聚乙烯燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的可靠性研究

摘 要

分析了聚乙烯燃?xì)夤艿老到y(tǒng)可靠性的特點(diǎn)，從聚乙烯原料、管材、連接、運(yùn)行等方面論述了提高可靠性的方法。
摘要：分析了聚乙烯燃?xì)夤艿老到y(tǒng)可靠性的特點(diǎn)，從聚乙烯原料、管材、連接、運(yùn)行等方面
論述了提高可靠性的方法。介紹了一些新標(biāo)準(zhǔn)，指出制定先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)并要求相關(guān)方嚴(yán)格遵守，是提高聚乙烯管道系統(tǒng)可靠性的有效途徑。
關(guān)鍵詞：聚乙烯燃?xì)夤艿?；可靠性；?biāo)準(zhǔn)
Research on Reliability of Polyethylene Gas Pipeline System
LUO Bin，LIANG Ying，YANG Haixiang
Abstract：The reliability characteristics of polyethylene gas pipeline system are analyzed.The methods for improving the reliability are described in terms of polyethylene raw material，pipe material，connection，operation and so on.Some new standards are introduced.It is pointed out that establishing the advanced technical standards and requiring the relevant parties to strictly follow them are effective ways to improve the reliability of polyethylene gas pipeline system.
Key words：polyethylene gas pipeline；reliability；standard
1 概述
    美國(guó)國(guó)防部電子設(shè)備可靠性咨詢委員會(huì)(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，簡(jiǎn)稱AGREE)在1957年提出：可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[1]74。自此以后，可靠性理念在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。聚乙烯(PE)燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的可靠性就是指在外部自然環(huán)境和內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力等運(yùn)行工況下，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)泄漏持續(xù)輸送燃?xì)獾哪芰?，此處?ldquo;長(zhǎng)時(shí)間”在工程上一般理解為50a的預(yù)期壽命。
    供電行業(yè)很早就應(yīng)用了可靠性管理[2]，電力具有與管道燃?xì)忸愃频木W(wǎng)絡(luò)輸送、安全要求高、持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)都對(duì)電力可靠性管理做了大量的研究和實(shí)踐工作，中國(guó)負(fù)責(zé)可靠性管理的機(jī)構(gòu)是國(guó)家電監(jiān)會(huì)的電力可靠性管理中心。該中心制訂了系統(tǒng)的可靠性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)10多年發(fā)布當(dāng)年的電力可靠性指標(biāo)，對(duì)于提升供配電系統(tǒng)的可靠性、減少停電事故發(fā)揮了重要的作用。電力行業(yè)的一些研究方法對(duì)于燃?xì)庑袠I(yè)以及PE管的可靠性研究具有一定的參考意義。
    文獻(xiàn)[3]研究了大管徑聚乙烯管的生產(chǎn)工藝及設(shè)備的重要參數(shù)，文獻(xiàn)[4]研究了聚乙烯管在燃?xì)廨斉涔艿莱閾Q施工中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[5-6]結(jié)合實(shí)際城市燃?xì)夤こ萄芯苛司垡蚁┕軕?yīng)用中的具體要求，文獻(xiàn)[7]研究了聚乙烯管在城鎮(zhèn)燃?xì)庵腥绾伪Ｕ习踩珣?yīng)用的有關(guān)問(wèn)題，上述文獻(xiàn)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(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)[1]77-90：
    可靠度R(t)是指PE管在設(shè)計(jì)工況下，在時(shí)間t內(nèi)無(wú)泄漏輸送燃?xì)獾母怕?，它具有以下性質(zhì)：
