聚乙烯管应用于0.6MPa次高压燃气管网的探讨

摘 要

摘要：分析了聚乙烯管道的优良特性，结合相关规范及国外的应用实例，探讨了聚乙烯管道应用于天然气次高压(≤0.6MPa)管网的可行性。关键词：聚乙烯管道(PE管)；次高压燃气管网；力学性
摘要：分析了聚乙烯管道的优良特性，结合相关规范及国外的应用实例，探讨了聚乙烯管道应用于天然气次高压(≤0.6MPa)管网的可行性。
关键词：聚乙烯管道(PE管)；次高压燃气管网；力学性能
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
    相对于钢管，聚乙烯管道具有诸多优良特性[1]，故聚乙烯管在城镇燃气中低压管网中得到了广泛应用[2～5]，受限于规范的强制性规定，至今尚未在次高压管网中得以应用。
1 聚乙烯燃气管道的优良特性[6]
    ① 耐腐蚀。聚乙烯为惰性材料，除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀。不会产生电化学腐蚀，不需要防腐层。
    ② 泄漏量极小。聚乙烯燃气管道主要采用熔接连接(热熔连接或电熔连接)，本质上保证了接头材质、结构与管道的同一性，体现了接头与管道的一体化。试验证明，聚乙烯燃气管道接头的抗拉强度及爆破强度均高于管道本身，可有效抵抗内压力产生的环向应力及轴向拉伸应力，不存在因接头造成泄漏的危险。
    ③ 高韧性。聚乙烯管道具有高韧性，对管基不均匀沉降的适应能力非常强，是一种抗震性能优良的管道。在1995年日本的神户地震中，燃气管道共受损26500处，而长约20000km的聚乙烯燃气管道系统并未遭到破坏。因此，日本震后在燃气领域大力推广使用聚乙烯管道。
    ④ 优良的挠性。挠性是聚乙烯材料的一个重要特性，它极大地提升了聚乙烯管道的工程应用价值。挠性使小管径聚乙烯管道可以盘卷，并以较大的长度使用，不需要各种连接管件。用于不开槽施工时，聚乙烯管道容易依照施工的要求改变走向。挠性可使聚乙烯管道在施工前改变形状，插入旧管道后恢复原来的尺寸。
    ⑤ 良好的抵抗刮痕能力。采用不开槽施工技术，无论是敷设新管道还是进行旧管道的修复或更新，刮痕是无法避免的。刮痕会造成材料的应力集中，破坏管道。管材抵抗刮痕的能力与慢速裂纹增长行为密切相关。研究证明，PE80聚乙烯管材具有较好的抵抗慢速裂纹增长的能力和抵抗刮痕能力，PE100聚乙烯管材则具有更加出色的抵抗刮痕能力。
   ⑥ 良好的快速裂纹传递抵抗能力。近10年来，国际上对塑料管道，特别是对聚乙烯燃气管道的快速裂纹传递进行了大量卓有成效的研究。研究结果表明，在常用的塑料管材中，在抵抗快速裂纹传递能力方面，聚乙烯管材名列前茅。
   ⑦ 使用寿命长，可达50a以上。
   ⑧ 重量轻。
2 相关规范的规定及解读
   根据CJJ 63—2008《聚乙烯燃气管道工程技术规程》，聚乙烯管道输送天然气、液化石油气和人工煤气时，其设计压力不应大于管道的最大允许工作压力，最大允许工作压力见表1。
表1 聚乙烯管道的最大允许工作压力 MPa
城镇燃气种类
PE80
PE
00
SDR11
SDR17.6
SDR11
SDR17.6
天然气
0.50
0.30
0.70
0.40
液化石油气
混空气
0.40
0.20
0.50
0.30
气态
0.20
0.10
0.30
0.20
人工煤气
干气
0.40
0.20
0.50
0.30
其他
0.20
0.10
0.30
0.20
   温度对管道的最大允许工作压力有影响，最大允许工作压力应按工作温度对管道工作压力的折减系数进行折减，折减系数见表2。
表2 工作温度对管道工作压力的折减系数
工作温度t
-20℃≤t≤20℃
20℃＜t≤30℃
30℃＜t≤40℃
折减系数
1.00
0.90
0.76
    注：本表中的工作温度指管道工作环境的最高月平均温度。
   由于聚乙烯燃气管道埋设有一定的覆土厚度要求，故管道工作温度比较稳定。通过查询《暖通空调气象资料集》得知，我国地区累年最热月(7月)温度为20～30℃，故取折减系数为0.90，则采用SDR11系列PE100聚乙烯管道输送天然气的最大允许工作压力可以达到0.63MPa。
   GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》强制性条文第6.3.2条规定：次高压燃气管道应采用钢管。该条规定的条文说明指出，次高压燃气管道一旦发生破裂，材料的裂纹扩展速度极快，且不易止裂，其断裂长度也很长，后果严重。因此必须采用具有良好的抗脆性破坏能力和良好的焊接性能的钢管，以保证输气管道的安全。
3 聚乙烯管道应用于次高压管网的可行性
    聚乙烯管道应用于次高压管网在技术方面是可行的。近年来，对聚乙烯管材长期使用性能已有科学系统的标准评价方法，在设计上保证了长期使用性能及使用的安全性。从原料到工程施工，从产品要求到质量的控制方法，聚乙烯管道系统均具有完备的IS0标准。标准的高水平和系统化标志了聚乙烯管道发展的高度成熟。CJJ 63—2008修订的主要技术内容包含提高管道的最大允许工作压力(由0.4MPa提高到0.7MPa)。
    聚乙烯管道应用于次高压管网在安全方面也是可行的。规范的强制性条文限制在次高压管网中采用聚乙烯管道，这主要是出自安全性考虑。目前推广应用于聚乙烯燃气管道的PE100(PE100是指在20℃条件下，聚乙烯管材在50a后仍能保持10MPa的最小要求强度)较PE80在性能上更优越，主要体现为优异的慢速裂纹增长抵抗能力，卓越的快速裂纹扩展抵抗能力，较好的抵抗刮痕能力以及较高的刚度。当然，由于PE材料固有的特性，无论使用PE100材料还是PE80材料，对管道进行保护和防止外力损伤始终是一项重要的工作，可以通过增加壁厚来提高聚乙烯燃气管道的安全性。
    在多年的实践中，聚乙烯管道的原料性能、管材和管件制造工艺、连接方法、连接机具以及运行中的维修手段等不断取得革命性的进步，聚乙烯管道系统已经达到高度成熟。对于聚乙烯管道局部小孔泄漏，可以利用其热塑性，采用电熔连接方式将电熔鞍型管件与管道管壁熔为一体，可以避免焊接动火。带压不停气聚乙烯管道连接技术亦可用于次高压管网的抢修工作。
4 应用实例
    目前欧洲PE100聚乙烯燃气管道的实际使用压力见表3。根据相关规范，英国SDR11系列PE100聚乙烯燃气管道的最大允许工作压力可达1.0MPa，实际使用压力已达0.7MPa。于1989年进行的聚乙烯燃气管道区域现场试验获得成功后，至1992年共敷设聚乙烯燃气管道150km。
表3 欧洲PE100聚乙烯燃气管道的实际使用压力
国家
标准尺寸比(SDR)
实际使用压力/MPa
英国
11.0
0.7
比利时
17.6
0.5
法国
17.6
0.4
荷兰
11.0
0.8
西班牙
11.0
0.7
    1996年，德国也建设了第1套PE100燃气管网，设计压力为1.0MPa，主要为工业用户供应燃气，管道全长22km，外径为180mm与225mm，与钢管相比，节约了16%的成本。
    美国煤气协会(AGA)也正在努力提高SDR11系列PE100聚乙烯燃气管道的最大允许工作压力，拟从690kPa提高到860kPa，相应聚乙烯燃气管道的强度设计系数F从0.32提高到0.40。
5 结语
    目前，国外正在尝试将SDR11系列PE100聚乙烯燃气管道的使用压力提高至1.0MPa。在天然气高速发展的今天，修订相关规范，推广聚乙烯燃气管道应用于次高压(≤0.6MPa)管网是安全可行的
参考文献：
[1] 孙锦杰，吴明波，李大兴，等.聚乙烯管与钢管、铸铁管的比较[J].煤气与热力，2001，21(2)：142-144.
[2] 李英玉.聚乙烯薄壁管在城市中低压燃气管道的应用[J].煤气与热力，2007，27(7)：45-48.
[3] 魏新莉，谭洪艳.聚乙烯管在燃气输配系统的应用[J].煤气与热力，2003，23(7)：426-428.
[4] 韩黎清，恽惠德，方正.燃气用聚乙烯管道的应用[J].煤气与热力，2007，27(11)：30-35.
[5] 邓小刚，栾承莲.泰州市中压燃气用聚乙烯管选型探讨[J].煤气与热力，2009，29(7)：A32-A34.
[6] 周以良，李琼.聚乙烯燃气管道的应用[J].煤气与热力，2003，23(9)：564-565.
 
(本文作者：段武荣 中国煤炭科工集团重庆设计研究院 重庆 400016)