李茂東，史君林，黃國家，李 俊，辛明亮，張術(shù)寬

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 510663；2.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

0 前言

圖1 我國“十二五”期間塑料管道的產(chǎn)量和增長速度Fig.1 Production and growth rate of plastic pipesduring the “12th Five-Year Plan” in China

塑料管道已有60多年的應(yīng)用歷史，至今，全世界各國塑料管道市場仍保持著不斷增長的發(fā)展趨勢。如圖1所示，我國塑料管道的產(chǎn)量由2010年的8 402 kt增長到2015年的13 800 kt，在“十二五”期間平均年增長率為10.43 %[1]66?！笆濉逼陂g，預(yù)計(jì)塑料管道生產(chǎn)量將保持3 %左右的年增長速度，到2020年全國塑料管道產(chǎn)量將達(dá)到16 000 kt，塑料管道在各類材料管道中的市場平均占有率超過55 %[2]。根據(jù)美國管道與危險(xiǎn)物品安全管理局(PHMSA)的數(shù)據(jù)，美國塑料管道已經(jīng)占據(jù)全美管道總量的55 %[3]，全球范圍內(nèi)塑料的需求量越來越大，預(yù)計(jì)2020年全球聚乙烯需求達(dá)1.088×105kt/a[4]。

圖2給出了2015年塑料管道在主要應(yīng)用領(lǐng)域的占比情況[1]66，塑料管道具有質(zhì)輕價(jià)廉、耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[5]，在城鎮(zhèn)燃?xì)?、化工、給排水、供暖及采礦等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，塑料管道的應(yīng)用主要分為2類，一是非承壓管，如電工管、下水管等；另一類則是管內(nèi)承受介質(zhì)壓力的中低壓管，如燃?xì)夤堋⒔o水管、熱水管、化工管，研究關(guān)注的重點(diǎn)是塑料壓力管。如城鎮(zhèn)輸送燃?xì)獯蠓秶褂玫木垡蚁┕艿溃垡蚁┕艿酪呀?jīng)在中低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)中取代了過去的傳統(tǒng)管材，成為GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》的首選管材。值得關(guān)注的是，為了提高核電站運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，美國自2000年開始便在核電站中應(yīng)用聚乙烯管材，并于2007年頒布了ASME Code case N755，允許聚乙烯管材應(yīng)用于核電站的安全相關(guān)領(lǐng)域，美國核管理委員會(huì)在Callaway核電站率先鋪設(shè)一套長11 582 m，直徑為914 mm的聚乙烯管道系統(tǒng)[6]。位于我國浙江省的三門核電有限公司(簡稱為三門核電)，采用美國西屋公司開發(fā)的第三代核電技術(shù)AP1000，使用了4條聚乙烯管道，用于操作壓力為0.6 MPa，溫度小于60 ℃的冷卻水系統(tǒng)，管道規(guī)格為DN762 mm (30 in OD, 3.3 in wall)[7]。

圖2 2015年塑料管道的主要應(yīng)用領(lǐng)域(單位：×105 t)Fig.2 Main application fields of plastic pipes in 2015

目前城鎮(zhèn)塑料燃?xì)獾戎械蛪汗艿缿?yīng)用越來越廣泛，管道工作環(huán)境一般為長期承壓、埋地外負(fù)荷等，介質(zhì)易燃易爆，可能會(huì)發(fā)生爆炸、火災(zāi)、人員傷亡等危險(xiǎn)，塑料管道的安全問題是尤為重要的社會(huì)公眾安全問題。國內(nèi)外對金屬管道的應(yīng)用及相關(guān)研究較多，從設(shè)計(jì)、運(yùn)行、管理等多方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，并得到廣泛應(yīng)用，如我國對金屬管道的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)就形成了GB/T 27512—2011《埋地鋼質(zhì)管道風(fēng)險(xiǎn)評估方法》標(biāo)準(zhǔn)，對管道缺陷的檢測、泄漏的檢測、安全評定以及風(fēng)險(xiǎn)評估等相關(guān)工作都比較成熟[8-11]，然而對塑料壓力管道的相關(guān)研究開展的則相對較少。

