施建峰，胡安琪，鄭津洋*

（1. 浙江大學能源工程學院，杭州310027；2. 高壓過程裝備與安全教育部工程研究中心，杭州310027）

0 前言

塑料管道已成功應用60 多年，廣泛地應用于給水和燃氣管道系統(tǒng)中。2019 年，中國塑料制品行業(yè)營業(yè)收入19 077.5 億元，其中塑料板、管、型材占20.58%，利潤總額為244.5 億元，同比增長9.1 %［1］。根據(jù)“十三·五”報告，預計2020 年我國塑料管道產(chǎn)量將達到16 000 kt，塑料管道在各類管材市場中占比將超過55%［2］。塑料壓力管道所用材料主要為高密度聚乙烯（PE-HD）。與傳統(tǒng)的金屬管相比，PE-HD 管具有耐腐蝕、密度小、管壁光滑、連接方便等優(yōu)點，目前已經(jīng)廣泛應用于城市給水及燃氣供應系統(tǒng)［3］。

聚乙烯材料的性能取決于其結(jié)構(gòu)。20 世紀50 年代，第一代聚乙烯管材專用材料被研制出，這種材料耐慢速裂紋擴展（SCG）性能較差，高溫下較短的時間就會發(fā)生脆性破壞。第二代聚乙烯管材專用材料于70年代產(chǎn)生，與第一代相比材料耐SCG 性能提高，因此聚乙烯管的靜液壓性能有了較大的改善。第三代聚乙烯管材具有更高的耐SCG 性能和靜液壓強度，在80 ℃試驗周期內(nèi)不出現(xiàn)脆性破壞［4］。

國際上塑料管道從歐洲起步。1957 年，德國開發(fā)出PE-HD 管材專用料并開始用于給水領域，20世紀60年代末，英國燃氣公司將聚乙烯管用于燃氣領域［5］。歐洲通過塑料管道的長期使用經(jīng)驗和試驗研究數(shù)據(jù)，形成了較為完整的塑料壓力管道理論體系，并編制了ISO 標準［6］。我國目前塑料管道產(chǎn)品標準基本上與ISO 標準保持一致，體現(xiàn)了歐洲生產(chǎn)工藝路線和質(zhì)量保證體系的基本精神和要求，我國聚乙烯管的生產(chǎn)、檢測和質(zhì)量控制都沿用歐洲的技術(shù)路線［7］。

美國于1971 年研制出了中密度管材級聚乙烯原料，開始大規(guī)模應用于燃氣領域。美國聚乙烯管道應用于給水與燃氣領域的時間雖晚于歐洲，但未根據(jù)已有的ISO標準來制訂本國標準，而是不斷探索完善了自己的標準體系［5］。美國ASME 制定的壓力容器與管道規(guī)范被認為是世界上技術(shù)內(nèi)容最完整、應用最廣泛的規(guī)范［8］。ASTM標準規(guī)定了材料和產(chǎn)品的性能、試驗方法和程序等要求。PPI對PE-HD管道性能做了深入的研究，其提供的研究數(shù)據(jù)與報告是美國PE-HD管道標準的主要依據(jù)。目前ASTM 和ASME 分別在聚乙烯管道的材料、產(chǎn)品及具體工程領域的應用制定了多項標準，并正在著手建立統(tǒng)一的塑料管道標準體系。

目前PE-HD 管道領域ISO 標準與美國標準并存，某些國家甚至存在混用的現(xiàn)象。中國是PE-HD管道產(chǎn)量和使用量最大的國家，但是燃氣與給水用的PE-HD管道產(chǎn)品標準仍借鑒ISO標準。目前PE-HD管道國標大部分是直接翻譯ISO 的標準，并對部分內(nèi)容進行調(diào)整，沒有完備的獨立自主的PE-HD管道設計標準體系。設計要基于原材料性能，原材料的分級基于測試方法，例如產(chǎn)品標準GB 15558.1《燃氣用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)第1部分：管材》參考ISO 4437-2《燃氣聚乙烯管道系統(tǒng)第2部分：管材》，而原材料標準GB/T 18252《塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料管材以管材形式的長期靜液壓強度》參考ISO 9080《塑料管道系統(tǒng)用外推法確定熱塑性塑料材料以管材形式的長期靜液壓強度》等。標準體系的完善涉及到整個塑料管道產(chǎn)業(yè)鏈的價值分配，是當前PE-HD管道行業(yè)發(fā)展面臨的重大課題。

例如中國從美國西屋引入的世界上第一座AP1000 三代核電廠，完全采用美國的設計建造標準。該核電廠的各種冷卻水、廠用水系統(tǒng)中包含了大量耐腐蝕、抗震的塑料管道。如三門核電廠一期工程的重要廠用水系統(tǒng)采用的30 in DR9 PE-HD 管道，完全采用美國的塑料管道標準體系設計、制造、安裝。該管道為美國ISCO 公司生產(chǎn)后運送到中國進行安裝。但因美方也缺少相關檢驗標準，故業(yè)主委托浙江大學非金屬管道研究團隊對該管道進行無損安全評價［9］。未來如果要對該PE-HD 管道進行國產(chǎn)化，不僅需要將現(xiàn)有的公制模具尺寸均更改為英制尺寸，而且原材料需要根據(jù)美國材料分級的要求進行驗證，并且相關的測試設備、檢驗設備也需要重新配置或改造。這種為了適應某個國家重大工程的配套而單獨引入的新塑料管道標準體系，無疑會給中國塑料管道行業(yè)及相關生產(chǎn)企業(yè)帶來額外成本負擔。這不僅削弱了國產(chǎn)塑料管道的產(chǎn)品競爭力，甚至可能會對核電廠的長期運行的安全性帶來隱患。

與金屬管道相比，PE-HD管的耐腐蝕性能、耐溫度性能及長時蠕變性能不同，但管道總體的設計思想和制造要求應當相似。本文從金屬管道的設計方法出發(fā)，介紹了PE-HD 管道與金屬管道在設計方法上的區(qū)別與聯(lián)系，在此基礎上，系統(tǒng)對比了中國、歐洲與美國現(xiàn)行的市政、核電PE-HD 管道標準設計方法，特別是管材分級方法的區(qū)別，最后提出目前中國PE-HD 管道標準存在的問題與建議發(fā)展的方向。