    ① 當(dāng)t=0時(shí)，R(t)=1，即當(dāng)PE管剛投入運(yùn)行時(shí)，管道可靠，總能正常工作；
    ② 當(dāng)t→+∞時(shí)，R(t) →0，即PE管的可靠度隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低，且管道總是要失效的。
    失效率A(t)是指已工作到時(shí)刻t尚未失效的PE管，在時(shí)刻t后單位時(shí)間內(nèi)失效的概率。
    可靠壽命是指當(dāng)PE管的可靠度R(t)等于給定值R(O＜R＜1)的時(shí)間tR?？紤]燃?xì)庑袠I(yè)的安全要求高，實(shí)際工作中可設(shè)定PE管的可靠度R(t)=0.975，此時(shí)令tR=50a，即在0.975的可靠度下，要求PE管的預(yù)期壽命為50a。
    事實(shí)上，PE燃?xì)夤艿拦I(yè)鏈主要包括PE原料生產(chǎn)，PE管材、管件和閥門生產(chǎn)，PE管道工程的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收，PE管的運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)，它的可靠性與整個(gè)工業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)都有關(guān)系，該工業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)中任一單元的故障都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障(指系統(tǒng)失效，產(chǎn)生安全隱患，導(dǎo)致泄漏)，可視為典型的可靠性串聯(lián)數(shù)學(xué)模型。
    根據(jù)串聯(lián)數(shù)學(xué)模型的理論，通過(guò)提高各個(gè)環(huán)節(jié)單元的可靠性，即通過(guò)可靠的材料、可靠的連接、可靠的運(yùn)行等途徑，來(lái)提高整個(gè)PE管道系統(tǒng)的可靠性，具體的方法是制定先進(jìn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并要求相關(guān)方共同遵守。
3 提高可靠性的途徑
3.1 可靠的材料
    可靠的材料主要指性能優(yōu)異的PE原料和管材等。目前PE管施工中，可能出現(xiàn)管溝回填土中混有石塊或非開(kāi)挖施工(如定向鉆穿越)等情況，結(jié)果導(dǎo)致在管道局部造成應(yīng)力集中(例如一個(gè)石塊頂住管道)，或者外表面劃傷，造成安全隱患。這個(gè)現(xiàn)實(shí)情況推動(dòng)了抗裂材料PE100～RC(Resistant to Cracks)的出現(xiàn)，這種材料擁有更好的耐慢速裂紋增長(zhǎng)(SCG)等性能。目前歐洲某公司開(kāi)發(fā)的HDPE XSC50 0range就是一種典型的PE100-RC燃?xì)鈱Ｓ没炫淞希瑵M足德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)PAS1075：2009-4《非傳統(tǒng)安裝技術(shù)用PE管：尺寸、技術(shù)要求及測(cè)試》的要求。相對(duì)于目前常用的PE100混配料，采用此種材料生產(chǎn)的PE管在同樣劃痕條件下，可靠性更高。
    在PE原料具有優(yōu)異性能的前提下，燃?xì)馄髽I(yè)對(duì)PE管制造企業(yè)提出管材等產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)展認(rèn)證審核工作，可促使其加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制。目前北京燃?xì)?、中華煤氣、成都燃?xì)?、廣州燃?xì)狻⑸钲谌細(xì)獾?家燃?xì)馄髽I(yè)聯(lián)合發(fā)布了G5+PE001.1—2008《燃?xì)馄髽I(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求第1部分：燃?xì)庥寐竦豍E管材》，并開(kāi)展了一系列的供應(yīng)商認(rèn)證審核工作，有效提高了PE管質(zhì)量。
3.2 可靠的連接
    可靠的連接主要指良好的工程建設(shè)質(zhì)量，包含PE管道工程的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收等內(nèi)容。
3.2.1最大允許工作壓力
    液化石油氣和人工煤氣中存在芳香烴類物質(zhì)，對(duì)PE材料有溶脹作用，會(huì)導(dǎo)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(shí)，最大允許工作壓力小于輸送天然氣時(shí)的壓力。
    另外，PE管的壽命和承壓能力與溫度密切相關(guān)。因此在進(jìn)行PE管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮周圍環(huán)境與管道最大允許工作壓力的關(guān)系。CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》提出，如果工作溫度在20℃以上時(shí)，則最大允許工作壓力應(yīng)按CJJ 63中表4.1.5的折減系數(shù)進(jìn)行折減。
