聚乙烯(PE)燃气管道系统的可靠性研究

摘 要

摘要：聚乙烯管已经广泛的应用于城市燃气行业，管道系统可靠性是人们最关心的内容之一。本文首先分析了聚乙烯燃气管道系统可靠性的特点，然后从聚乙烯材料、连接、运行等三方面论
摘要：聚乙烯管已经广泛的应用于城市燃气行业，管道系统可靠性是人们最关心的内容之一。本文首先分析了聚乙烯燃气管道系统可靠性的特点，然后从聚乙烯材料、连接、运行等三方面论述了提高可靠性的方法，接下来介绍了一些新标准，并指出制定先进的技术标准，并要求相关方严格遵守，是提高聚乙烯管道可靠性的有效途径。
关键词：聚乙烯(PE)管；燃气；可靠性；标准
1 概述
    美国国防部的电子设备可靠性咨询委员会(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，简称AGREE)在1957年提出：可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力[1]74。自此以后，可靠性理念在各个行业得到了广泛的应用。聚乙烯(以下简称PE)燃气管道系统的可靠性就是指在外部自然环境和内部设计压力等运行工况下，长时间的无泄漏持续输送燃气的能力，此处的“长时间”在工程上一般理解为50a的预期寿命。如果PE管的可靠性不高，经常失效，发生泄漏，就会导致停气，对燃气用户造成影响，甚至可能引发爆炸等事故。
    供电行业很早就应用了可靠性管理[2]，电力具有与管道燃气类似的网络输送、安全要求高、持续稳定供应等特点。国内外很多机构都对电力可靠性管理工作做了大量的研究和实践工作，中国负责可靠性管理的机构是国家电监会的电力可靠性管理中心。该中心制订了系统的可靠性技术标准，连续十多年发布当年的电力可靠性指标，对于提升供配电系统的可靠性、减少停电事故发挥了重大的作用。它的一些研究方法对于燃气行业以及PE管的可靠性工作具有一定的参考意义。
    目前在燃气行业，贺明建等研究了大管径聚乙烯管的生产工艺及设备的重要参数[3]，魏新莉等研究了聚乙烯管在燃气输配系统抽换施工中应注意的几个问题[4]，邓小刚、刘哲结合实际的城市燃气工程研究了聚乙烯管应用中的的具体要求[5][6]，李长缨研究了聚乙烯管在城镇燃气中如何保障安全应用的有关问题[7]，上述学者都从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
    按照可靠性理论，PE管的可靠性可以使用可靠度、失效率、可靠寿命等概率指标来评价[1]77-90：
    可靠度R(t)是指PE管在设计工况下，在时间t内无泄漏输送燃气的概率，它具有以下性质：
   (1) 当t=0时，R(t)=1，即当PE管刚投入运行时，管道可靠，总能正常工作；
   (2) 当t→+∞时，R(t)→0，即PE管的可靠度随着时间的延长而逐渐降低，并且管道总是要失效的。
   失效率λ(t)是指PE管已工作到时刻t尚未失效的PE管中，在时刻t后单位时间内失效的概率。
   可靠寿命是指当PE管的可靠度R(t)等于给定值R(0＜R＜1)的时间tR。考虑燃气行业的安全要求高，实际工作中可设定PE管的可靠度R(t)=0.975，此时令tR=50a，即在0.975的可靠度下，要求PE管的预期50年寿命。
   事实上，PE燃气管道工业链主要包括PE原料生产，PE管材、管件和阀门生产，PE管道工程的设计、施工及验收，PE管的运行维护等环节，它的可靠性与整个工业链的各个环节都有关系，该工业链所有环节中任一单元的故障都会导致系统故障(指系统失效，产生安全隐患，导致泄漏)，可视为典型的可靠性串联模型。
   根据串联数学模型的理论，通过提高各个环节单元的可靠性，即通过可靠的材料、可靠的连接、可靠的运行等途径，来提高整个PE系统的可靠性，具体的方法是制定先进的技术标准，并要求相关方共同遵守。