管道的安全管理，最初都是基于管道事件的管理，通過管道的事故、發(fā)生后的搶救以及處理等逐步形成規(guī)范完整的管理技術(shù)。目前對于金屬管道，世界上多數(shù)發(fā)達(dá)國家均建立了管道失效或事故數(shù)據(jù)庫，用于指導(dǎo)管道的設(shè)計(jì)、建設(shè)和風(fēng)險(xiǎn)管理。如加拿大NEB數(shù)據(jù)庫、美國DOT數(shù)據(jù)庫、歐洲EGIG數(shù)據(jù)庫、英國UKOPA 數(shù)據(jù)庫、澳大利亞POG 數(shù)據(jù)庫[12]，然而塑料管道失效的數(shù)據(jù)庫則比較少，美國有專業(yè)的塑料管材數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(PPDC)對塑料管道的失效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而我國對塑料管道這方面的研究則較少，因此本文分析了美國塑料管道的失效數(shù)據(jù)，旨在為我國塑料管道的安全管理提供依據(jù)。

1 管道失效數(shù)據(jù)庫介紹

1.1 美國塑料管材數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)簡介

美國塑料管材數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(PPDC)成立于1999年，開始收集自2000年以來的塑料管道數(shù)據(jù)，PPDC是由各個(gè)公司每月自愿提交公司塑料管道的失效事故表，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其由美國天然氣協(xié)會(huì)(AGA)、美國公共燃?xì)鈪f(xié)會(huì)(APGA)、塑料管材研究所(PPI)、美國國家公用事業(yè)管理協(xié)會(huì)(NARUC)美國國家管道安全代表協(xié)會(huì)(NAPSR)、美國國家運(yùn)輸安全委員會(huì)(NTSB)、交通運(yùn)輸部管道部(DOT)以及美國管道與危險(xiǎn)物品安全管理局(PHMSA)組成。

1.2 美國塑料管道數(shù)據(jù)

依據(jù)交通運(yùn)輸部管道部發(fā)布的2015年氣體分布年度報(bào)告，到2015年底美國約有1 479家天然氣公司安裝了約1 137 711 km塑料管道以及4 750萬個(gè)塑料配件。根據(jù)PPDC在2017年4月發(fā)布的塑料管道現(xiàn)狀報(bào)告，該報(bào)告統(tǒng)計(jì)了美國77 %的在役塑料管道以及86 %的已安裝的塑料配件的失效數(shù)據(jù)，報(bào)告中顯示聚乙烯管道的使用率達(dá)到97 %，聚乙烯配件則達(dá)到99 %[13]1，表1列出了2015年美國燃?xì)馑芰瞎艿啦牧系氖褂们闆r，因此本文主要分析聚乙烯管道。

表1 2015年美國燃?xì)馑芰瞎艿啦牧系氖褂们闆rTab.1 Plastic pipe materials for gas in 2015 in America

查閱相關(guān)文獻(xiàn)以及塑料管道事故的調(diào)查分析[14-20]，塑料管道的3種失效模式分別為蠕變韌性破壞、慢速裂紋脆性破壞和材料劣化破壞，其主要的失效形式有：管材破損或穿孔、脆性開裂、韌性破壞、泄漏失效。

