聚乙烯燃氣管道系統(tǒng)的可靠性研究

摘 要

分析了聚乙烯燃氣管道系統(tǒng)可靠性的特點，從聚乙烯原料、管材、連接、運行等方面論述了提高可靠性的方法。
摘要：分析了聚乙烯燃氣管道系統(tǒng)可靠性的特點，從聚乙烯原料、管材、連接、運行等方面
論述了提高可靠性的方法。介紹了一些新標準，指出制定先進的技術(shù)標準并要求相關(guān)方嚴格遵守，是提高聚乙烯管道系統(tǒng)可靠性的有效途徑。
關(guān)鍵詞：聚乙烯燃氣管道；可靠性；標準
Research on Reliability of Polyethylene Gas Pipeline System
LUO Bin，LIANG Ying，YANG Haixiang
Abstract：The reliability characteristics of polyethylene gas pipeline system are analyzed.The methods for improving the reliability are described in terms of polyethylene raw material，pipe material，connection，operation and so on.Some new standards are introduced.It is pointed out that establishing the advanced technical standards and requiring the relevant parties to strictly follow them are effective ways to improve the reliability of polyethylene gas pipeline system.
Key words：polyethylene gas pipeline；reliability；standard
1 概述
    美國國防部電子設備可靠性咨詢委員會(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，簡稱AGREE)在1957年提出：可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[1]74。自此以后，可靠性理念在各個行業(yè)得到了廣泛的應用。聚乙烯(PE)燃氣管道系統(tǒng)的可靠性就是指在外部自然環(huán)境和內(nèi)部設計壓力等運行工況下，長時間無泄漏持續(xù)輸送燃氣的能力，此處的“長時間”在工程上一般理解為50a的預期壽命。
    供電行業(yè)很早就應用了可靠性管理[2]，電力具有與管道燃氣類似的網(wǎng)絡輸送、安全要求高、持續(xù)穩(wěn)定供應等特點。國內(nèi)外很多機構(gòu)都對電力可靠性管理做了大量的研究和實踐工作，中國負責可靠性管理的機構(gòu)是國家電監(jiān)會的電力可靠性管理中心。該中心制訂了系統(tǒng)的可靠性技術(shù)標準，連續(xù)10多年發(fā)布當年的電力可靠性指標，對于提升供配電系統(tǒng)的可靠性、減少停電事故發(fā)揮了重要的作用。電力行業(yè)的一些研究方法對于燃氣行業(yè)以及PE管的可靠性研究具有一定的參考意義。
    文獻[3]研究了大管徑聚乙烯管的生產(chǎn)工藝及設備的重要參數(shù)，文獻[4]研究了聚乙烯管在燃氣輸配管道抽換施工中應注意的幾個問題，文獻[5-6]結(jié)合實際城市燃氣工程研究了聚乙烯管應用中的具體要求，文獻[7]研究了聚乙烯管在城鎮(zhèn)燃氣中如何保障安全應用的有關(guān)問題，上述文獻都從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
    按照可靠性理論，PE管的可靠性可以使用可靠度、失效率、可靠壽命等概率指標來評價[1]77-90：
    可靠度R(t)是指PE管在設計工況下，在時間t內(nèi)無泄漏輸送燃氣的概率，它具有以下性質(zhì)：
    ① 當t=0時，R(t)=1，即當PE管剛投入運行時，管道可靠，總能正常工作；
    ② 當t→+∞時，R(t) →0，即PE管的可靠度隨著時間延長而逐漸降低，且管道總是要失效的。
    失效率A(t)是指已工作到時刻t尚未失效的PE管，在時刻t后單位時間內(nèi)失效的概率。
    可靠壽命是指當PE管的可靠度R(t)等于給定值R(O＜R＜1)的時間tR。考慮燃氣行業(yè)的安全要求高，實際工作中可設定PE管的可靠度R(t)=0.975，此時令tR=50a，即在0.975的可靠度下，要求PE管的預期壽命為50a。
