王宏君 陳玉寶 李 蔚（廣東省特種設備檢測研究院 廣州 528251）

聚乙烯燃氣管道的全面檢驗

王宏君 陳玉寶 李 蔚
（廣東省特種設備檢測研究院 廣州 528251）

由于聚乙烯管道材質(zhì)的特殊性，其損傷機理和失效模式與鋼質(zhì)管道有很大的不同，尋找一種有效的埋地PE管道檢驗方法是大家關心的問題。本文通過聚乙烯燃氣管道全面檢驗的實踐，在常規(guī)檢驗項目的基礎上，介紹了新的資料審查方法和開挖割樣的原則，提出了通過割樣檢驗來評估埋地PE管道材質(zhì)性能變化情況及原始焊口安裝質(zhì)量的觀點；最后，針對最不利條件下的組合載荷，介紹了管壁截面穩(wěn)定性校核的方法。這些方法及建議，對同行有一定的參考和借鑒意義。

城鎮(zhèn)燃氣管道 聚乙烯管道 檢驗方法 損傷機理 失效模式

1 我國城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯管道發(fā)展狀況

由于聚乙烯管（以下簡稱PE管）具有良好的撓韌性、耐腐蝕、焊接性和抵抗裂紋快速擴展能力，城鎮(zhèn)燃氣管道的建設為PE管的采用提供了廣闊的前景。1995年，我國相繼頒布和修訂了《燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)》及《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》系列標準。這些標準規(guī)范的實施,為PE管的應用提供技術支持和法律依據(jù)，有力地促進這一先進技術的推廣。我國燃氣用聚乙烯管的使用起步于20世紀80年代初，據(jù)不完全統(tǒng)計，標準頒布之初的1995年，我國僅有30多個城市采用PE管,總長度在1000km以內(nèi)。標準頒布兩年后的1997年，我國已有97個城市使用,敷設總長度增至3000km。

1999年，我國開始實行壓力管道安裝許可證制度；2002年頒布了《壓力管道安裝安全質(zhì)量監(jiān)督檢驗規(guī)則》，2009年頒布了《壓力管道使用登記管理規(guī)則》，2010年頒布了《壓力管道定期檢驗規(guī)則—公用管道》，這些制度和規(guī)則的實施，改善了我國城鎮(zhèn)燃氣管道的安裝和運行質(zhì)量，促進了我國城鎮(zhèn)燃氣管道的規(guī)范化管理和發(fā)展。

然而，對于那些早期安裝的PE管道，由于當時法規(guī)的不完善、監(jiān)管不到位以及早期安裝單位技術力量薄弱等因素，城鎮(zhèn)燃氣管道安裝質(zhì)量存在不少安全隱患。時至今日，這些早期鋪設安裝的管道已埋地使用多年，其管道狀況發(fā)生了怎樣的變化、是否仍能滿足安全使用的要求，成了大家關心的問題。

2 項目介紹

廣東某市最早的城鎮(zhèn)燃氣PE管道鋪設于2002年，由港華燃氣公司營運。隨著城市的發(fā)展，該公司每年都有新增管道的鋪設，截至2012年，燃氣管道規(guī)模已達110km，分布于三個城區(qū)。該燃氣管道的設計壓力為0.4MPa，使用壓力為0.12～0.2MPa。由于安裝時間跨度長，有多家安裝公司參與安裝，導致安裝質(zhì)量不一。且敷設環(huán)境復雜多樣：有的沿主干道公道敷設、有的敷設于商業(yè)中心人行道及廣場地下、有的穿越公路、有的跨越橋梁。面對著如此復雜的管道，再加上聚乙烯材質(zhì)的特殊性，如何進行有效的檢驗成為擺在筆者面前的一道難題。

3 全面檢驗方法及項目

3.1 資料審查

由于早期監(jiān)管缺失及技術力量薄弱等因素，早期安裝的PE管容易存在質(zhì)量隱患，因此資料審查顯得尤為重要。筆者通過資料審查發(fā)現(xiàn)，港華公司目前在用的管道由六家不同的公司安裝而成，但因年代久遠，資料缺失嚴重。通過在使用單位、安裝單位、市質(zhì)監(jiān)局、市檔案館等多處地方查找收集，補齊了主要的資料，并對其進行以下整理分析：

1)對不同的管道進行匯總，形成管線特性表；

2)查看管材管件的質(zhì)量證明書、施工方案及施工記錄，了解安裝質(zhì)量狀況；

3)查看運行和維護記錄，了解曾發(fā)生過破壞和泄露的薄弱管段。該市燃氣管道的管徑和安裝時間統(tǒng)計見圖1、圖2。這些信息為筆者開挖點的選取和割樣提供了重要的參考依據(jù)。

圖1 管徑統(tǒng)計圖

圖2 安裝時間統(tǒng)計圖

3.2 宏觀檢查

宏觀檢查也叫巡線檢查。鑒于其敷設長度較長和敷設環(huán)境較為復雜，經(jīng)過分析討論，確定巡線檢查對象為：投用年限較長的管線、資料審查時對安裝質(zhì)量有懷疑的管線、有過故障與第三方破壞歷史的管線和人口密集地方的管線。檢查內(nèi)容包括：采用氣體泄漏儀進行泄漏檢查、管線位置與走向檢查、穿跨越管道檢查、閥井檢查與清理、地面標志檢查、管道裸露情況檢查。發(fā)現(xiàn)的主要問題有：