根據(jù)PPDC統(tǒng)計(jì)的塑料管道泄漏或失效的事故數(shù)據(jù)，從圖3可以看出[13]10，聚乙烯管道失效部位最多的是配件，而不是管道接頭，接頭失效僅占13 %。塑料管道的鏈接方式與金屬管道完全不同，對于塑料管道的焊接，天津大學(xué)的霍立興團(tuán)隊(duì)[21]在2000年左右就率先開展了對塑料壓力管道熱熔接焊方面的系統(tǒng)研究，通過拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)晶度和硬度測試，得到了母材和焊縫的部分結(jié)構(gòu)特性和強(qiáng)度特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊縫的結(jié)晶度高于母材的結(jié)晶度，焊縫的拉伸強(qiáng)度和硬度也高于母材，但是其沖擊強(qiáng)度卻低于母材，這和金屬管道是完全不同的，因此在對塑料管的分析研究中要區(qū)別對待塑料與金屬材料的不同。

PPDC統(tǒng)計(jì)分析了塑料管道的失效原因，表2為聚乙烯管道失效的原因以及其所占比例[13]10。從表2可以看出，其失效原因中安裝錯(cuò)誤所占比例最大，其次是材料缺陷，其他為未知情況，點(diǎn)載荷以及過渡的外部土地載荷。圖4為塑料配件失效時(shí)的服役時(shí)間[13]36，從圖4可以看出，使用30年左右的失效概率最大，管道使用初期也容易發(fā)生事故，這符合“浴盆曲線”的3個(gè)階段，分為初期的事故多發(fā)期、穩(wěn)定工作期和管道老化事故上升期。

圖3 美國聚乙烯管道失效的部位Fig.3 Failure parts of polyethylene pipes in America

圖4 塑料管配件失效時(shí)的服役時(shí)間Fig.4 Service time while plastic pipe fittings fail

失效原因所有聚乙烯泄漏失效的比例/%所有聚乙烯管泄漏失效的比例/%所有聚乙烯配件泄漏失效的比例/%所有聚乙烯管接頭泄漏失效的比例/%過渡膨脹/收縮1.701.201.404.30過渡外部土地載荷5.709.003.604.80安裝錯(cuò)誤28.3012.2031.5056.40擠壓節(jié)流2.005.700.100.10點(diǎn)載荷6.9016.202.103.00以前的影響1.905.200.300.40未知13.309.1016.0013.60其他14.0016.0014.502.90端蓋4.900.009.200.00未錄入3.002.902.803.70材料缺陷16.0018.8016.3010.30鼠咬/嚙齒動(dòng)物啃咬/蟲蛀0.401.200.000.00未知的不開挖或更換1.201.400.600.40未知遺棄0.100.100.100.00腐蝕0.800.801.400.10

1.3 歐洲燃?xì)夤艿朗?shù)據(jù)

多國都建立了針對金屬管道的管道失效或事故數(shù)據(jù)庫，如表3所示為歐洲EGIG數(shù)據(jù)庫的主要失效事故的發(fā)生頻率，反映了歐洲自1970年以來的燃?xì)夤艿腊踩珷顩r[22]，可以看出，第三方破壞是管道失效的首要原因，其次是金屬管道的腐蝕以及一些其他缺陷，然而對于塑料管道耐腐蝕性能好，除第三方破壞及其他缺陷外，不存在塑料管道腐蝕，管道失效形式、失效模式存在較大差異，因此在分析對比中要區(qū)別對待金屬管道與塑料管道。

表3 歐洲燃?xì)夤艿?970—2013年間的主要事故發(fā)生率Tab.3 Primary failure frequencies of the European gas pipelines in 1970—2013

2 國外失效數(shù)據(jù)對我國塑料管道管理的啟發(fā)

2.1 第三方破壞/機(jī)械破壞

圖5 管道第三方施工破壞故障樹Fig.5 Fault tree analysis of pipeline accidents from the third parties

除去不可避免的與自然和外力相關(guān)的因素，如底層運(yùn)動(dòng)、洪水等意外，第三方破壞/機(jī)械破壞是塑料管道失效的主要原因，這一情況在我國可能更加嚴(yán)重，主要是由于城市建設(shè)的發(fā)展，如建筑施工、市政施工等人為因素造成破壞，道路改造、管線改造等使原來符合安全要求的一部分管道出現(xiàn)了安全隱患，違章建筑也屢禁不止。