    事實上，PE燃氣管道工業(yè)鏈主要包括PE原料生產(chǎn)，PE管材、管件和閥門生產(chǎn)，PE管道工程的設計、施工及驗收，PE管的運行維護等環(huán)節(jié)，它的可靠性與整個工業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)都有關(guān)系，該工業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)中任一單元的故障都會導致系統(tǒng)故障(指系統(tǒng)失效，產(chǎn)生安全隱患，導致泄漏)，可視為典型的可靠性串聯(lián)數(shù)學模型。
    根據(jù)串聯(lián)數(shù)學模型的理論，通過提高各個環(huán)節(jié)單元的可靠性，即通過可靠的材料、可靠的連接、可靠的運行等途徑，來提高整個PE管道系統(tǒng)的可靠性，具體的方法是制定先進的技術(shù)標準，并要求相關(guān)方共同遵守。
3 提高可靠性的途徑
3.1 可靠的材料
    可靠的材料主要指性能優(yōu)異的PE原料和管材等。目前PE管施工中，可能出現(xiàn)管溝回填土中混有石塊或非開挖施工(如定向鉆穿越)等情況，結(jié)果導致在管道局部造成應力集中(例如一個石塊頂住管道)，或者外表面劃傷，造成安全隱患。這個現(xiàn)實情況推動了抗裂材料PE100～RC(Resistant to Cracks)的出現(xiàn)，這種材料擁有更好的耐慢速裂紋增長(SCG)等性能。目前歐洲某公司開發(fā)的HDPE XSC50 0range就是一種典型的PE100-RC燃氣專用混配料，滿足德國標準PAS1075：2009-4《非傳統(tǒng)安裝技術(shù)用PE管：尺寸、技術(shù)要求及測試》的要求。相對于目前常用的PE100混配料，采用此種材料生產(chǎn)的PE管在同樣劃痕條件下，可靠性更高。
    在PE原料具有優(yōu)異性能的前提下，燃氣企業(yè)對PE管制造企業(yè)提出管材等產(chǎn)品的技術(shù)標準，并開展認證審核工作，可促使其加強產(chǎn)品質(zhì)量控制。目前北京燃氣、中華煤氣、成都燃氣、廣州燃氣、深圳燃氣等5家燃氣企業(yè)聯(lián)合發(fā)布了G5+PE001.1—2008《燃氣企業(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組標準產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)要求第1部分：燃氣用埋地PE管材》，并開展了一系列的供應商認證審核工作，有效提高了PE管質(zhì)量。
3.2 可靠的連接
    可靠的連接主要指良好的工程建設質(zhì)量，包含PE管道工程的設計、施工及驗收等內(nèi)容。
3.2.1最大允許工作壓力
    液化石油氣和人工煤氣中存在芳香烴類物質(zhì)，對PE材料有溶脹作用，會導致管道耐壓能力下降，因此PE管在輸送液化石油氣和人工煤氣時，最大允許工作壓力小于輸送天然氣時的壓力。
    另外，PE管的壽命和承壓能力與溫度密切相關(guān)。因此在進行PE管道系統(tǒng)的設計時，需要考慮周圍環(huán)境與管道最大允許工作壓力的關(guān)系。CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規(guī)程》提出，如果工作溫度在20℃以上時，則最大允許工作壓力應按CJJ 63中表4.1.5的折減系數(shù)進行折減。
    工作溫度是指管道工作環(huán)境(比如地面以下1m處)的最高月平均溫度。往年的最高月平均溫度歷史數(shù)據(jù)可以通過當?shù)貧庀蟛块T查詢得知，并可通過實測當年數(shù)據(jù)進行比對。如果忽略了溫度因素，可能出現(xiàn)管道設計壓力超過最大允許工作壓力，一旦投產(chǎn)后，將埋下安全隱患。根據(jù)時溫等效原理，如果已經(jīng)考慮了溫度對PE管工作壓力折減，在其他條件不變的情況，預期壽命不變。
3.2.2最大流速
    管道的允許壓力降可由管道系統(tǒng)起點壓力與末端調(diào)壓器允許最小進口壓力的差值來決定，但流速應有限制。由于PE管電阻率較高，管內(nèi)氣體流動時所產(chǎn)生的靜電荷會積聚起來，當氣流夾帶粉塵時，在燃氣管道內(nèi)流動過程中與管壁摩擦將產(chǎn)生靜電(即使沒有粉塵，純氣體流動時摩擦也會產(chǎn)生靜電)，而且流速過高會損傷管道內(nèi)壁。英國氣體工程師學會認為，當上游系統(tǒng)有粉塵時PE管道的設計流速不應大于20m/s，當上游系統(tǒng)沒有粉塵時PE管道的設計流速可高達40m/s；法國燃氣公司認為，為減少氣流沖刷及降低噪聲，工作狀態(tài)下的流速不宜超過20m/s；在美國，根據(jù)燃氣協(xié)會(AGA)的資料可推算，PE管的流速大于20m/s。