1 PE-HD管與金屬管設計方法對比

1.1 失效模式

金屬管材失效模式主要為腐蝕引起的壁厚減?。?0］，設計壽命一般為10～30 年［11］。英國天然氣公司報道，由腐蝕引起的管道失效占40 %以上［12］；美國運輸安全局統(tǒng)計資料表明，由腐蝕引起的管道失效占43.6%［13］。

其中，xmin0為基年中25個城市該指標的最小值，xmax0為基年中該指標的最大值。如果某項數(shù)值小于基年的最小值，該項指標就會小于0。

PE-HD 管具有良好的抗腐蝕性能，設計壽命可達50 年以上。PE-HD 管在不同應力水平下會出現(xiàn)不同的失效模式，主要有以下3種：

（1）管材環(huán)向應力水平較高時，管壁最薄弱處由于局部屈服而發(fā)生韌性破壞，一般破壞持續(xù)時間較短［14］。

歐洲普遍使用ISO 標準系列，現(xiàn)行的PE-HD 管道產(chǎn)品標準有ISO 4427-2《給水和排水聚乙烯壓力管道系統(tǒng) 第2 部分：管材》和ISO 4437-2，管材長期強度確定方法的標準為ISO 9080。

（3）管材應力水平較低時，由于腐蝕、老化導致材料力學性能劣化而發(fā)生脆性破壞，這一過程一般遠超過50年［16］。

將PE-HD管材在靜液壓載荷下的環(huán)向應力和破壞時間表示在應力-時間對數(shù)圖中，如圖1所示。由3種失效模式組合的應力-時間關系曲線將應力-時間對數(shù)坐標系的第一象限劃分為兩個部分，并作為管材可服役區(qū)域（左下部分）的失效邊界。

圖1 PE-HD管材破壞形式與應力狀態(tài)的關系Fig.1 Relationship between failure mode and stress of PE-HD pipes

目前PE-HD 管道設計規(guī)范均以管材發(fā)生韌性破壞為基本失效模式，并以此作為設計依據(jù)，即壁厚設計針對于破壞發(fā)生在圖1 中折線的第一段。金屬管道與PE-HD管道的載荷分析和應力計算的區(qū)別在于：

（1）常溫服役狀態(tài)下，金屬材料強度幾乎不發(fā)生改變，而PE-HD 的強度會隨時間下降，管材的強度對數(shù)與服役時間對數(shù)呈近似線性關系［17-18］。

隨著近些年來機器學習技術(shù)的發(fā)展,機器學習中的分類方法已經(jīng)越來越多的被用于各種識別問題。常見的機器學習分類技術(shù)由兩部分組成:訓練階段和評估階段。訓練階段利用訓練集產(chǎn)生離線的分類模型,評估階段利用另外獨立的數(shù)據(jù)集進行性能評估。所以在進行分類識別之前,有必要將通過之前步驟制作的單步統(tǒng)計特征-速度數(shù)據(jù)集隨機劃分兩個相互獨立的數(shù)據(jù)集,按照機器學習中傳統(tǒng)的測試集-訓練集劃分方法,首先將其中80%劃分為訓練集,其余20%劃分為測試集。為了進一步的驗證識別方法的可靠性,進一步擴大測試集數(shù)量同時降低訓練集數(shù)量,將單步統(tǒng)計特征-速度數(shù)據(jù)集的70%劃分為訓練集,其余30%劃分為測試集進行識別性能驗證。

式中 σHDB——靜水設計基礎

PE-HD管與金屬管強度與壽命對比如圖2所示。金屬管道設計時管材厚度需要留有腐蝕裕量，保證管材在設計的服役周期中腐蝕導致的壁厚減薄不會使管材過薄而發(fā)生強度失效。PE-HD管道不需要考慮腐蝕因素，但許用應力的取值需要考慮服役時間對材料強度的影響。

圖2 PE-HD管與金屬管強度與壽命對比Fig.2 Comparison of strength and service life of PE-HD pipe and metal pipe

1.2 壁厚計算

1.2.1 金屬管材壁厚設計

在金屬管材標準中，壁厚設計公式均要考慮腐蝕裕量。如ASME ND 中規(guī)定金屬管材壁厚計算公式如式（1）所示，第一項為薄壁圓筒理論計算出所需的管材壁厚，第二項為腐蝕裕量。

式中 A——腐蝕與加工裕量，mm

D0——管材外徑，mm

d——管材內(nèi)徑，mm

PE-HD給水和燃氣管道常用PE3608和PE4710牌號的管材。PE3608材料要求23 ℃外推10×104h的平均環(huán)向強度與DF之積（即HDS）不小于800 psi（5.5 MPa）；PE4710 材料要求23 ℃外推10×104h 的平均環(huán)向強度與DF之積（即HDS）不小于1 000 psi（6.9 MPa）。耐SCG 性能方面，PE3608 要求材料在80 ℃、2.4 MPa 拉應力下進行PENT（Pennsylvania Notched Test）試驗，斷裂時間大于100 h；PE4710要求材料在80 ℃、2.4 MPa拉應力下進行PENT試驗斷裂時間大于500 h。

E——縱向焊縫接頭有效系數(shù)或鑄件質(zhì)量系數(shù)

P——設計內(nèi)壓，MPa

S——設計溫度下最大許用應力，MPa

軍隊是個鍛煉人的地方，大多士兵退役之后，憑借自己的奮斗取得事業(yè)成功，但并不是所有人都能得到很好的發(fā)展。謝清森告訴記者，離開部隊，很多士兵不能很好地適應新的生活、融入新的環(huán)境。

tm——最小壁厚，mm

1.2.2 PE-HD管材壁厚設計

PE-HD 作為一種黏彈性材料，其強度是關于時間的函數(shù)，管材壁厚的確定主要考慮材料在長期載荷作用下的強度。如ASTM D3035 規(guī)定PE-HD 管材壁厚計算公式如式（2）所示：

式中 D0——管材平均外徑，mm

P——壓力等級，MPa

S——23 ℃時的靜水設計壓力（HDS，Hydrostatic design stress），MPa

t——管材最小壁厚，mm

PE-HD管材的耐靜液壓性能反映了管材承受長期內(nèi)壓的能力。ISO 標準體系中用最小要求強度（MRS，Minimum required strength）表示管材的長期靜液壓強度，美國標準體系中用靜水設計基礎（HDB，Hydrostatic design basis）表示。如式（2）中的S 是由管材在長期靜液壓試驗數(shù)據(jù)得到的表征管材長期性能的強度，由HDB決定。