    工作溫度是指管道工作環(huán)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(shù)據(jù)可以通過(guò)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T查詢得知，并可通過(guò)實(shí)測(cè)當(dāng)年數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。如果忽略了溫度因素，可能出現(xiàn)管道設(shè)計(jì)壓力超過(guò)最大允許工作壓力，一旦投產(chǎn)后，將埋下安全隱患。根據(jù)時(shí)溫等效原理，如果已經(jīng)考慮了溫度對(duì)PE管工作壓力折減，在其他條件不變的情況，預(yù)期壽命不變。
3.2.2最大流速
    管道的允許壓力降可由管道系統(tǒng)起點(diǎn)壓力與末端調(diào)壓器允許最小進(jìn)口壓力的差值來(lái)決定，但流速應(yīng)有限制。由于PE管電阻率較高，管內(nèi)氣體流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的靜電荷會(huì)積聚起來(lái)，當(dāng)氣流夾帶粉塵時(shí)，在燃?xì)夤艿纼?nèi)流動(dòng)過(guò)程中與管壁摩擦將產(chǎn)生靜電(即使沒(méi)有粉塵，純氣體流動(dòng)時(shí)摩擦也會(huì)產(chǎn)生靜電)，而且流速過(guò)高會(huì)損傷管道內(nèi)壁。英國(guó)氣體工程師學(xué)會(huì)認(rèn)為，當(dāng)上游系統(tǒng)有粉塵時(shí)PE管道的設(shè)計(jì)流速不應(yīng)大于20m/s，當(dāng)上游系統(tǒng)沒(méi)有粉塵時(shí)PE管道的設(shè)計(jì)流速可高達(dá)40m/s；法國(guó)燃?xì)夤菊J(rèn)為，為減少氣流沖刷及降低噪聲，工作狀態(tài)下的流速不宜超過(guò)20m/s；在美國(guó)，根據(jù)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)(AGA)的資料可推算，PE管的流速大于20m/s。
    考慮到國(guó)內(nèi)PE管道工程實(shí)際施工中易進(jìn)入粉塵，CJJ 63—2008《聚乙烯燃?xì)夤艿拦こ碳夹g(shù)規(guī)程》中提出流速不宜大于20m/s。在水力計(jì)算得出管徑后，需要校核流速。如果管徑選擇過(guò)小，將導(dǎo)致流速過(guò)大，降低了可靠性。
3.2.3 PE管的定位與保護(hù)
    由于材料特點(diǎn)，PE管難以探測(cè)定位。現(xiàn)在可采用探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)來(lái)探測(cè)PE管，但該方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。值得推薦的一個(gè)方法是在PE管工程建設(shè)時(shí)，在三通、轉(zhuǎn)彎點(diǎn)等特征點(diǎn)位置同步埋設(shè)電子標(biāo)志器。管溝回填后在地面采用專用探測(cè)儀探測(cè)電子標(biāo)志器，可得知特征點(diǎn)信息，獲得PE管的準(zhǔn)確位置，甚至獲得施工時(shí)間、管道埋深等信息。電子標(biāo)志器的有關(guān)內(nèi)容已經(jīng)列入了2011年8月1日正式實(shí)施的CJJ/T 153《城鎮(zhèn)燃?xì)鈽?biāo)志標(biāo)準(zhǔn)》中。
    PE管還存在不能抵抗強(qiáng)力沖擊的問(wèn)題。為保護(hù)PE管，工程建設(shè)時(shí)可在管道上方全程敷設(shè)有一定強(qiáng)度的PE保護(hù)板(印刷有搶修維修電話，寬度不小于管徑)。如果第三方在管道上方開(kāi)挖作業(yè)，在挖到PE保護(hù)板后，就可以知曉保護(hù)板下方有燃?xì)夤艿?，將?lián)系燃?xì)馄髽I(yè)現(xiàn)場(chǎng)處理。燃?xì)馄髽I(yè)工程師在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)電子標(biāo)識(shí)器對(duì)PE管準(zhǔn)確定位，采取有針對(duì)性的保護(hù)措施。
3.3 可靠的運(yùn)行
    可靠的運(yùn)行主要指投產(chǎn)后科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪\(yùn)營(yíng)管理。PE管遭受第三方施工破壞的案例在國(guó)內(nèi)時(shí)有報(bào)道，提高運(yùn)行可靠性的方法主要包括管理類和技術(shù)類兩方面。在管理類的方法中，燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)確保PE管所處的環(huán)境和輸送介質(zhì)、壓力等運(yùn)行工況符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工程設(shè)計(jì)的要求；同時(shí)還要加強(qiáng)與當(dāng)?shù)卣臏贤▍f(xié)調(diào)，取得支持。燃?xì)馄髽I(yè)可以申請(qǐng)地方政府嚴(yán)格執(zhí)行《城鎮(zhèn)燃?xì)夤芾項(xiàng)l例》，以減少第三方破壞，共同做好管道保護(hù)工作。對(duì)于管道的日常巡檢等基礎(chǔ)性的工作，燃?xì)馄髽I(yè)可應(yīng)用GIS和GPS等先進(jìn)的技術(shù)措施，優(yōu)化巡檢路由。