    考慮到國內(nèi)PE管道工程實際施工中易進入粉塵，CJJ 63—2008《聚乙烯燃氣管道工程技術(shù)規(guī)程》中提出流速不宜大于20m/s。在水力計算得出管徑后，需要校核流速。如果管徑選擇過小，將導致流速過大，降低了可靠性。
3.2.3 PE管的定位與保護
    由于材料特點，PE管難以探測定位?，F(xiàn)在可采用探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)來探測PE管，但該方法在實際工程中的應用效果有待進一步驗證。值得推薦的一個方法是在PE管工程建設時，在三通、轉(zhuǎn)彎點等特征點位置同步埋設電子標志器。管溝回填后在地面采用專用探測儀探測電子標志器，可得知特征點信息，獲得PE管的準確位置，甚至獲得施工時間、管道埋深等信息。電子標志器的有關(guān)內(nèi)容已經(jīng)列入了2011年8月1日正式實施的CJJ/T 153《城鎮(zhèn)燃氣標志標準》中。
    PE管還存在不能抵抗強力沖擊的問題。為保護PE管，工程建設時可在管道上方全程敷設有一定強度的PE保護板(印刷有搶修維修電話，寬度不小于管徑)。如果第三方在管道上方開挖作業(yè)，在挖到PE保護板后，就可以知曉保護板下方有燃氣管道，將聯(lián)系燃氣企業(yè)現(xiàn)場處理。燃氣企業(yè)工程師在現(xiàn)場通過電子標識器對PE管準確定位，采取有針對性的保護措施。
3.3 可靠的運行
    可靠的運行主要指投產(chǎn)后科學嚴謹?shù)倪\營管理。PE管遭受第三方施工破壞的案例在國內(nèi)時有報道，提高運行可靠性的方法主要包括管理類和技術(shù)類兩方面。在管理類的方法中，燃氣企業(yè)應確保PE管所處的環(huán)境和輸送介質(zhì)、壓力等運行工況符合技術(shù)標準和工程設計的要求；同時還要加強與當?shù)卣臏贤▍f(xié)調(diào)，取得支持。燃氣企業(yè)可以申請地方政府嚴格執(zhí)行《城鎮(zhèn)燃氣管理條例》，以減少第三方破壞，共同做好管道保護工作。對于管道的日常巡檢等基礎性的工作，燃氣企業(yè)可應用GIS和GPS等先進的技術(shù)措施，優(yōu)化巡檢路由。
4 相關(guān)新標準
4.1 G5+標準
    《燃氣企業(yè)聚乙烯(PE)輸配系統(tǒng)質(zhì)量控制合作小組標準》(簡稱G5+標準)包含PE管材質(zhì)量、供應商資格預審等內(nèi)容，部分指標要求比現(xiàn)行國家標準要求更高。比如國家標準GB 15558.1《燃氣用埋地聚乙烯管道系統(tǒng) 第1部分：管材》對PE混配料的焊接兼容性沒有要求，但G5+標準對此的要求是對接熔接拉伸強度(公稱外徑110mm、SDR11)試驗至破壞：若是韌性破壞，則合格；若是脆性破壞，則不合格。顯然G5+標準的管材的可靠性更高，這與最新的國際標準IS0 4437《燃氣輸送用埋地聚乙烯管材(PE)公制系列規(guī)范》和歐洲標準EN 1555-1《燃氣輸送用塑料管道系統(tǒng)聚乙烯(PE) 第一部分：總則》的要求是相符的。
    除了技術(shù)標準外，G5+標準還對供應商提出了管理上的要求。比如要求PE管供應商應保證產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性，即在管理上需要建立一個可靠的系統(tǒng)，一旦燃氣企業(yè)工程現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)PE管道質(zhì)量事故，可以從現(xiàn)場的管材追溯到工廠當時的生產(chǎn)線、操作者、原材料等信息；另一方面，工廠也可以根據(jù)記錄追溯任一根管材發(fā)送到了哪個客戶?？蛻羧細馄髽I(yè)需要建立自己的追溯系統(tǒng)，以明確任一根管材的去處。這樣就建立了從PE原料到終端工程現(xiàn)場的雙向可追溯系統(tǒng)，一旦發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量事故時，可以有效地進行產(chǎn)品召回或者采取處理對策，這也符合IS0 9000質(zhì)量管理體系的理念。
4.2 PAS 1075：2009-4