從表2和表3可以看出，第三方破壞是塑料管道失效的主要原因，但第三方破壞是可以避免的，如歐洲EGIG管道失效數(shù)據(jù)反映出，管道系統(tǒng)長度雖逐年增加，但事故次數(shù)卻在減少，但第三破壞導(dǎo)致的失效發(fā)生率，從1970—2013年的0.16次/(1 000 km·a)，下降到近5年的0.05次/(1 000 km·a)。第三方破壞的影響因素有埋設(shè)深度、管道維護(hù)管理水平、人在管道附近的活動(dòng)狀況、地上設(shè)備狀況、管道附近有無埋地設(shè)施、管道附近居民素質(zhì)、管道沿線標(biāo)志是否清楚等，圖5為一個(gè)簡單的管道第三方施工破壞故障樹[23-24]，可知第三方施工破壞的一個(gè)重要因素是埋深不足，如自然災(zāi)害等會(huì)導(dǎo)致管道外露，管道外露則更容易老化失效，若遇到明火和熱力作業(yè)，塑料管道就會(huì)迅速融化或者燃燒，導(dǎo)致災(zāi)難性事故。同時(shí)管道的埋深很大程度上決定了管道的受壓情況，而土壤載荷、地面堆積載荷或地面車輛載荷(簡稱為活載荷)就是其受壓的關(guān)鍵，埋深不足加上其他如野蠻施工等很容易就會(huì)導(dǎo)致管道的失效破壞；在第三方施工時(shí)，如地下管網(wǎng)分布不清楚也很容易導(dǎo)致破壞，這就和未與相關(guān)管道單位溝通、管道分布資料缺失、管道未按圖紙施工、管理存在漏洞等很多因素有關(guān)。因此在管道設(shè)計(jì)、施工、后期管理上需要考慮多方面的因素，從加強(qiáng)管理、完善制度上可以減少第三方破壞導(dǎo)致失效的發(fā)生。

2.2 設(shè)計(jì)/施工/材料缺陷

當(dāng)前在役的管道，部分已經(jīng)運(yùn)行了10多年或者更久，在當(dāng)初的設(shè)計(jì)階段就考慮不充分，可能引起管道壁厚、設(shè)計(jì)壓力等誤差，管道本身存在的裂紋等缺陷，也容易引起管道的失效斷裂，同時(shí)設(shè)計(jì)人員的水平也影響著管道的安全運(yùn)行。

管道在鋪設(shè)時(shí)，管溝開挖深度及回填土品質(zhì)等不滿足要求，會(huì)造成管道的彎曲變形、應(yīng)力侵蝕等缺陷，穿跨越品質(zhì)問題，造成移位和破壞情況。塑料管道主要通過熱熔或電熔連接，連接缺陷主要有夾雜、未熔合、裂紋、孔洞、錯(cuò)邊等，法蘭連接等出現(xiàn)劃痕、凹坑等缺陷，目前對于塑料管道缺陷的安全評價(jià)還不是很完善[25]，浙江大學(xué)鄭津洋[26-28]團(tuán)隊(duì)研發(fā)了耦合聚焦技術(shù)實(shí)現(xiàn)典型宏觀缺陷的超聲檢測，制定了GB/T 29461—2013《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》和GB/T 29460—2013《含缺陷聚乙烯電熔接頭安全評定》，對缺陷的檢測和評價(jià)工作仍要進(jìn)行，但對熱熔連接的聚乙烯管道焊接接頭的檢測評價(jià)仍處于研究階段。