1.3 許用應力

1.3.1 金屬管材許用應力

其中，σb為材料抗拉強度下限值；σs為材料常溫屈服點；σts為材料在設計溫度下的屈服點；σtD為材料在設計溫度下經(jīng)10×104h 斷裂的持久強度的平均值；σtn為材料在設計溫度下經(jīng)10×104h 蠕變率為1 %的蠕變極限。

1.3.2 PE-HD管材許用應力

不同標準體系對于產(chǎn)品公差的要求不同，標準中的設計系數(shù)取值也不同，不能直接比較兩種標準體系設計出的管道風險程度大小。ISO 標準中C 的取值與材料牌號無關；而美國標準中DF的取值與材料牌號有關，相同的使用工況下不同材料牌號對應的DF值可能不同。

一種是美國標準體系使用的HDB 表示法。HDS相當于金屬管材的許用應力，HDB 相當于金屬管材的持久強度，DF相當于金屬管材持久強度對應的設計系數(shù)。HDS與HDB的關系如式（3）所示：

（2）由于腐蝕，金屬管材壁厚會因腐蝕而隨時間逐漸減??；而PE-HD服役過程中壁厚幾乎不變。

DF——服役（設計）系數(shù)

σHDS——靜水設計壓力

提到馬賽克嵌花藝術(shù)，人們就會聯(lián)想到斑駁陸離的瀲滟光影和美輪美奐的視覺效果，至臻至精的工藝將斑斕多彩的拼貼元素渲染成極致唯美的迷人圖案。愛馬仕從Florence Manlik于2018年設計的2018款“Robedu Soir”絲巾汲取靈感，以2,200塊纖幼細小的皮革方片在41毫米表徑的Arceau腕表中拼嵌出駿馬的側(cè)面剪影。

另一種是歐洲（ISO標準）和我國（GB標準）在使用的MRS 表示法。σD相當于金屬管材的許用應力，MRS相當于金屬管材的持久強度，C相當于金屬管材持久強度對應的安全系數(shù)。σD與MRS的關系如式（4）所示：

式中 σMRS——最小要求強度

C——總體使用（設計）系數(shù)

σD——設計應力

1.4 金屬管與PE-HD管壁厚設計方法的聯(lián)系與區(qū)別

D——外徑，mm

綜合而言,通過對婦產(chǎn)科護理工作中存在的相關風險因素進行分析,并根據(jù)分析結(jié)果實施有效地改進措施后,不僅減少醫(yī)院感染等不良癥狀的發(fā)生,還提高了婦產(chǎn)科的整體護理質(zhì)量以及護理效果,同時提高了患者對護理的滿意度,為我院樹立了良好的形象。

PE-HD管道的連接方式主要有電熔連接和熱熔連接兩種。電熔連接的管件對管道起增強作用，從強度上不需要考慮接頭折減系數(shù)。熱熔對接接頭如同金屬管道的環(huán)向焊縫，與軸向焊縫相比，其對管道整體強度的影響較??；并且熱熔對接是同種材料直接熔接，沒有引入異種材料，焊接產(chǎn)生的卷邊也對管道起到壁厚增厚的作用，因而一般也不考慮熱熔接頭的性能折減［20］。金屬管材和PE-HD 管材壁厚設計考慮的因素如表1所示。

表1 金屬管材與PE-HD管材壁厚設計影響因素對比Tab.1 Comparison of influencing factors of wall thickness design of metal pipes and PE-HD pipes

2 中、美、歐PE-HD管道標準比較

2.1 標準體系介紹

（2）管材環(huán)向應力為中等應力水平時，破壞模式為準脆性破壞，破壞機理為SCG，破壞時間較長［15］。

中國GB 標準主要參考ISO 系列標準，如給水用PE-HD 管道產(chǎn)品標準為GB/T 13663.2《給水用聚乙烯（PE）管道系統(tǒng)第2部分：管材》，燃氣用PE-HD管道產(chǎn)品標準為GB 15558.1，管材長期強度標準為GB 18252等。施工標準方面，中國在金屬管標準的基礎上制定了埋地PE-HD管施工規(guī)范CJJ 101《埋地聚乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》和CJJ 63《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)標準》，其中規(guī)定了PE-HD 管道系統(tǒng)在材料、施工、水壓試驗、驗收等方面的要求。

美國PE-HD 管道產(chǎn)品標準有ASTM D3035《以受控外徑為基準的聚乙烯（PE）塑料管（DR-PR）的標準規(guī)范》、ASTM F714《依據(jù)外徑的聚乙烯（PE）塑料管（SDR-PR）的標準規(guī)范》和ASTM F2619《高密度聚乙烯（PE）管道的標準規(guī)范》等。適用于PE-HD管道的設計規(guī)范有ASME NM. 1《熱塑性塑料管道系統(tǒng)》和ASME NM.3《非金屬材料》，其中規(guī)定了使用熱塑性塑料管材和管件的要求。此外還針對核安全級PE-HD管道制定了專用的標準規(guī)范案例N-755《核3 級聚乙烯（PE）塑料管道》和ASME BPVC.III.A-XXVI《核3 級埋地聚乙烯壓力管道施工規(guī)則》。

水稻在生長期間易感染白葉枯病，使稻谷不飽滿，直接影響大米質(zhì)量。水稻感染白葉枯病會出現(xiàn)葉片枯萎的情況發(fā)生，由此可以看出，白葉枯病的感染部位主要是在葉部，如果根莖葉出現(xiàn)了破損，病毒會從破損處對水稻造成破壞。除此之外，白葉枯病有較為頑強的生命力與破壞力，有較強的耐低溫能力，溫度適宜時會通過風雨實施傳播，降雨量增大或者長期深水灌溉時會提高發(fā)病率。