3 提高可靠性的途径
   (1) 可靠的材料
   可靠的材料主要指性能优异的PE原料和管材等。目前PE管施工中，可能出现管沟回填沙床中混有石块或非开挖施工(如定向钻穿越)等情形，结果导致在管道局部造成应力集中(例如一石块顶住管道)，或者外表面较多划伤，造成安全隐患。这个现实情况推动了抗裂材料PE100-RC(Resistant to Cracks)的出现，这种材料拥有更好的耐慢速裂纹增长(SCG)等性能。目前欧洲某公司开发的HDPE XSC50 0range就是一种典型的PE100 RC燃气专用混配料，满足德国《非传统安装技术用PE管：尺寸、技术要求及测试》PAS1075：2009-4标准的要求(参见本文的4.2节)。相对于目前常用的PE100混配料，采用此种材料生产的PE管在同样划痕条件下，安全性更好，可靠性更高。
    在PE原料具有优异性能的前提下，燃气企业对PE管制造企业提出管材等产品的技术标准，并开展认证审核工作，可促使其加强产品质量控制，使PE原料的优良力学性能保留在加工好的管材中。目前北京燃气、中华煤气、成都燃气、广州燃气、深圳燃气等5家燃气企业联合发布了《燃气企业聚乙烯(PE)输配系统质量控制合作小组标准产品质量技术要求第1部分：燃气用埋地PE管材》G5+PE001.1-2008(参见本文的4.1节)，并开展了一系列的供应商认证审核工作，有效提高了PE管质量。
   (2) 可靠的连接
   可靠的连接主要指良好的工程建设质量，包含PE管道工程的设计、施工及验收等内容。已有较多学者研究过该方面的内容，本文仅就工程中易忽视的内容做简单论述。
   ① 最大允许工作压力
   由于液化石油气和人工煤气中存在芳香烃类物质，该类物质对于PE材料有溶胀作用，会导致管道耐压能力下降，因此PE管在输送液化石油气和人工煤气时，最大允许工作压力小于输送天然气的压力。
    另外，PE管的寿命和承压能力与温度密切相关。因此在进行PE管道系统的设计时，需要考虑周围环境与管道最大允许工作压力的关系。《聚乙烯燃气管道工程技术规程》CJJ63—2008提出，如果夏天管道的工作温度在20℃以上时，则最大允许工作压力应按表1的折减系数进行折减。
表1 工作温度对管道工作压力的折减系数
工作温度
压力折减系数
-20℃≤t≤20℃
1.00
20℃＜t≤30℃
0.90
30℃＜t≤40℃
0.76
    表中工作温度是指管道工作环境(比如地面以下1m处)的最高月平均温度。往年的最高月平均温度历史数据可以通过当地气象部门查询得知，并可通过实测当年数据进行比对。如果忽略了温度因素，可能出现管道设计压力超过最大允许工作压力，一旦投产后，将埋下安全隐患。根据时温等效原理，如果已经考虑了温度对PE管工作压力折减，在其他条件不变的情况，预期寿命也不变。
   ② 最大流速
   在确定管径的时候，需要反复的计算。管道的允许压力降可由管道系统入口压力至调压器允许最小进口压力的差值来决定，但流速应有限制。由于PE管电阻率较高，管内气体流动时所产生的静电荷会积聚起来，当气流夹带粉尘时，在燃气管道内流动与管壁摩擦将产生静电(如果没有粉尘，纯气体也会产生静电)，而且流速过高会损伤管道内壁。英国气体工程师学会认为，如上游系统有粉尘时PE管道的设计流速不应大于20m/s，如上游系统没有粉尘时PE管道的设计流速可高达40m/s；法国燃气公司认为，为减少气流冲刷及降低噪声，工作状态下的流速以不宜超过20m/s；在美国，根据燃气协会(AGA)的资料可推算，PE管里的流速大于20m/s。
    事实上，考虑国内PE管道工程的实际施工中易进入粉尘，《聚乙烯燃气管道工程技术规程》CJJ63—2008中提出流速不宜大于20m/s。在水力计算得出管径后，需要校核流速。如果管径选择过小，将导致流速过大，降低了可靠性。
   ③ PE管的定位与保护