塑料管道材料的缺陷也是誘發(fā)失效事故的重要原因之一，在選材時(shí)保證管材在長期靜液壓評價(jià)試驗(yàn)中合格，避免原始材料的缺陷，如配方缺陷，另外塑料管耐熱老化性能差，管材暴露在環(huán)境中受紫外線、環(huán)境溫度、臭氧、使用年限等影響會(huì)發(fā)生性能變化甚至發(fā)脆、龜裂、脫落等，在長期受壓、埋地外載荷、溫度較高熱水、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等惡劣條件下就會(huì)出現(xiàn)材質(zhì)劣化、損傷，如管材外觀缺陷(氣泡、劃傷、凹陷、雜質(zhì)、顏色不均)、老化降解、蠕變損傷、應(yīng)力侵蝕與疲勞損傷，在后期維護(hù)管理中應(yīng)及時(shí)消除和控制風(fēng)險(xiǎn)隱患，保障管線投產(chǎn)后安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

2.3 生物破壞

目前關(guān)于這類事故的研究報(bào)道較少，這類事件出現(xiàn)的頻率相比于第三方破壞和地質(zhì)災(zāi)害來說在數(shù)量上仍比較低，如深根植物生長會(huì)纏繞甚至穿破管道等，微生物對管道的降解，影響管道的材質(zhì)變化，最近，來自英國科學(xué)家[29]發(fā)現(xiàn)某種蠟蛾幼蟲可以以較快的速度降解聚乙烯塑料薄膜，雖然對聚乙烯塑料的降解，在環(huán)境保護(hù)上有較大意義，但對于塑料管道的安全卻有待考慮。在我國也存在大量生物破壞的案例，如文獻(xiàn)[30-31]報(bào)道了在深圳地區(qū)累計(jì)有多起埋地聚乙烯燃?xì)夤艿辣话紫佒g破壞在穿孔處泄漏，蛀蝕隱患不同于第三方破壞，其具有極強(qiáng)的隱蔽性，一般難以被察覺，直至管道破壞穿孔燃?xì)庑孤┖蟛艜?huì)被發(fā)現(xiàn)。塑料壓力管的防護(hù)經(jīng)驗(yàn)相對較少，可以借鑒其他類似成熟的處理方法，如電纜外護(hù)套的白蟻防治。通過分析，燃?xì)夤艿老伹治：Φ闹饕蛩赜校汗艿啦馁|(zhì)、土壤潮濕度、周邊夜間光亮度、存在適宜筑巢的縫隙、孔洞結(jié)構(gòu)、存在纖維素食料等，因此，在設(shè)計(jì)階段就可以考慮在水位以下埋設(shè)，選用抗蟻蛀性能好的管道；在施工階段，保護(hù)好管道避免劃傷，清除回填土中的纖維素雜質(zhì)，使用沙埋處理法，毒土處理法等；在后期的運(yùn)行管理階段，密切關(guān)注管道沿線地面土壤的變化，如在土棲白蟻筑巢時(shí)，蟻巢上方會(huì)出現(xiàn)泥被、泥線、通氣孔、吸水線、生長雞樅菌、炭棒菌等外露跡象，應(yīng)及早發(fā)現(xiàn)并消除管道蟻侵隱患。同時(shí)我國各個(gè)地方的自然環(huán)境相差很大，會(huì)出現(xiàn)大量的生物破壞情況。為了塑料管道的安全運(yùn)行，應(yīng)借鑒其他經(jīng)驗(yàn)，有針對性地制定預(yù)防措施，不斷完善塑料管道的設(shè)計(jì)、事故維護(hù)的方案和措施。

2.4 老化等其他方面

塑料管材屬于高分子材料，在服役過程中材料老化劣化不可避免，除自身的老化外，在各種復(fù)雜的工況下(如濕、熱、光、氣、微生物等)工作，進(jìn)一步加速了其老化過程，老化與服役環(huán)境密切相關(guān)，對于金屬壓力管道腐蝕是損傷失效的一個(gè)重要原因，腐蝕與介質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)。我國已經(jīng)提出了一套比較完整的，適合我國金屬承壓設(shè)備現(xiàn)狀的損傷模式和識別方法，包括損傷模式和失效機(jī)理的理論描述、形態(tài)、影響因素、敏感材料、可能發(fā)生失效的設(shè)備或構(gòu)件、檢測方法等，頒布了GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識別》，該標(biāo)準(zhǔn)在對相關(guān)文獻(xiàn)的全面分析和凝練的基礎(chǔ)上將我國承壓設(shè)備的損傷模式分為5大類、73種，其中腐蝕減薄25種、環(huán)境開裂13種、材質(zhì)劣化15種、機(jī)械損傷11種、其他損傷9種。對塑料管道的損傷失效，特別是塑料管道老化壽命預(yù)測工作的理論都還不成熟[32-36]，方法還不完善，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上塑料管道的發(fā)展速度。