中國、歐洲、美國主要使用的PE-HD 管道產(chǎn)品標準和設計規(guī)范如表2所示。

2.2 設計方法對比

目前PE-HD 管道標準主要有ISO 和美國兩套標準體系。中國PE-HD 管道標準的GB 系列主要參考ISO 系列標準，設計思想相同，可以歸為同一類標準體系。美國的ASME、ASTM、PPI 規(guī)范是一套獨立完整的標準體系。兩系統(tǒng)都使用薄壁圓筒壓力容器方程來表示管道內(nèi)壓與設計應力的關系，如式（5）所示：

式中 ST——給定溫度T下的設計應力，MPa

PT——給定溫度T下的壓力，MPa

金屬管道遵循壓力容器的設計思想，需要考慮壁厚腐蝕減薄；PE-HD 管的設計主要考慮管材韌性失效，其壁厚計算公式形式上與圓筒壓力容器中徑公式相似，且不需要考慮腐蝕。金屬管道可能存在軸向或環(huán)向的焊縫，設計公式中需要考慮焊縫系數(shù)；而PE-HD 管的生產(chǎn)方式為擠出成型，管材上不會有軸向焊縫，設計公式中不需要考慮焊縫系數(shù)。

根據(jù)徑厚比（外徑/壁厚，DR），可對式（5）進行重新排列和簡化，得到更熟悉的式（6），該公式在塑料管行業(yè)中得到了廣泛的應用。

第三、明代以來國家賦稅的征銀制度與白銀貨幣化，使得社會對白銀需求大幅度增加，進而促成全社會狂熱的拜銀風潮。白銀即財富，閩東白銀大量開采，導致白銀文化的形成，進而引起人們思想觀念上的大波動，推動閩東鄉(xiāng)村社會民俗的變遷，拜銀思想融入人們的生產(chǎn)和生活之中，同時，又反過來指導人們的生產(chǎn)和生活，如推動該地文化的發(fā)展，促進海外貿(mào)易的發(fā)展，亦促進白銀生產(chǎn)技術(shù)的提高等。

表2 中國、歐洲、美國主要PE-HD產(chǎn)品標準和設計規(guī)范Tab.2 Common PE-HD products and design standards in China，Europe and America

式中 PT——給定溫度T下的壓力等級，MPa

DF——服從ASMT F714 給水管服役（設計）系數(shù)，小于1

觀察組患者的焦慮評分以及睡眠質(zhì)量改善情況均優(yōu)于對照組患者，組間差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表1。

σHDB——HDB，給定溫度T 下的靜水設計基礎，MPa

ISO 標準和美國標準體系中壓力設計公式的計算原理與表現(xiàn)形式是相似的，其主要差異來自管材的許用應力選取，其本質(zhì)上是HDB 和MRS 的物理意義和測試方法不同。兩個標準體系對PE-HD 材料長期強度的定義以及設計系數(shù)的確定方式不同，導致兩個標準體系PE-HD材料的分級方法不同。

中國的GB 系列PE-HD 管道標準是等效參考ISO系列標準，設計思想和設計方法相同，是針對PE-HD管材的產(chǎn)品標準。中國CJJ 63 和CJJ 101 標準是較為獨立的施工標準，在設計系數(shù)和設計壓力的取值等方面參考金屬管道標準GB 50013和GB 50332，壁厚設計方法參考GB 系列管道產(chǎn)品標準。CJJ 63 和CJJ 101 作為行業(yè)施工標準，更多考慮了施工過程中環(huán)境的影響，以及實際服役中瞬態(tài)壓力可能超過設計壓力的情況，設計系數(shù)的取值大于GB系列產(chǎn)品標準。

2.3 PE-HD材料分級方法

ISO標準體系根據(jù)長期靜液壓強度對PE-HD管材進行分級，材料牌號分級數(shù)為管材的MRS 乘以10 的值。ISO 標準體系中常用的牌號有PE80 和PE100。PE80材料的耐快速裂紋性能要求為公稱直徑250 mm、SDR11 的管材在0.8 MPa 內(nèi)壓下裂紋終止擴展；PE100材料的耐快速裂紋性能要求為公稱直徑250 mm、SDR11 的管材在1.0 MPa 內(nèi)壓下裂紋終止擴展。PE80 材料的耐SCG 性能要求為公稱直徑110 mm、SDR11的管材在80 ℃、0.8 MPa水壓下保持500 h無破壞無滲漏；PE100 材料的耐SCG 性能要求為公稱直徑110 mm、SDR11 的管材在80 ℃、0.92 MPa 水壓下保持500 h無破壞無滲漏。

美國對PE-HD管材有原料分級和管材分級兩種牌號。PE-HD的原料分級比較詳盡，根據(jù)ASTM D3350，PE-HD原料分級命名中包括7個物理性能，依次為原料的密度、熔體流動速率、彈性模量、屈服強度、SCG性能、23 ℃的HDB、顏色和紫外線穩(wěn)定劑，其中前6個指標以數(shù)字表示，最后1個指標以字母表示［22］。管材牌號分級主要規(guī)定密度、耐SCG 性能和長期靜液壓強度3 個指標，由PE加4位數(shù)組成。前2位數(shù)字為材料分級中的密度和耐SCG 性能，最后的2 位數(shù)字表示23 ℃的HDS。相同管材牌號的管材可能由不同的PE-HD 原料制成，如PE4710管材的原料可能為445474C或445574C等。

集中備件儲備庫的建成大大縮短了緊急狀態(tài)下備件的供貨周期，動葉片鍛坯由90天縮短為25天，可以全面滿足用戶配件保供的需求。長期以來，渤海裝備與國內(nèi)多家大型鋼廠如寶鋼、撫鋼等簽署了采購框架協(xié)議，與國外輪盤制造企業(yè)也保持著良好的合作關系，強有力的保證了煙氣輪機制造用特種材料的品質(zhì)和工期。借助近兩年來在煙氣輪機總成項目上的經(jīng)驗積累，渤海裝備還與相關合作商建立了完備的保供機制，在用戶急需、急件保供方面提供充足保障。

在ISO 標準體系下被指定為PE80 的管材，在美國標準體系中可能達到PE3608 的性能要求；在ISO 標準體系下被指定為PE100 的管材料，在美國標準體系中可能達到PE4710 的性能要求。兩種標準體系對于材料抵抗韌性破壞和脆性破壞的性能如表3所示。

表3 ISO和美國標準體系對不同牌號材料性能的規(guī)定Tab.3 Material performance requirements in ISO and American standards

