聚乙烯管應用于0.6MPa次高壓燃氣管網的探討

摘 要

摘要：分析了聚乙烯管道的優(yōu)良特性，結合相關規(guī)范及國外的應用實例，探討了聚乙烯管道應用于天然氣次高壓(≤0.6MPa)管網的可行性。關鍵詞：聚乙烯管道(PE管)；次高壓燃氣管網；力學性
摘要：分析了聚乙烯管道的優(yōu)良特性，結合相關規(guī)范及國外的應用實例，探討了聚乙烯管道應用于天然氣次高壓(≤0.6MPa)管網的可行性。
關鍵詞：聚乙烯管道(PE管)；次高壓燃氣管網；力學性能
Discussion on Application of PE Pipe to 0.6MPa Sub-high Pressure Gas Pipe Network
DUAN Wurong
Abstract：The excellent features of PE pipeline are analyzed.The leasibility of application of PE pipeline to natural gas sub-high pressure(≤0.6MPa)pipe network is discussed with related codes and foreign application eases.
Key words：PE pipe；sub-high pressure gas pipe network；mechanics performance
    相對于鋼管，聚乙烯管道具有諸多優(yōu)良特性[1]，故聚乙烯管在城鎮(zhèn)燃氣中低壓管網中得到了廣泛應用[2～5]，受限于規(guī)范的強制性規(guī)定，至今尚未在次高壓管網中得以應用。
1 聚乙烯燃氣管道的優(yōu)良特性[6]
    ① 耐腐蝕。聚乙烯為惰性材料，除少數強氧化劑外，可耐多種化學介質的侵蝕。不會產生電化學腐蝕，不需要防腐層。
    ② 泄漏量極小。聚乙烯燃氣管道主要采用熔接連接(熱熔連接或電熔連接)，本質上保證了接頭材質、結構與管道的同一性，體現了接頭與管道的一體化。試驗證明，聚乙烯燃氣管道接頭的抗拉強度及爆破強度均高于管道本身，可有效抵抗內壓力產生的環(huán)向應力及軸向拉伸應力，不存在因接頭造成泄漏的危險。
    ③ 高韌性。聚乙烯管道具有高韌性，對管基不均勻沉降的適應能力非常強，是一種抗震性能優(yōu)良的管道。在1995年日本的神戶地震中，燃氣管道共受損26500處，而長約20000km的聚乙烯燃氣管道系統(tǒng)并未遭到破壞。因此，日本震后在燃氣領域大力推廣使用聚乙烯管道。
    ④ 優(yōu)良的撓性。撓性是聚乙烯材料的一個重要特性，它極大地提升了聚乙烯管道的工程應用價值。撓性使小管徑聚乙烯管道可以盤卷，并以較大的長度使用，不需要各種連接管件。用于不開槽施工時，聚乙烯管道容易依照施工的要求改變走向。撓性可使聚乙烯管道在施工前改變形狀，插入舊管道后恢復原來的尺寸。
    ⑤ 良好的抵抗刮痕能力。采用不開槽施工技術，無論是敷設新管道還是進行舊管道的修復或更新，刮痕是無法避免的。刮痕會造成材料的應力集中，破壞管道。管材抵抗刮痕的能力與慢速裂紋增長行為密切相關。研究證明，PE80聚乙烯管材具有較好的抵抗慢速裂紋增長的能力和抵抗刮痕能力，PE100聚乙烯管材則具有更加出色的抵抗刮痕能力。
   ⑥ 良好的快速裂紋傳遞抵抗能力。近10年來，國際上對塑料管道，特別是對聚乙烯燃氣管道的快速裂紋傳遞進行了大量卓有成效的研究。研究結果表明，在常用的塑料管材中，在抵抗快速裂紋傳遞能力方面，聚乙烯管材名列前茅。
   ⑦ 使用壽命長，可達50a以上。
   ⑧ 重量輕。
2 相關規(guī)范的規(guī)定及解讀
   根據CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》，聚乙烯管道輸送天然氣、液化石油氣和人工煤氣時，其設計壓力不應大于管道的最大允許工作壓力，最大允許工作壓力見表1。
表1 聚乙烯管道的最大允許工作壓力 MPa
城鎮(zhèn)燃氣種類
PE80
PE
00
SDR11
SDR17.6
SDR11
SDR17.6
天然氣
0.50
0.30
0.70
0.40
液化石油氣
混空氣
0.40
0.20
0.50
0.30
氣態(tài)
0.20
0.10
0.30
0.20
人工煤氣
干氣
0.40
0.20
0.50
0.30
其他
0.20
0.10
0.30
0.20