我國聚乙烯燃?xì)夤艿赖慕ㄔO(shè)始于20世紀(jì)80年代初期，第一條城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿烙?982年在上海建成，雖然起步較晚，但發(fā)展十分迅速，至今也有30多年的歷史。從圖4可以看出，現(xiàn)階段的很多塑料管道已經(jīng)進(jìn)入了老化事故的高發(fā)階段，應(yīng)對燃?xì)夤艿肋M(jìn)行全面的檢驗(yàn)，其中包括資料審查、宏觀檢查、開挖檢驗(yàn)以及相關(guān)的材料性能試驗(yàn)。

排查在用管道的安全隱患是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)，在用的塑料管材應(yīng)進(jìn)行全面檢查，要進(jìn)行常規(guī)的資料審查、日常巡線、宏觀檢查，包括對管道裸露情況、地面標(biāo)識、管線位置走向等檢測，也要進(jìn)行開挖檢驗(yàn)檢查、檢測管道埋深、土壤環(huán)境檢測、材料表面劃傷等，關(guān)注材料的性能變化，割取適量試樣，進(jìn)行性能試驗(yàn)，除按照GB 15558.1—2015《燃?xì)庥寐竦鼐垡蚁?PE)管道系統(tǒng)第1部分：管材》常規(guī)的液壓強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、熱穩(wěn)定性試驗(yàn)外，也應(yīng)進(jìn)行耐慢速裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，如缺口管(NPT)方法、賓夕法尼亞單邊缺口(PENT)方法、全缺口拉伸蠕變(FNCT)方法、缺口環(huán)(NRT)方法、應(yīng)變硬化模量(SH)和裂紋圓棒(CRB)等[37]，確保管道的安全運(yùn)行。管道鋪設(shè)環(huán)境復(fù)雜，管材品質(zhì)不一，在日常檢驗(yàn)中也應(yīng)注意相關(guān)資料的收集以及統(tǒng)計(jì)分析，對管材的承載能力和評估使用壽命，開展、積累相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的管道風(fēng)險(xiǎn)分析和管理措施工作提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。

3 結(jié)論

(1)第三方破壞是塑料管道失效的主要原因，加強(qiáng)管理部門、建設(shè)部門、施工單位等之間的協(xié)調(diào)、溝通對于減少該類事故發(fā)生至關(guān)重要；

(2)設(shè)計(jì)/施工/材料缺陷是塑料管道失效的另一個(gè)重要原因，不斷完善規(guī)范，嚴(yán)格把控各環(huán)節(jié)品質(zhì)，是從源頭上減少事故發(fā)生的有效措施；生物破壞需引起重視，這需要根據(jù)不同的地域環(huán)境特征，在設(shè)計(jì)、維護(hù)過程中有針對性地采取措施；

(3)老化劣化是引起塑料管道失效的一個(gè)重要因素，在塑料管道服役的整個(gè)周期內(nèi)，將老化因素納入管道安全可靠性評價(jià)和系統(tǒng)管理中，有助于減少或避免事故的發(fā)生；在塑料管道安全管理上，可借鑒金屬管道管理的部分成果及思路，結(jié)合自身的特點(diǎn)，從塑料管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)、監(jiān)控與管理等多個(gè)方面完善相應(yīng)的管理制度。

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