ISO標準體系中對管材的短時強度、長時強度、耐快速裂紋擴展性能和耐SCG性能4個方面的力學性能指標給出最低值限制，PE100和PE80的力學性能要求如圖3所示。這四方面力學性能并非獨立的，而是存在某些內(nèi)部相關性。美國標準體系中對管材的短時強度、長時強度和耐SCG性能3個方面的力學性能指標給出最低值限制，PE4710和PE3608的力學性能要求如圖4所示。2種標準體系對于材料長期強度和抗SCG性能的測試方法不同，無法直接比較那種方法對材料的要求更加嚴格。

Electric Field Distribution of AC Transmission Lines Considering Vertical Sag GUO Linxia,GONG Youjun(103)

圖3 ISO標準體系常用PE-HD管材牌號性能要求示意圖Fig.3 Schematic diagram of performance requirements of commonly used PE-HD pipes in ISO standard system

2.4 長期強度確定方法

圖4 美國標準體系常用PE-HD管材牌號性能要求示意圖Fig.4 Schematic diagram of performance requirements of commonly used PE-HD pipes in American standard system

PE-HD 管材的破壞與溫度、載荷大小和載荷持續(xù)時間有關，工作壓力增加或工作溫度增加都會導致管材破壞時間減少，即管材的使用壽命縮短。PE-HD 管道一般需要50 年或以上的使用壽命，目前標準通過較短時間的試驗來外推幾十年甚至100 年使用時間下管材耐受靜液壓的能力。ISO 和美國兩個標準體系對于PE-HD 管道長期強度的預測方法相似，均通過靜液壓試驗對管材長期靜水強度進行預測，但兩種方法的理論基礎略有不同。ISO 9080 中規(guī)定，管材最長的靜液壓試驗至少持續(xù)9 000 h，管材破壞時的環(huán)向應力與破壞時間數(shù)據(jù)使用多元線性回歸方法，通過對50 年（438 000 h）長期靜液壓強度的97.5 %的置信下限進行歸類并依此確定材料的MRS 值。而在ASTM D2837 標準中，管材最長的靜液壓試驗至少持續(xù)10 000 h，外推得到100 000 h（約11.4 年）的平均長期靜液壓強度，歸類以確定HDB 值。ASTM D2837中規(guī)定，每種溫度應獨立評估，因而其線性回歸模型中沒有溫度變量。而ISO 9080中可由高溫試驗結(jié)果外推低溫 數(shù)據(jù)。上述兩種方法的主要不同之處如表4所示。

1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)的更新，以1∶50 000 DLG數(shù)據(jù)庫為基礎，參考交通資料、地理國情監(jiān)測成果資料，對1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)庫中的交通、居民地、境界、地名、水系要素進行更新。

表4 ISO體系與ASTM 體系管材長期靜水強度預測方法對比［22］Tab.4 Comparison of long-term hydrostatic strength prediction methods of pipelines in ISO and ASTM standards

ISO標準體系規(guī)定PE-HD管道在水或空氣的測試環(huán)境中，環(huán)境溫度為20°C的情況下，根據(jù)能夠承受50年的應力預測下限（在97.5 %的概率水平）為預測破壞極限（σLPL）。根據(jù)σLPL范圍按照ISO 12162 確定MRS分級，最終確定管道的牌號分類，如表5 所示。從ISO標準體系的PE-HD 管道牌號看，只能體現(xiàn)管材的長期靜液壓強度。

表5 ISO 12162中20 ℃下MRS和牌號分級Tab.5 MRS classification at 20℃in ISO 12162

美國標準ASTM D2837 在方法上與ISO 9080 和ISO 12162 相似，都是對管材試樣進行長期靜液壓試驗，特定溫度下100 000 h（11.4 年）的平均破壞應力定義為長期靜水強度（LTHS），按照ASTM D2837 確定HDB等級，如表6所示。

表6 ASTM D2837中HDB分級Tab.6 HDB classification in ASTM D2837

ISO 9080 和ASTM 2837 對于長期靜液壓強度預測的本質(zhì)區(qū)別是，ISO 標準預測的是管道50 年置信度為97.5%的靜液壓強度，其預測值本身已考慮了材料長時性能的不確定性（包括測試方法的不確定性）；ASTM 預測的是管道11.4 年的平均靜液壓強度，其預測結(jié)果僅僅表示長時性能的期望值，而不包含材料本身不確定性的影響。因而對于同一種材料，采用ISO標準得到的MRS 值會明顯低于通過ASTM 標準測得的HDB。以此為基礎計算管材許用應力，ASTM 標準需要比ISO 標準多考慮材料不確定性的影響，因而ASTM 標準中等效的總體使用（設計）系數(shù)（1/DF）通常要大于ISO標準規(guī)定的總體使用系數(shù)（C）。

根據(jù)PPI TR-3 DF取0.63，根據(jù)式（3）可由HDB計算HDS。PE3608、PE3708、PE4608等牌號材料最后兩位“08”表示HDS 分級為800 psi（5.5 MPa）。PE3710、PE4710 等牌號材料最后兩位“10”表示HDS 分級為1 000 psi（6.9 MPa）。

2.5 其他區(qū)別

由ISO 標準體系定義的PE100 管材與美國標準定義的PE4710 管材，按照各自設計規(guī)范中的壓力公式計算出額定壓力等級不同。ISO 標準采用公制尺寸，美國標準采用英制尺寸，兩體系PE-HD 管道的標準管材外徑和壁厚均不同。同一種材料同時滿足PE100 和PE4710要求時，ISO體系計算出的管道許用壓力較高。因而當按照ISO 標準體系設計生產(chǎn)的PE-HD 管道按照美國標準體系進行測試時，可能無法通過，但這并不意味著美國標準體系設計的PE-HD 管比ISO 體系的更加安全。公英制管道的轉(zhuǎn)換一般需要重新進行設計，以滿足對應的標準體系的設計和測試要求。

作為同種材料生產(chǎn)而成的PE-HD 管，材料本身的力學行為是相同的，但是使用不同標準體系進行評估得到的長期性能會有所不同，相差4 %～5 %［24］。PE100 與PE4710 管道性能要求相似，在一定條件下可以實現(xiàn)互換，目前大部分PE100 或PE4710 管道可以同時滿足兩個標準體系的要求。

