制定先進的標準并嚴格執行，方可實現目標。G5+標準的制定及實施就是一個最好的實證案例。
 
      (本文作者：羅彬 梁瑛 楊海翔 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518040)