    針對非開挖和無沙基床等非傳統(tǒng)安裝技術(shù)敷設PE管的現(xiàn)象越來越多，德國于2009年正式發(fā)布了PAS 1075：2009-4《非傳統(tǒng)安裝技術(shù)用PE管尺寸、技術(shù)要求及測試》(Pipes made from Polyethylene for alternative installation techniques，Dimensions，Technical Requirement and Testing)。該標準的先進之處在于：正式定義了PE100-RC材料的概念，系統(tǒng)提出了有關(guān)技術(shù)要求，并第一次提出PE管道100a使用壽命的質(zhì)量要求。滿足該標準要求的PE100原料和管材，擁有更高的耐慢速裂紋增長的性能，即管道可以承受局部較高的應力集中(來源于管道的外表面深度劃傷或者較高的點負荷)。滿足該標準要求的材料，除了通常PE100級材料的檢驗以外，還需滿足額外的試驗要求，主要包括全切口蠕變試驗(Full-notch creep test，簡稱FNCT)、全壁厚管材點載荷試驗(Point load test，簡稱PLT)、熱穩(wěn)定性試驗、全壁厚管材切口試驗等。比如全切口蠕變試驗FNCT的試驗方法應按照國際標準IS0 16770《塑料-聚乙烯環(huán)境應力開裂(ESC)的測定-全切口蠕變試驗》來執(zhí)行：試樣為100mm×10mm×10mm標準方形棒狀，中間四面切口深度為(17%±2%)倍壁厚，將試樣置于恒溫環(huán)境中做恒定應力拉伸，觀察破壞時間和破壞類型，可采用表面活性劑加快破壞速率。PAS 1075要求在80℃的溫度下，采用2%Arkopal N-100活性劑水溶液，對試件加以4N/mm2的載荷，如果大于8760h不破壞，即認為合格。
4.3 企業(yè)標準
    雖然目前PE管系統(tǒng)已初步建立了包括PE產(chǎn)品、焊接機具(如GB/T 20674.1—2006《塑料管材和管件聚乙烯系統(tǒng)熔接設備第一部分：熱熔對接》)的標準體系，但仍有不完善的地方。為此，部分企業(yè)提出了企業(yè)標準。例如，實際工程中PE管與電熔管件之間可能存在間隙過大的情形，這種情形易產(chǎn)生不良連接，導致管道系統(tǒng)的可靠性降低，埋下安全隱患。針對這種情形，某燃氣企業(yè)根據(jù)有關(guān)標準和工程實踐，提出了PE電熔管件承口內(nèi)徑尺寸的企業(yè)標準，并在工作中實施，有效減少了間隙過大導致的不良焊接，具體尺寸要求見表1。
表1 PE電熔管件承口內(nèi)徑尺寸要求(部分) mm
公稱外徑
承口內(nèi)徑范圍
最大不圓度
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 國外關(guān)于PE管可靠性的研究
   荷蘭學者Rainer Kloth在2004年發(fā)表報告[8]，對德國GelsenWasser水務公司一批早年投入使用的PE管性能進行了研究和測試，研究樣本中的部分樣品安裝于1966—1969年。研究表明：安全運行時間最長的已達38a(截至報告發(fā)布時間)，很多管道仍然工作在最大允許工作壓力下而沒有失效，50a的預期壽命是可以達到的，其中部分管道的失效原因主要是管材生產(chǎn)和施工過程中的缺陷。此次研究結(jié)果從事實上驗證了第一代PE管50a預期壽命的可靠性和國際標準IS0 9080《塑料管道和導管系統(tǒng)：用外推法測定熱塑性塑料管材的長期靜液壓強度》標準的正確性。
6 結(jié)語
    國內(nèi)自從1982年開始埋地PE燃氣管道的應用試驗[9]，至今已過去約30年?？紤]當時的PE管材生產(chǎn)和施工均處于試驗探索階段，很有必要了解PE管的長期靜液壓性能等指標。下一步工作可以對最早的一批管道挖出來進行全面的性能測試，以檢驗預期壽命等可靠性指標；結(jié)合工程實踐和實驗數(shù)據(jù)，探討提高管材壽命的可能性，這對于降低燃氣企業(yè)運營成本，促進燃氣工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
    為提高PE燃氣管道系統(tǒng)的可靠性，整個PE管工業(yè)鏈的相關(guān)方包括PE原料和管道生產(chǎn)商、工程施工者、燃氣企業(yè)等，在材料、連接、運行等方面制定先進的標準并嚴格執(zhí)行，方可實現(xiàn)目標。
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(本文作者：羅彬 梁瑛 楊海翔 深圳市燃氣集團股份有限公司 廣東深圳 518040)