PE-HD 管材的強度表示方法，目前主要分為2種［17-18］。

2.6 設計舉例

2.6.1 算例1

譚剛[1]系統(tǒng)地總結(jié)了當前海上風電工程領域用來評估風機基礎疲勞強度的主流方法，提到波浪理論和疲勞損傷理論等因素都影響疲勞損傷的計算精度，同時由于材料特性和風浪聯(lián)合模型的不確定性，引入了疲勞可靠性概念。

根據(jù)套管結(jié)構(gòu)分類，可分為電容性和純瓷兩種類型，電容性套管重點需要關注電容層的性能，包括電容量和介損，避免由于運行期間其內(nèi)部持續(xù)的局部放電或過熱導致電容失效；對于純瓷型套管而言，在運行期間則需要重點關注其機械性的損傷，機械性的損傷同樣會對其絕緣性能造成影響，進而產(chǎn)生嚴重后果。

對于同種管材，不同使用場合下允許使用的最大壓力不同；對于相同的使用場合，由于不同國家不同標準中的設計方法和設計系數(shù)不同，采用不同的標準計算得到的最大許用壓力也不同。

由式（7）和（8）可以計算管材的設計壓力，設計壓力只與管材的徑厚比（DR）、材料的長期強度（MRS、HDB）以及設計系數(shù)（C、DF）有關。假設某管材同時滿足PE100 和PE4710 牌號要求，徑厚比DR=11。在不同使用場合、不同介質(zhì)條件下，根據(jù)不同標準計算出的設計壓力如表7所示。

表7 不同標準允許的設計壓力Tab.7 Allowable design pressure according to different standards

對于同一種材料的管道，不論用哪種設計方法，材料本身的力學行為是相同的。不同標準中對于材料評級時測試的力學性能不同，測試方法不同，參數(shù)要求不同，導致PE100 和PE4710 材料本身的不確定度不同，因此設計中所取的設計系數(shù)也不同，計算對應的設計壓力不同。如市政給水PE-HD 管道，ISO 4437-2 中規(guī)定材料的總體使用（設計）系數(shù)C 為1.25，材料環(huán)向強度以MRS 表示，為10 MPa，則管材環(huán)向許用應力為8 MPa，設計壓力為1.6 MPa。而若根據(jù)ASTM D3035，服役（設計）系數(shù)DF為0.63，材料環(huán)向強度以HDB 表示，為1 600 psi（11.03 MPa），則環(huán)向許用應力為6.95 MPa，設計壓力為1.38 MPa。

PE100牌號管材的MRS為10 MPa，指材料的長期環(huán)向強度為10 MPa，對于不同使用場合和介質(zhì)，泄漏的風險程度和危害程度不同，所取的設計系數(shù)不同，導致設計壓力有所區(qū)別。PE4710 材料的HDS 為1 000 psi（6.9 MPa），指材料的長期環(huán)向許用應力為1 000 psi（6.9 MPa），其中已經(jīng)包含了各種影響因素共同作用下的設計系數(shù)，即美國標準體系中的PE-HD 材料分級已經(jīng)考慮管材的使用場合和介質(zhì)。兩種標準體系沒有辦法直接比較哪種更加保守。

2.6.2 算例2

假設某類管材同時滿足PE100 和PE4710 牌號要求，需要外徑110 mm 左右的管道，使用在工作壓力0.7 MPa、設計溫度23 ℃的工況下，設計壽命為50 年。根據(jù)不同標準選取所需的管材規(guī)格如表8所示。

表8 不同標準選取的管道規(guī)格Tab.8 Pipe parameters from different standards

ISO 標準體系使用公制單位，美國標準體系使用英制單位，并且壁厚系列也不完全相同。由于管材的規(guī)格必須按照產(chǎn)品標準選取相應尺寸系列的壁厚，選取的壁厚一般會大于計算得到的最小壁厚。相同的壓力和溫度要求下，即使計算壁厚值接近，由于標準中給定的壁厚系列各不相同，選取的壁厚值也可能相差較大。如PE4710 燃氣管道，計算得最大徑厚比為20.9，根據(jù)標準可選擇DR19 系列管材。而對于PE100 燃氣管道，計算得最大徑厚比為15.3，根據(jù)ISO 4437-2可選擇SDR13.6系列的管材，但根據(jù)GB 15558.1只能選用SDR11系列管材，導致安全裕量較大，存在一定程度的材料浪費。

3 中國PE-HD管材標準存在的問題

3.1 標準制定更新滯后

我國現(xiàn)行的市政用PE-HD 管道GB 系列產(chǎn)品標準主要參考ISO 體系標準，有些標準參考的是十年前甚至更早的ISO 標準，而對應的ISO 標準有些已經(jīng)被新標準替換，如表9 所示。我國PE-HD 管道GB 系列產(chǎn)品標準相對來說修訂滯后。

表9 PE-HD管道GB和ISO標準現(xiàn)狀對照Tab.9 Comparison of current status of GB and ISO standards for PE-HD piping

我國應當加快緊缺、老化標準的研制和更新力度。建議對早于10 年前頒布實施的標準進行篩查，廢止較老舊的標準，以及部分沖突和重復的標準。

3.2 標準體系不夠完善

我國現(xiàn)行的PE-HD 管道產(chǎn)品標準和施工標準對PE-HD管道生產(chǎn)加工和產(chǎn)品檢驗方面做出了規(guī)定。這些標準主要制定單位來自上游的管材原材料供應商和管材生產(chǎn)企業(yè)，缺少對使用單位等下游用戶訴求的體現(xiàn)。相比于美國的ASME NM. 1-2018 和ASME NM.3-2018，我國缺少系統(tǒng)的PE-HD 管設計規(guī)范，也沒有完整的標準體系框架，這導致標準的研制缺乏計劃性和科學性。另一方面，標準歸口管理機構(gòu)較多，相互之間協(xié)調(diào)推進機制不完善，造成目前PE-HD 管道標準體系中存在互相沖突、互相交叉等問題［25］。設計方可以通過設計規(guī)范，結(jié)合實際不同工況條件設計需要的管材尺寸，再根據(jù)產(chǎn)品標準選擇適合的管材規(guī)格。