4 相關(guān)新標(biāo)準(zhǔn)
4.1 G5+標(biāo)準(zhǔn)
    《燃?xì)馄髽I(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組標(biāo)準(zhǔn)》(簡(jiǎn)稱G5+標(biāo)準(zhǔn))包含PE管材質(zhì)量、供應(yīng)商資格預(yù)審等內(nèi)容，部分指標(biāo)要求比現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求更高。比如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 15558.1《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁┕艿老到y(tǒng) 第1部分：管材》對(duì)PE混配料的焊接兼容性沒(méi)有要求，但G5+標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此的要求是對(duì)接熔接拉伸強(qiáng)度(公稱外徑110mm、SDR11)試驗(yàn)至破壞：若是韌性破壞，則合格；若是脆性破壞，則不合格。顯然G5+標(biāo)準(zhǔn)的管材的可靠性更高，這與最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS0 4437《燃?xì)廨斔陀寐竦鼐垡蚁┕懿?PE)公制系列規(guī)范》和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1555-1《燃?xì)廨斔陀盟芰瞎艿老到y(tǒng)聚乙烯(PE) 第一部分：總則》的要求是相符的。
    除了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)外，G5+標(biāo)準(zhǔn)還對(duì)供應(yīng)商提出了管理上的要求。比如要求PE管供應(yīng)商應(yīng)保證產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性，即在管理上需要建立一個(gè)可靠的系統(tǒng)，一旦燃?xì)馄髽I(yè)工程現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)PE管道質(zhì)量事故，可以從現(xiàn)場(chǎng)的管材追溯到工廠當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)線、操作者、原材料等信息；另一方面，工廠也可以根據(jù)記錄追溯任一根管材發(fā)送到了哪個(gè)客戶?？蛻羧?xì)馄髽I(yè)需要建立自己的追溯系統(tǒng)，以明確任一根管材的去處。這樣就建立了從PE原料到終端工程現(xiàn)場(chǎng)的雙向可追溯系統(tǒng)，一旦發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量事故時(shí)，可以有效地進(jìn)行產(chǎn)品召回或者采取處理對(duì)策，這也符合IS0 9000質(zhì)量管理體系的理念。
4.2 PAS 1075：2009-4
    針對(duì)非開(kāi)挖和無(wú)沙基床等非傳統(tǒng)安裝技術(shù)敷設(shè)PE管的現(xiàn)象越來(lái)越多，德國(guó)于2009年正式發(fā)布了PAS 1075：2009-4《非傳統(tǒng)安裝技術(shù)用PE管尺寸、技術(shù)要求及測(cè)試》(Pipes made from Polyethylene for alternative installation techniques，Dimensions，Technical Requirement and Testing)。該標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)之處在于：正式定義了PE100-RC材料的概念，系統(tǒng)提出了有關(guān)技術(shù)要求，并第一次提出PE管道100a使用壽命的質(zhì)量要求。滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求的PE100原料和管材，擁有更高的耐慢速裂紋增長(zhǎng)的性能，即管道可以承受局部較高的應(yīng)力集中(來(lái)源于管道的外表面深度劃傷或者較高的點(diǎn)負(fù)荷)。滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求的材料，除了通常PE100級(jí)材料的檢驗(yàn)以外，還需滿足額外的試驗(yàn)要求，主要包括全切口蠕變?cè)囼?yàn)(Full-notch creep test，簡(jiǎn)稱FNCT)、全壁厚管材點(diǎn)載荷試驗(yàn)(Point load test，簡(jiǎn)稱PLT)、熱穩(wěn)定性試驗(yàn)、全壁厚管材切口試驗(yàn)等。