    由于材料特点，PE管难以探测定位。现在可采用探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)来探测PE管，但该方法在实际工程中的应用效果有待进一步验证。值得推荐的一个方法是在PE管工程建设时，在三通、转弯点等特征点位置同步埋设电子标识器；待管沟回填后在地面采用专用探测仪探测电子标识器，得知特征点信息，获得PE管的准确位置，甚至获得施工时间、管道埋深等信息。电子标识器的有关内容已经列入了今年7月1日正式实施的《城镇燃气标志标准》CJJ/T153中。
    PE管还存在不能抵抗强力冲击的问题。为保护PE管，工程建设时可在管道上方全程无缝敷设有一定强度的PE保护板(印刷有抢维修电话，不小于管径宽度)。如果第三方在管道上方开挖作业，在挖到PE保护板后，就可以知晓保护板下方有燃气管道，将联系燃气企业现场处理。燃气企业工程师在现场通过电子标识器系统对PE管准确定位，采取有针对性的保护措施。
   (3) 可靠的运行
   可靠的运行主要指投产后科学严谨的运营管理。PE管遭受第三方施工破坏的案例在国内时有报道，提高运行可靠性的方法主要包括管理类和技术类两方面。在管理类的方法中，燃气企业应确保PE管所处的环境和输送介质、压力等运行工况符合技术标准和工程设计的要求；同时还要加强与当地政府的沟通协调，取得支持。国家2010年颁布了《石油天然气管道保护法》，但是城市燃气管道不适用该法。不过燃气企业可以申请地方政府参照该法律颁布《城市燃气管道保护办法》等地方性法规，以减少第三方破坏，共同做好管道保护工作。对于管道的日常巡查巡检等基础性的工作，燃气企业可应用GIS和GPS等先进的技术措施，优化巡查路由，加强对管网的保护。
4 标准的新要求
    随着社会发展和技术进步，整个PE管工业链各个环节的技术标准都在持续发展中，有效提高了可靠性，这里仅介绍几个具有特别意义的新标准。
    (1) 《燃气企业聚乙烯(PE)输配系统质量控制合作小组标准》(G5+标准)
    该标准由国内五家燃气企业联合提出，立足于燃气企业的需求，考虑国内PE产业的实际情况，吸收了国外的先进标准和经验，具有很强的实践指导意义。同时通过对供应商的认证审核工作，促进了行业的技术进步，事实上推动了国内PE管行业的健康发展。该标准体系目前包含PE管材质量、供应商资格预审等内容，部分指标要求比现行国家标准要求更高。比如国家标准GB15558.1《燃气用埋地聚乙烯管道系统 第1部分：管材》对PE混配料的焊接兼容性没有要求，但G5+标准对此的要求是对接熔接拉伸强度(dn11Omm SDR11)试验至破坏：韧性破坏一通过，脆性破坏一未通过。显然G5+标准的管材的可靠性更高，这与最新的国际标准IS04437《燃气输送用埋地聚乙烯管材(PE)-公制系列-规范》和欧洲标准EN1555-1《燃气输送用塑料管道系统-聚乙烯(PE)-第一部分：总则》的要求是相符的。
    除了技术标准外，G5+标准还对供应商提出了管理上的要求。比如要求PE管供应商应保证产品质量的可追溯性，即在管理上需要建立一个可靠的系统，一旦燃气工程企业现场发现PE管道质量事故时，可以从现场的管材追溯到工厂当时的生产线、操作者、原材料等信息；同时另一方面，工厂也可以根据记录追溯任一根管材发送到了哪个客户。当然，客户燃气企业需要建立自己的追溯系统，以确保任一根管材的去处。这样就建立了从PE原料到终端工程现场的双向可追溯系统，一旦发生产品质量事故时，可以有效的进行产品召回或者处理对策，这也符合IS09000质量管理体系的理念。
    (2) 德国公共可用规范《非传统安装技术用PE管-尺寸、技术要求及测试》PAS1075：2009-4