產(chǎn)品標準主要面向?qū)ο鬄镻E-HD 管道的制造商，其適用于管材產(chǎn)品的加工和制造，用于規(guī)范產(chǎn)品的尺寸和質(zhì)量。PE-HD管道系統(tǒng)的設計要求與金屬管道有很大不同，起初設計者曾嘗試使用金屬管道標準解決PE-HD管道材料的使用問題，但行業(yè)經(jīng)驗表明，金屬管道標準無法解決PE-HD 管道的適用范圍、設計、材料、制造、安裝、焊接等問題［26］。

目前PE-HD 管主要應用于燃氣和給水領域，已有對應的標準。近年來核電廠也開始采用PE-HD 管道，而我國目前沒有適用于核安全級的PE-HD 管道標準。對于設計規(guī)范而言，不論用于燃氣、給水還是核電冷卻水，設計方法應當是相同的。對于不同使用場合下載荷情況的區(qū)別、不同安全級別對于失效概率要求的區(qū)別、不同介質(zhì)泄漏危害的區(qū)別等，應當考慮不同的設計系數(shù)［27］。

我國PE-HD 管道標準體系的建設應按照目標明確、全面成套、層次分明、劃分清晰的原則進行，形成一個科學系統(tǒng)的整體［25］。設計規(guī)范面向服役工況，計算和設計不同工況下所需的管道壁厚和管件結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品標準面向制造商，應規(guī)定PE-HD 管道的尺寸規(guī)格和公差、加工方法和測試要求等。施工標準面向現(xiàn)場施工人員，應規(guī)定實際安裝過程中的操作方法。

3.3 對塑料管道行業(yè)的影響

ISO 標準體系使用公制單位，美國標準體系采用英制單位。管材生產(chǎn)的尺寸規(guī)格按照優(yōu)先數(shù)取值，兩種標準體系中的管材尺寸系列完全不同。這意味著生產(chǎn)不同標準體系管材使用的擠出機模具不能通用，需要針對不同直徑規(guī)格的管材配備對應尺寸的模具。連接管材所用的管件需要與管材尺寸匹配，按照不同標準體系生產(chǎn)管件的模具規(guī)格也不同。

PE-HD管道產(chǎn)品標準和施工標準中對設計系數(shù)的規(guī)定不統(tǒng)一，不同用途的管道有不同的設計系數(shù)，施工中為了安全一般選擇較為保守的設計系數(shù)，使得最終管道用戶的使用壓力一般處于較低水平。以PE100，SDR11燃氣PE-HD管為例，按照屈服強度25 MPa計算，短時爆破壓力5 MPa；50 年預測MRS 為10 MPa，對應內(nèi)壓為2 MPa。按照產(chǎn)品標準GB 15558.1取C=2，最大使用壓力1.0 MPa；按照施工標準CJJ 63 取C=2.5，最大使用壓力0.8 MPa。而實際工程中天然氣管道工作壓力約0.3～0.4 MPa。燃氣管道一層一層的強度余量保留，造成了聚乙烯管材的性能過剩和材料浪費，如圖5所示。

圖5 PE100 SDR11管材強度與壓力對比Fig.5 Comparison of PE100 SDR11 pipe strength and pressure

ISO標準體系和美國體系中對于PE-HD管材外徑和壁厚的尺寸公差要求不同，從數(shù)值上看ISO 標準體系中對于壁厚公差限制更嚴格一些。對于管材生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)ISO標準體系管材對設備精度要求更高。

ISO和美國標準體系對PE-HD管材的分級依據(jù)不同，同一種原材料生產(chǎn)的管材會被定義為不同的牌號，根據(jù)各自標準體系的壓力計算公式得到不同的設計壓力。實際應用到市政領域中會出現(xiàn)相同材料的管道依據(jù)不同標準設計安裝時，具有不同的工作壓力的情況。

3.4 不同標準體系共存

我國目前PE-HD 管道產(chǎn)品生產(chǎn)、檢驗等標準遵循ISO 標準體系的方法和思想，但是對于ISO 標準沒有涉及到的領域，如核電廠安全相關PE-HD 管道，只能按照美國標準體系進行設計和選型。同時兼顧兩套標準體系的要求必然會造成成本的增加，但是兩套標準對管材的生產(chǎn)加工到設計計算都有完全不同的要求。因此我國需要發(fā)展獨立自主的標準體系，為核電廠PEHD管道國產(chǎn)化提供設計基礎。

核安全級設備的要求較高，對聚乙烯管道的技術(shù)和質(zhì)量要求較為嚴格。目前ASME的核電聚乙烯管標準已經(jīng)較為完整，N-755和ASME BPVC.III.A-XXVI規(guī)定只許使用PE4710 牌號的管道，但并不是所有PE100的管材都符合PE4710 的性能要求，這會給如中國這樣采用ISO標準體系的國家?guī)眍~外的障礙或負擔［28］。

本文對比不同的核電管道設計規(guī)范發(fā)現(xiàn)，各標準的設計原理與思路相似，管材壁厚設計公式相似。我國若編制獨立自主的PE-HD 管道設計規(guī)范，不應當完全采用ISO 或美國的標準條款，應根據(jù)我國現(xiàn)有的材料標準、產(chǎn)品標準、檢驗標準、制造水平等配套地編寫適用于我國國情的標準［29］。制定合理的設計方法關鍵在于結(jié)合PE-HD 材料的長期強度制定合理的設計系數(shù)的取值方法，需要在研究ISO 和美國標準體系中設計系數(shù)的取值方式的基礎上，根據(jù)材料和系統(tǒng)的失效概率、失效后果、載荷情況研究確定相應的設計系數(shù)。

3.5 中國標準體系發(fā)展建議

完整的PE-HD 管道標準體系應包括材料標準、產(chǎn)品標準、設計規(guī)范、施工標準和檢驗檢測標準等，各標準應相互協(xié)調(diào)配合，完整覆蓋PE-HD 管道從生產(chǎn)加工到服役使用的全過程。同時應明確各類標準的適用范圍，明確目標，劃分清晰，避免出現(xiàn)交叉重疊。