比如全切口蠕變?cè)囼?yàn)FNCT的試驗(yàn)方法應(yīng)按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS0 16770《塑料-聚乙烯環(huán)境應(yīng)力開(kāi)裂(ESC)的測(cè)定-全切口蠕變?cè)囼?yàn)》來(lái)執(zhí)行：試樣為100mm×10mm×10mm標(biāo)準(zhǔn)方形棒狀，中間四面切口深度為(17%±2%)倍壁厚，將試樣置于恒溫環(huán)境中做恒定應(yīng)力拉伸，觀察破壞時(shí)間和破壞類型，可采用表面活性劑加快破壞速率。PAS 1075要求在80℃的溫度下，采用2%Arkopal N-100活性劑水溶液，對(duì)試件加以4N/mm2的載荷，如果大于8760h不破壞，即認(rèn)為合格。
4.3 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
    雖然目前PE管系統(tǒng)已初步建立了包括PE產(chǎn)品、焊接機(jī)具(如GB/T 20674.1—2006《塑料管材和管件聚乙烯系統(tǒng)熔接設(shè)備第一部分：熱熔對(duì)接》)的標(biāo)準(zhǔn)體系，但仍有不完善的地方。為此，部分企業(yè)提出了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。例如，實(shí)際工程中PE管與電熔管件之間可能存在間隙過(guò)大的情形，這種情形易產(chǎn)生不良連接，導(dǎo)致管道系統(tǒng)的可靠性降低，埋下安全隱患。針對(duì)這種情形，某燃?xì)馄髽I(yè)根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)踐，提出了PE電熔管件承口內(nèi)徑尺寸的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并在工作中實(shí)施，有效減少了間隙過(guò)大導(dǎo)致的不良焊接，具體尺寸要求見(jiàn)表1。
表1 PE電熔管件承口內(nèi)徑尺寸要求(部分) mm
公稱外徑
承口內(nèi)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(guó)外關(guān)于PE管可靠性的研究
   荷蘭學(xué)者Rainer Kloth在2004年發(fā)表報(bào)告[8]，對(duì)德國(guó)GelsenWasser水務(wù)公司一批早年投入使用的PE管性能進(jìn)行了研究和測(cè)試，研究樣本中的部分樣品安裝于1966—1969年。研究表明：安全運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的已達(dá)38a(截至報(bào)告發(fā)布時(shí)間)，很多管道仍然工作在最大允許工作壓力下而沒(méi)有失效，50a的預(yù)期壽命是可以達(dá)到的，其中部分管道的失效原因主要是管材生產(chǎn)和施工過(guò)程中的缺陷。此次研究結(jié)果從事實(shí)上驗(yàn)證了第一代PE管50a預(yù)期壽命的可靠性和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS0 9080《塑料管道和導(dǎo)管系統(tǒng)：用外推法測(cè)定熱塑性塑料管材的長(zhǎng)期靜液壓強(qiáng)度》標(biāo)準(zhǔn)的正確性。
6 結(jié)語(yǔ)
    國(guó)內(nèi)自從1982年開(kāi)始埋地PE燃?xì)夤艿赖膽?yīng)用試驗(yàn)[9]，至今已過(guò)去約30年。考慮當(dāng)時(shí)的PE管材生產(chǎn)和施工均處于試驗(yàn)探索階段，很有必要了解PE管的長(zhǎng)期靜液壓性能等指標(biāo)。下一步工作可以對(duì)最早的一批管道挖出來(lái)進(jìn)行全面的性能測(cè)試，以檢驗(yàn)預(yù)期壽命等可靠性指標(biāo)；結(jié)合工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討提高管材壽命的可能性，這對(duì)于降低燃?xì)馄髽I(yè)運(yùn)營(yíng)成本，促進(jìn)燃?xì)夤I(yè)的發(fā)展具有重要意義。
    為提高PE燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的可靠性，整個(gè)PE管工業(yè)鏈的相關(guān)方包括PE原料和管道生產(chǎn)商、工程施工者、燃?xì)馄髽I(yè)等，在材料、連接、運(yùn)行等方面制定先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)并嚴(yán)格執(zhí)行，方可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。
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(本文作者：羅彬 梁瑛 楊海翔 深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 廣東深圳 518040)