    针对非开挖和无沙基床等非传统安装技术敷设PE管的现象越来越多，德国于2009年正式发布了《非传统安装技术用PE管-尺寸、技术要求及测试》(Pipes made from Polyethylene for alternative installation techniques，Dimensions，Technical Requirement and Testing)PAS1075：2009-4。该标准的先进之处在于：正式定义了PE100-RC材料的概念，系统提出了有关技术要求，并第一次提出PE管道100年使用寿命的质量要求。满足该标准要求的PE100原料和管材，拥有更高的耐慢速裂纹增长的性能，即管道可以承受局部较高的应力集中(来源于管道的外表面深度划伤或者较高的点负荷)。满足该标准要求的材料，除了通常PE100级材料的检验以外，还需满足额外的试验要求[7]，主要包括全切口蠕变试验(Full-notch creep test，简称FNCT)、全壁厚管材点载荷试验(Point load test，简称PLT)、热稳定性试验、全壁厚管材切口试验等。比如全切口蠕变试验FNCT的试验方法按照国际标准IS0 16770《塑料-聚乙烯环境应力开裂(ESC)DN定-全切口蠕变试验》来执行：试样为100*10*1Omm标准正方形棒状，中间四面切口深度为(17%±2%)壁厚，将试样置于恒温环境中做恒定应力拉伸，观察破坏时间和破坏类型，可采用表面活性剂加快破坏速率。PAS1075要求在80℃的温度下，采用2%Arkopa1N-100活性剂水溶液，对试件加以4N/mm2的力，如果大于8760h不破坏，即认为合格。
    (3) 企业标准
    虽然目前PE系统已初步建立了包括PE产品、焊接机具(如《塑料管材和管件聚乙烯系统熔接设备 第一部分：热融对接》GB/T20674.1-2006)、的标准体系，但仍有不完善的地方。为此，部分企业提出了企业标准。例如，针对实际工程中PE管与电熔管件之间可能存在间隙过大的情形，这种情形易出现不良连接，导致管道系统的可靠性降低，埋下安全隐患。某燃气企业根据有关国家标准和工程实践，提出了PE电熔管件承口内径尺寸的企业标准，并在工作中实施，有效减少了间隙过大导致的不良焊接，参见表2。
表2 PE电熔管件承口内径尺寸要求(部分)单位：mm
公称外径
承口内径范围
最大不圆度
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 国外关于PE管可靠性的研究结论
   荷兰学者Rainer Kloth在2004年发表报告阳，对德国GelsenWasser水务公司一批早年投入使用的PE管性能进行了研究和测试，研究样本中的部分样品安装于1966年-1969年。研究表明：安全运行时间最长的已达38a(截至报告发布时间)，很多管道仍然工作在最大允许工作压力下而没有失效，50a的预期有效寿命是可以达到的，其中部分管道的失效原因主要是管材生产和施工过程中的缺陷。此次研究结果从事实上验证了第一代PE管50a预期寿命的可靠性和国际标准IS09080《塑料管道和导管系统：用外推法测定热塑性塑料管材的长期静液压强度》标准的正确性。
6 结论
    国内自从1982年开始埋地PE燃气管道的应用试验[9]，至今已过去约30年。考虑当时的PE管材生产和施工均处于试验探索阶段，很有必要了解管的长期静液压性能等指标。下一步工作可以对最早的一批管道挖出来进行全面的性能测试，以检验预期寿命等可靠性指标；同时结合工程实践和实验数据，探讨提高管材寿命的可能性，这对于降低燃气企业运营成本，促进燃气工业的发展具有重要意义。
    为提高PE燃气管道系统的可靠性，整个工业链的相关方包括PE原料和管道生产商、工程施工者、燃气企业等都负起责任，在材料、连接、运行等方面制定先进的标准并严格执行，方可实现目标。G5+标准的制定及实施就是一个最好的实证案例。
 
      (本文作者：罗彬 梁瑛 杨海翔 深圳市燃气集团股份有限公司 广东深圳 518040)