材料標準應包括原材料性能的測試方法，解決原材料認證和供應問題，支撐國產(chǎn)材料的發(fā)展，我國已有標準GB/T 18252 等。產(chǎn)品標準應能夠確保聚乙烯管道從原材料經(jīng)過制造，仍保留了原材料性能要求，并能根據(jù)不同的設計壓力確定產(chǎn)品規(guī)格，我國已有標準GB 15558.1 和GB/T 13663.2 等。設計規(guī)范應針對載荷（溫度/壓力等載荷）、環(huán)境（介質(zhì)）等因素進行設計，滿足服役條件。應使設計者能夠根據(jù)設計工況條件和具體使用時的安全性、可靠性要求，依據(jù)標準可以確定合適的管材規(guī)格。目前我國沒有單獨的設計規(guī)范，可以研究參考美國標準ASME NM.3.1，對不同載荷引起的管道最大應力進行限制，考慮溫度循環(huán)引起的疲勞等。施工標準是施工過程中應遵守的規(guī)范，在管道連接和敷設過程中考慮環(huán)境和操作條件的限制和影響，確保工程質(zhì)量和安全供給，我國已有標準CJJ 63 和CJJ 101 等。檢驗檢測標準應包含無損檢測的方法、要求以及相關的安全評定方法等，我國已制定標準GB/T 29461和GB/T 29460等。

目前，我國PE-HD 管道各類標準中存在交叉、重疊甚至矛盾的問題。如PE-HD燃氣管道GB 15558.1、2 系列產(chǎn)品標準參考ISO 4437-1、-2、-3 系列標準，其中對PE-HD 管道壁厚設計公式中已經(jīng)定義了C 的最小值可取2.0，而施工標準CJJ 63中將C 的最小值提高到2.5。GB 15558中只給出了C的最小值，沒有明確說明C 取值所考慮的影響因素，例如載荷不確定度、材料不確定度、環(huán)境因素以及失效后果等的影響。CJJ 63 根據(jù)不同的燃氣種類，給出了天然氣、液化石油氣和人工煤氣的C 值范圍，但是對于載荷和材料的不確定度等因素對C 取值的影響，沒有明確的說明。建議標準中明確列出C 的取值方法和依據(jù)，使設計者能夠根據(jù)載荷情況和安全等級判斷所需的安全裕量，在設計或施工中選擇合理的設計系數(shù)，減少生產(chǎn)成本。

標準中應考慮PE-HD 材料的力學特性。如CJJ 101-2016中設計壓力采用l.5倍工作壓力是考慮運行中水錘殘余壓力增大確定的，是為了保證使用期間出現(xiàn)短時的超過工作壓力的內(nèi)壓載荷時管材仍可以承受。對于長期強度和短期強度接近的金屬材料，由于短期出現(xiàn)的超過工作壓力的載荷形成的應力更大，將1.5倍工作壓力作為設計壓力的規(guī)定對于金屬管道是科學的。而聚乙烯是黏彈性材料，長期強度和短期強度相差很大，對于長期載荷和短期載荷應該分開校核，如ASME BPVC.III.A-XXVI-2019 中列出了不同作用時間情況下，材料強度和模量的取值，以及對應的校核公式。

PE-HD 管道標準體系中，不同標準之間可以相互配合與協(xié)調(diào)。如CJJ 33《城鎮(zhèn)燃氣輸配工程施工及驗收規(guī)范》規(guī)定，當無損檢測比例為100 %時，管道設計的焊縫系數(shù)為1。無損檢測通過獲取管道更多信息，減小管道系統(tǒng)運行服役的不確定性，降低設計安全系數(shù)，從而提高管道的經(jīng)濟性和可靠性。

完善PE-HD 管道標準體系應充分發(fā)揮現(xiàn)有優(yōu)勢。我國PE-HD 管道電熔接頭無損檢測與安全評定技術(shù)標準處于國際領先水平。如GB/T 29461《聚乙烯管道電熔接頭超聲檢測》，相比ASTM 標準，除了給出常規(guī)的檢測工藝與程序要求，還包含了冷焊缺陷的檢測方法，并且給出各類典型缺陷的超聲圖譜對照圖，更加便于檢測人員實施。

在追蹤國外標準更新動態(tài)的同時，加大科研投入，結(jié)合我國標準實施情況以及產(chǎn)品應用技術(shù)的實踐經(jīng)驗，發(fā)揮現(xiàn)有優(yōu)勢，在現(xiàn)行PE-HD 管道相關技術(shù)標準的基礎上，提出適合我國的完整完善的標準體系，解決目前我國標準中存在的部分技術(shù)要求規(guī)定不明確和相關標準間沖突等問題。

4 結(jié)語

PE-HD材料與金屬材料相比具有耐腐蝕、密度小、壽命長等優(yōu)勢，廣泛應用于給水和燃氣等領域。PEHD 管道的壁厚設計主要考慮材料強度隨時間的下降，而金屬管道的壁厚設計主要考慮材料的腐蝕。PE-HD管道與金屬管道失效模式的不同導致了二者的壁厚設計公式的不同。PE-HD管道的設計需要結(jié)合材料本身的力學性質(zhì)，不能完全按照金屬管道的設計方法。

ISO標準體系與美國標準體系對于PE-HD管道的材料的分級方法和長期強度確定方法的規(guī)定不同，相同的PE-HD材料制成的管材使用不同的標準體系會被認證為不同牌號的管材，按照各自體系中的設計公式得到不同的設計壓力。目前我國PE-HD管道標準主要是由ISO標準翻譯后修改而來，并且與ISO標準相比存在著較為嚴重的滯后現(xiàn)象。我國在某些場合（如核電廠）的PE-HD 管道系統(tǒng)會使用美國的相關規(guī)范，兩套體系的并存可能會引起生產(chǎn)成本的增加。相比美國PE-HD管道標準體系，ISO 標準體系中設計方法部分并不完善，但是我國現(xiàn)有產(chǎn)品標準沿用了ISO 標準的分級思想和尺寸系列。因為要制定完善的PE-HD 管道標準體系，不應單一的參考ISO 標準或美國標準，應在我國現(xiàn)有GB標準的基礎上，以ISO管材分級方法為基礎，借鑒美國標準的設計思想，發(fā)展獨立自主的管道規(guī)范。應當逐漸積累自己的測試方法和數(shù)據(jù)，考慮國內(nèi)目前的標準體系情況與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，制定與我國生產(chǎn)、測試、檢測條件相匹配的獨立的PE-HD管道技術(shù)標準體系，支撐我國PEHD管道行業(yè)的健康快速發(fā)展。