1）早期安裝的PE管道均沒有安裝示蹤線，無法使用管道定位器對其進行精確定位,只能通過地面標志樁、管線圖紙等對管道位置及走向進行定位。對管道位置及走向有懷疑的管道，條件允許時，進行了開挖確認。

2）PE管道安全距離內(nèi)有土壤塌陷、開挖取土和搭建構筑物而導致管道表面受損的情況。根據(jù)管道表面受損程度（10%壁厚為準則）決定對受損管道是否給予更換。

3）PE管周圍因挖掘工程或自然災害導致管道外露。由于外露管道遇火可迅速融化甚至燃燒，導致災難性的破壞。對于外露部分，設置足夠的臨時支撐以承托管道本身重量和外加載荷，周圍嚴禁明火和熱力作業(yè)，并盡快回填恢復。

3.3 開挖檢驗

根據(jù)TSG D7004—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則—公用管道》規(guī)定，非金屬管的開挖直接檢查比例為0.3處/km。根據(jù)規(guī)格和安裝時間的統(tǒng)計信息，并結合宏觀檢查情況，有代表地選取不同安裝年限、不同規(guī)格、不同材質(zhì)、不同安裝單位的管線34處進行開挖檢驗。開挖檢驗內(nèi)容為管道埋深、土壤環(huán)境檢測、與建（構）筑物的凈距、材料表面損傷、警示帶、示蹤線等。在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題和處理方式如下：

1) 管道與建筑物的水平凈距不足。主要原因一是因為城市的快速發(fā)展出現(xiàn)了原來水平凈距合格，但由于新建筑物的出現(xiàn)導致水平凈距不合格的情況；二是在建筑物密集區(qū)管道敷設時無法規(guī)劃出合格水平凈距的情況。對于此類情況，建議加強對此類區(qū)域的巡線檢查，并在周圍設置明顯的告知和警示標識。

2）選擇組合載荷最不利的管道進行穩(wěn)定性校核。管道的組合載荷一般包括土壤載荷、地面堆積載荷或地面車輛載荷（簡稱活載荷）。土壤載荷隨管道的埋深增加而增加，而活載荷則隨管道埋深的增加而減少，這兩種載荷的疊加值在距地面某一深度處可達最小。以20t的卡車的一個后輪荷重為例,總載荷、土壤載荷、活載荷隨覆土厚度的變化見圖3[4]。由圖3可見，管頂覆土厚度為1.3～1.6m管道受到總載荷較小，隨著覆土厚度的增加，由于土壤載荷的增大，管道的總載荷也會隨著增大，從而影響PE管的環(huán)向穩(wěn)定性和豎向穩(wěn)定性。

圖3 管道載荷隨覆土厚度的變化

產(chǎn)生埋深過大的原因大多由后期的填土建設造成。由于有重型車輛經(jīng)過的道路，管道加了套管保護，因此它們不是受到組合載荷最不利的地方。筆者選取了東湖廣場進行校核：該處管道為DN110，PE100/SDR17.6，埋深為2.5m，廣場內(nèi)沒有重型車輛經(jīng)過，但假設有2t的小轎車施加的地面車輛載荷，校核如下：

1)管壁截面環(huán)向穩(wěn)定性校驗公式[5]為：

其中：

Fcv,k——PE管管壁截面失穩(wěn)的臨界載荷標準值，計算結果Fcv,k＝740kN/mm2；

Kst——PE管管壁截面的穩(wěn)定性抗力系數(shù)，

Kst≥2；

qvk——管頂組合作用下的單位面積豎向載荷值，

qvk＝Tvk+(Qvk和Dvk的較大值)；

Tvk——豎向土載荷＝5.94kN/mm2;

Qvk——地面車輛載荷＝0.38kN/mm2;

Dvk——地面堆積載荷標準值＝10kN/mm2;

Fvk——管內(nèi)真空壓力，

Fvk＝0.05MPa＝50kN/mm2;

校核結果：

Fcv,k＝740kN/mm2≥2(5.94+50)=112kN/mm2故該處管道的管壁截面環(huán)向穩(wěn)定性校核合格。2)豎向變形計算公式[5]為：

Wd,max——管道在組合作用下的最大豎向變形，

Wd,max≤5%DN=5%×110mm=5.5mm;