   溫度對管道的最大允許工作壓力有影響，最大允許工作壓力應按工作溫度對管道工作壓力的折減系數進行折減，折減系數見表2。
表2 工作溫度對管道工作壓力的折減系數
工作溫度t
-20℃≤t≤20℃
20℃＜t≤30℃
30℃＜t≤40℃
折減系數
1.00
0.90
0.76
    注：本表中的工作溫度指管道工作環(huán)境的最高月平均溫度。
   由于聚乙烯燃氣管道埋設有一定的覆土厚度要求，故管道工作溫度比較穩(wěn)定。通過查詢《暖通空調氣象資料集》得知，我國地區(qū)累年最熱月(7月)溫度為20～30℃，故取折減系數為0.90，則采用SDR11系列PE100聚乙烯管道輸送天然氣的最大允許工作壓力可以達到0.63MPa。
   GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》強制性條文第6.3.2條規(guī)定：次高壓燃氣管道應采用鋼管。該條規(guī)定的條文說明指出，次高壓燃氣管道一旦發(fā)生破裂，材料的裂紋擴展速度極快，且不易止裂，其斷裂長度也很長，后果嚴重。因此必須采用具有良好的抗脆性破壞能力和良好的焊接性能的鋼管，以保證輸氣管道的安全。
3 聚乙烯管道應用于次高壓管網的可行性
    聚乙烯管道應用于次高壓管網在技術方面是可行的。近年來，對聚乙烯管材長期使用性能已有科學系統(tǒng)的標準評價方法，在設計上保證了長期使用性能及使用的安全性。從原料到工程施工，從產品要求到質量的控制方法，聚乙烯管道系統(tǒng)均具有完備的IS0標準。標準的高水平和系統(tǒng)化標志了聚乙烯管道發(fā)展的高度成熟。CJJ 63—2008修訂的主要技術內容包含提高管道的最大允許工作壓力(由0.4MPa提高到0.7MPa)。
    聚乙烯管道應用于次高壓管網在安全方面也是可行的。規(guī)范的強制性條文限制在次高壓管網中采用聚乙烯管道，這主要是出自安全性考慮。目前推廣應用于聚乙烯燃氣管道的PE100(PE100是指在20℃條件下，聚乙烯管材在50a后仍能保持10MPa的最小要求強度)較PE80在性能上更優(yōu)越，主要體現為優(yōu)異的慢速裂紋增長抵抗能力，卓越的快速裂紋擴展抵抗能力，較好的抵抗刮痕能力以及較高的剛度。當然，由于PE材料固有的特性，無論使用PE100材料還是PE80材料，對管道進行保護和防止外力損傷始終是一項重要的工作，可以通過增加壁厚來提高聚乙烯燃氣管道的安全性。
    在多年的實踐中，聚乙烯管道的原料性能、管材和管件制造工藝、連接方法、連接機具以及運行中的維修手段等不斷取得革命性的進步，聚乙烯管道系統(tǒng)已經達到高度成熟。對于聚乙烯管道局部小孔泄漏，可以利用其熱塑性，采用電熔連接方式將電熔鞍型管件與管道管壁熔為一體，可以避免焊接動火。帶壓不停氣聚乙烯管道連接技術亦可用于次高壓管網的搶修工作。
4 應用實例
    目前歐洲PE100聚乙烯燃氣管道的實際使用壓力見表3。根據相關規(guī)范，英國SDR11系列PE100聚乙烯燃氣管道的最大允許工作壓力可達1.0MPa，實際使用壓力已達0.7MPa。于1989年進行的聚乙烯燃氣管道區(qū)域現場試驗獲得成功后，至1992年共敷設聚乙烯燃氣管道150km。
表3 歐洲PE100聚乙烯燃氣管道的實際使用壓力
國家
標準尺寸比(SDR)
實際使用壓力/MPa
英國
11.0
0.7
比利時
17.6
0.5
法國
17.6
0.4
荷蘭
11.0
0.8
西班牙
11.0
0.7
    1996年，德國也建設了第1套PE100燃氣管網，設計壓力為1.0MPa，主要為工業(yè)用戶供應燃氣，管道全長22km，外徑為180mm與225mm，與鋼管相比，節(jié)約了16%的成本。
    美國煤氣協(xié)會(AGA)也正在努力提高SDR11系列PE100聚乙烯燃氣管道的最大允許工作壓力，擬從690kPa提高到860kPa，相應聚乙烯燃氣管道的強度設計系數F從0.32提高到0.40。
5 結語
    目前，國外正在嘗試將SDR11系列PE100聚乙烯燃氣管道的使用壓力提高至1.0MPa。在天然氣高速發(fā)展的今天，修訂相關規(guī)范，推廣聚乙烯燃氣管道應用于次高壓(≤0.6MPa)管網是安全可行的
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(本文作者：段武榮 中國煤炭科工集團重慶設計研究院 重慶 400016)