校核結果： Wd,max=0.017mm＜5.5mm

故該處管道的豎向變形合格。

3.4 材料性能與焊口質(zhì)量檢驗

為了檢驗PE管埋地使用一定年限后的材料性能變化情況，筆者在34處開挖點按不同安裝單位、不同使用年限、不同規(guī)格、不同材質(zhì)的原則，割取了11種不同的試樣。每種試樣均包括焊口及母材，并委托第三方進行性能檢驗。熱熔連接試樣在焊縫處進行靜液壓強度和拉伸強度試驗；在母材處進行斷裂伸長率、縱向回縮率、熱穩(wěn)定性試驗。電熔連接試樣DN＜90mm時，進行擠壓剝離試驗，DN≥90mm時，進行拉伸剝離試驗，見表1。試驗結果按GB 15558.1—2003《燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材》的標準要求判定。管材使用加工時內(nèi)部殘余變形大小的判別試驗，目的是檢測內(nèi)部的殘余變形是否在適當值內(nèi)，管材縱向回縮率保持在3%的范圍內(nèi)可保證管道系統(tǒng)的連接密封性和使用安全性。

表1 PE管材料性能檢驗表

焊口質(zhì)量檢驗分為外觀檢查和破壞性檢驗兩種。外觀檢查按CJJ63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》的標準要求進行。破壞性檢驗主要有兩種，一種是針對熱熔連接的翻邊對稱性檢驗、接頭對正性檢驗、卷邊切除檢驗，另一種是表1所示的力學性能試驗。通過這些項目，評估焊口的安裝質(zhì)量和管道在這一特定土壤環(huán)境下埋地若干年限后的材質(zhì)性能變化情況。若發(fā)現(xiàn)某項檢測項目不合格，則擴大割樣比例并查明原因，如有必要則將材料性能劣化的管段進行整段更換。

根據(jù)統(tǒng)計學原理，只要保證樣本的準確性，依據(jù)樣本的特性對總體的特性做出估計的統(tǒng)計推斷和假設檢驗是可信的。表2的檢驗結果表明：抽查的焊口質(zhì)量合格，管材在本項目中埋地使用最長年限為9年，其力學性能沒有發(fā)生明顯劣化。

3.5 耐壓試驗和安全保護裝置檢查

為了進一步檢查該城市管道的安全狀況，對于未開挖的管線，選取若干處長度約為1000m的管線進行1h的強度試驗和24h的嚴密性試驗。試驗按CJJ63-2008《聚乙烯燃氣管道工程技術規(guī)程》的標準要求進行。

表2 試樣檢驗結果

根據(jù)TSG D7004-2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則—公用管道》規(guī)定：城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)中的門站、調(diào)壓站管道及其安全保護裝置、附屬設施的定期檢驗參照工業(yè)管道、壓力容器定期檢驗有關要求執(zhí)行。

4 結論

為保證地下縱橫交錯的燃氣管道的安全運行，PE管全面檢驗的開展是大勢所趨。本文通過PE燃氣管道全面檢驗的實踐，對其檢驗方法和檢驗項目進行了探索，提出了以下建議和方法：

1)對于敷設環(huán)境復雜、安裝時間跨度長、安裝單位多及安裝質(zhì)量不一的PE燃氣管道，應注意資料收集及統(tǒng)計分析，形成管線特性表。這些信息將為后續(xù)巡線檢查、開挖點和試樣的選取提供重要的參考依據(jù)。

2)由于城市的快速發(fā)展，管道地面敷設環(huán)境的變化在所難免。對于敷設環(huán)境變化較大的管道，通過計算其最不利條件下的組合載荷，校核管壁截面環(huán)向穩(wěn)定性和豎向變形。

3)提出了利用割樣檢驗來評估早期焊口質(zhì)量和PE燃氣管道在特定土壤環(huán)境下埋地服役若干年后其材料性能變化情況的檢驗方法，并提出了開挖點和試樣的選取原則以保證樣本的代表性和廣泛性。

1 TSG D7004-2010 壓力管道定期檢驗規(guī)則-公用管道[S].

2 GB 15558.1-2003 燃氣用埋地聚乙烯(PE)管道系統(tǒng) 第1部分：管材[S].

3 CJJ 63-2008 燃氣用聚乙烯管道工程技術規(guī)程[S].

4 鐘立,鄭光華.燃氣管道埋深的分析[J].煤氣與熱力,2005,25(2):52～53.

5 中國城市燃氣協(xié)會.城鎮(zhèn)燃氣聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)（第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

6 席德粹,劉松林,王可仁.城市燃氣管網(wǎng)設計與施工[M].上海：上?？茖W技術出版社,1999.

7 吳文棟,等.聚乙烯管熱熔焊機技術現(xiàn)狀分析[J].中國特種設備安全，2013，29(11):44～45.

Overall Inspection of PE Gas Pipeline

Wang Hongjun Chen Yubao Li Wei
(Guangdong Institute of Special Equipment Inspection & Research Guang Zhou 528251)

Bec ause of the material particularity of PE pipe, damage mechanisms and failure modes of PE pipe are different from steel pipeline, which made us diffi cult to inspect the PE pipeline effectively. On the basis of regular inspection items, this article introduces new data review methods and the principle of excavation cut sample; puts forward the way to evaluate buried PE pipeline material and quality of the installation of the original joint point by inspection of cutting sample; and recommends a stability checking method.

City gas pipeline PE pipeline Inspection methods Damage mechanism Failure mode

X933.4

B

1673－257X(2014)07－17－04

王宏君（1963～),男，中級工程師，主要從事壓力管道的檢驗檢測工作。

2014－03－19）